专利名称：差分式红外位移传感伺服加速度计的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于差分式红外位移传感的伺服加速度计。
背景技术：
加速度计(又称加速度传感器)是用于测量物体运动加速度的一种装置，广泛地 应用于地球物理勘探、地震测量、交通运输、航空航天等领域。加速度传感器是利用惯性原理进行工作的。通常有两种测量物体运动加速度的方 法(1)通过测量物体相对于惯性检测质量的位移或速度，并对其进行导数运算而得到加 速度。( 通过测量随被测物体一起运动的惯性检测质量所受到的惯性力的大小来获得物 体运动的加速度。加速度传感器的种类繁多，从纯机械式逐渐发展到液浮、磁悬浮和气浮式，以及后 来的挠性、激光、压电晶体谐振式等。不同类型的加速度计具有各自的优点和不足，如电容 式的加速度计，具有温度系数小、稳定性好、灵敏度高的优点，但是缺点是加工精度要求太 高且信号处理电路复杂；压电式加速度计具有频带响应宽和灵敏度高的特点，但是压电材 料极化产生的是直流电荷，在低频的时候难以进行压电测量，影响传感器的低频特性。总体 来看，加速度传感器性能的优劣，关键要看其在低频段的响应情况，然而，要获取物体作低 频运动时的加速度是非常困难的，必须采用新的原理、特殊的方法和技术，保证其在低频段 有良好的加速度响应曲线。
发明内容
针对上述情况，本发明的目的是提供一种结构简单、低频特性好，测量精度和灵敏 度高的差分式红外位移传感伺服加速度计。为了实现上述目的，本发明的技术方案是差分式红外位移传感伺服加速度计，其 特征在于它包括振动位移传感器和伺服反馈控制装置；振动位移传感器包括外壳、圆筒形检测质量块、挡光片、红外发射管、红外接收管、 弹簧；伺服反馈控制装置包括圆柱形永久磁体、磁力驱动线圈、下永久磁体支撑螺栓、上 永久磁体支撑螺栓；外壳由软磁材料制成，圆筒形检测质量块套在圆柱形永久磁体外，圆柱形永久磁 体和圆筒形检测质量块位于外壳内；下永久磁体支撑螺栓的上端部穿过外壳上的下螺栓孔 后旋入圆柱形永久磁体下端的螺纹孔中，上永久磁体支撑螺栓的下端部穿过外壳上的上螺 栓孔后旋入圆柱形永久磁体上端的螺纹孔中，圆筒形检测质量块由弹簧固定在外壳上；圆 筒形检测质量块的外面缠绕有多匝磁力驱动线圈，磁力驱动线圈的两端与设在外壳上的反 馈电流输入端口相连；挡光片固定在圆筒形检测质量块上，挡光片上设有一个通光孔，2个片状的红外接 收管成上下位并排设置在支撑板上，支撑板固定在外壳上，红外发射管设置在外壳上，红外发射管与2个红外接收管的接缝的中心相对；挡光片上的通光孔位于红外发射管与红外接 收管之间，红外接收管的输出由信号线与红外位移传感信号输出端口相连所述弹簧的个数为四根，四根弹簧分别对应与圆筒形检测质量块的左上端、右上 端、左下端、右下端相连，且四根弹簧位于同一铅直平面内。所述通光孔为长方形，通光孔的大小与所采用的片状的红外接收管的尺寸相匹配。本发明的有益效果是1、结构简单，制作方便，易于调节，便于安装。受温度和气压 影响�。寤。旒鄣�。2、采用差分式红外位移传感使检测质量块相对位移测量的精度高和反应速度快， 其次，由于加入了反馈控制环节，圆筒形检测质量块始终与外壳基本保持相对静止状态，与 其它类型的加速度传感器相比，本发明动态响应范围大，低频特性好。由于采用了差分式红 外位移传感进行圆筒形检测质量块的位置测量，以及通过测量反馈电流来获得物体运动的 加速度，该加速度传感器具有良好的线性性和较高的灵敏度。本发明能够通过GPRS无线通信网和hternet对大地振动进行远程实时自动监 测。适用于火箭、船舶、火车等一些需要平衡控制的设备中。可应用于地震测试、矿山、铁路、 公路、桥梁、隧道等大型基础工程建设。
图1是本发明的结构示意图；图2为位移信号提取与处理和反馈控制系统的原理框图；图1中1-外壳，2-圆柱形永久磁体，3-圆筒形检测质量块，4-磁力驱动线圈， 5-挡光片，6-红外发射管，7-红外接收管，8-弹簧，9-下永久磁体支撑螺栓，10-红外位移 传感信号输出端口，11-反馈电流输入端口，12-上永久磁体支撑螺栓。
