[发明专利]一种改善低频特性的振动冲击复合传感器

说明书

技术领域

本发明涉及工程应用的振动与冲击共振解调检测领域,特别是一种改善低频特性的振动冲击复合传感器。

背景技术

本发明人此前提出过多项关于振动冲击检测的传感器技术专利，例如：

200710036156.5一种磁性安装的振动冲击传感器

200710036153.1一种宽频带电荷放大器及其设计方法

01233313.1温度振动数模复合传感器

200720062217.0一种同时检测水平振动和垂直振动与冲击的复合传感器

200810200735.3一种检测振动冲击的广义共振复合传感器

200720065122.4磁性安装的振动冲击传感器

以上述这些已申请的专利技术构成的检测振动冲击的复合传感器，解决了在较为理想条件下和有限需求条件下的振动、冲击检测问题。

在轨道交通、风力发电等领域故障诊断所需求的振动冲击传感器，不同于实验室用的和固定机械检测的传感器，恶劣的使用环境对它提出了更为严格的要求：例如为了适应在恶劣环境下可靠使用，要求传感器的电缆和电缆夹具十分坚固，由此而使用的直径很粗的电缆和传感器的更大的电缆夹具，使得传感器的电缆输出端变得又大又沉重；由于工程现场提供的安装传感器的空间限制，却要求传感器的体积、质（重）量和外廓尺寸充分减小，这就带来了传感器的外廓结构的刚性下降、电缆输出端相对机器上的安装端线头重脚轻的问题。力学分析证明：这样的传感器必然存在频率较低的结构共振，使得期望传感器具有良好的低频平坦频率响应以实现低频振动测量和以高频广义共振峰实现冲击共振解调检测的要求难以实现。

在风力发电领域，叶轮的转速范围是有9~20r/min，所引起的振动频率低达0.15Hz~0.33Hz；发电机转速达1800r/min，频率30Hz，但其驱动齿轮的啮合振动频率则达到30*22=660Hz；轨道交通车辆低速运行速度于10km/h时，直径1.25m的车轮引起的振动频率仅0.7Hz，高速运行速度达500km/h，直径1.25m的车轮振动频率达到36Hz，而驱动齿轮的啮合振动频率则达到3.6kHz，直径0.84m的车轮振动频率达到53Hz，而驱动齿轮的啮合振动频率则达到5.3kHz。上述计算表明对于传感器的振动测量频带达到0.15Hz~5.3kHz。按照国际惯例规定的通频带范围是增益波动3dB的频率范围，本发明提出的要求是：通频带范围是增益波动1dB的频率范围，同时要求传感器具有频率20kHz、增益20dB的高频广义共振峰，以满足实现冲击共振解调检测的要求。

设按照上述要求设计的传感器内置的弹簧质量广义共振谐振系统的谐振器组件的谐振质量M2=3g，弹性元件的弹簧刚度K2=47500000N/m，设置的谐振阻尼n238Ns/m，如附图1。则谐振器组件的谐振质量M2具有以下谐振特性：谐振器组件的谐振质量M2的固有谐振频率为20kHz，增益为20dB，0到10kHz以内平坦，在5.3kHz处的增益为0.63dB，满足设计要求，如附图2。

设该传感器安装在传感器底座上的外壳和电缆夹具以及电缆的质量为外壳组件的上盖质量M3=100g，为了在传感器内部安装上述谐振系统和电路板而将传感器的外壳厚度控制在1mm左右，则其仅有很低的外壳刚度K3=600000N/m，外壳阻尼n3=3Ns/m，如附图1。则外壳组件的上盖质量M3具有以下谐振特性：外壳组件的上盖质量M3的固有谐振频率为389.9Hz，增益为38.23dB，如附图2。

理想情况下，传感器底座质量M1充分理想地（如附图3）连接到机器M0时，可以将传感器底座和机器看成一个整体，设传感器底座连同机器的总质量M1+M0=100kg，则谐振器组件的谐振质量M2对机器振动冲击的响应是理想的：在0到5.3kHz以内有平坦的、5.3kHz处最大增益为0.64dB的振动频率响应，能够实现宽频带的振动监测；在20kHz有增益为20dB的广义共振响应，以便实现对冲击的广义共振变换提取，进而实现共振解调监测，如附图4。

同时外壳组件的上盖质量M3的谐振特性也未发生变化（如附图4）。