具体实施例方式如图1所示，差分式红外位移传感伺服加速度计，它包括振动位移传感器和伺服 反馈控制装置(在单片机或DSP智能控制下协同工作)，振动位移传感器包括外壳1、圆筒形检测质量块3、挡光片5、红外发射管6、红外接 收管7、弹簧8;伺服反馈控制装置包括圆柱形永久磁体2、磁力驱动线圈(或称线圈)4、下永久磁 体支撑螺栓9、上永久磁体支撑螺栓12 ；外壳1由软磁材料制成(框架结构)，将圆筒形检测质量块3套在圆柱形永久磁 体2外，共同置于外壳1中，并保持三者共轴(在外壳1、圆柱形永久磁体2之间产生沿圆柱 体径向的磁�。谝欢ǖ陌刖洞Φ脑仓苌洗懦∈蔷鶆虻�)；下永久磁体支撑螺栓9的上端部 穿过外壳1上的下螺栓孔后旋入圆柱形永久磁体2下端的螺纹孔中，上永久磁体支撑螺栓 12的下端部穿过外壳1上的上螺栓孔后旋入圆柱形永久磁体2上端的螺纹孔中(圆柱形永 久磁体2的上下两端开有对称的螺纹孔；通过调节下永久磁体调整螺栓9、上永久磁体调整 螺栓12，可调整圆柱形永久磁体2相对圆筒形检测质量块3的位置)，圆筒形检测质量块3 由弹簧8固定(如焊接)在外壳1上(保证圆筒形检测质量块3可在圆柱形永久磁体2和外壳1之间沿轴线方向自由运动)；圆筒形检测质量块3的外面缠绕有多匝磁力驱动线圈 4 (具体匝数根据需要确定，如300-400匝)，磁力驱动线圈4的两端与设在外壳1上的反馈 电流输入端口 11相连(缠绕在圆筒形检测质量块3上的磁力驱动线圈4置于磁场中；为了 保证均勻磁场分布，要求圆柱形永久磁体2与外壳1之间的距离要小，仅需保证磁力驱动线 圈4在其中能够自由运动即可)；挡光片5固定在圆筒形检测质量块3的下端，挡光片5上设有一个方形通光孔，2 个片状的红外接收管7设置在支撑板上，2个片状的红外接收管7上下布置[两片状红外接 收管7上下并排平行放置，2个红外接收管7接触边的中心部位正对红外发射管6 (即红外 发射管6与2个红外接收管7的接缝的中心相对)，让红外发射管6发出的红外线可以通过 挡光片上的方形的通光孔同时照射到两个红外接收管7上]，支撑板固定在外壳1上，红外 发射管6设置在外壳1上，挡光片5上的孔位于红外发射管6与红外接收管7之间(通过 挡光片位置移动引起光强变化，产生与位移成正比的光电流，从而测量物体的运动位移；采 用差分式结构)；红外接收管7的输出由信号线与红外位移传感信号输出端口 10相连，红 外位移传感信号输出端口 10由信号线与位移信号提取与处理和反馈控制系统的红外位移 传感信号差分放大器的输入端相连，反馈电流输入端口 11由导线与位移信号提取与处理 和反馈控制系统的反馈电流驱动器的输出端相连。所述弹簧8的个数为四根(细软弹簧)，四根弹簧8分别对应与圆筒形检测质量 块3的左上端、右上端、左下端、右下端相连，且四根弹簧8位于同一铅直平面内(如图1所 示，四根弹簧8对称分布，上下左右对称分布，分别为左上弹簧、右上弹簧、左下弹簧、右下 弹簧，大小、规格、材质相同)。弹簧8不仅起到支撑圆筒形检测质量块3的作用，更重要的 是它的隔振作用。弹簧8在选择过程中，尽可能选择材质柔软，弹性好，隔振性能优的细软 弹簧。安装时要注意对称均勻分布在圆筒形检测质量块3的周边。如图2所示，位移信号提取与处理和反馈控制系统它包括反馈电流驱动器、输出 电流控制器、单片机(或DSP)、液晶显示器、AD转换器、前置放大器、红外位移传感信号差分 放大器，反馈电流驱动器的输出端与外壳1上的反馈电流输入端口 11相连，反馈电流驱动 器的输入端与输出电流控制器的输出端相连，输出电流控制器的输入端与单片机(或DSP) 的电流控制端口相连，单片机(或DSP)上设有RS232接口，单片机(或DSP)上的显示输 出端口与液晶显示器相连；红外位移传感信号差分放大器的输入端与外壳1上的红外位移 传感信号输出端口 10相连，红外位移传感信号差分放大器的输出端与前置放大器的输入 端相连，前置放大器的输出端与AD转换器的输入端相连，AD转换器的输出端与单片机(或 DSP)的一个输入端口相连。当圆筒形检测质量块3与外壳1无相对位移时，红外发射管6发出的红外光透过 方形通光孔所形成的光斑均勻地照射在两个片状红外接收管7上，他们接收到的光照面积 相同，产生大小相同的光电流，经过差分电路放大与处理，可使与位移相关的输出电流(电 压)为零(位移信号输出为零)。当外壳1(框架)和圆柱形永久磁体2随被测量的物体 运动时(当圆筒形检测质量块3与外壳1有相对位移发生时)，由于惯性和四根细软弹簧 的隔振作用，圆筒形检测质量块对外界保持静止，而与之相连的挡光片将相对于固定在外 壳(框架)上的红外发射管6和红外接收管7作相对运动(挡光片5也相对于红外发射管 6和红外接收管7运动)，导致照射在两片红外接收管7上光斑的位置发生了变化，从而改变了红外光线通过方形通光孔照射到两个接收管上的面积，接收面积的改变与位移成正比 (这时两红外接收管7的输出信号经红外位移传感信号输出端口 10差分放大处理后将不为 零，它可反映圆筒形检测质量块3与外壳1之间的相对位移)，因此，红外接收管输出的光电 流也与位移成正比；经过差分放大和信号处理电路，即可测量圆筒形检测质量块相对于外 壳1的位移。红外差分位移信号经过放大和数据采集后，送入单片机或DSP进行分析和计 算。然后，根据相对位移量的大小和方向，产生一个适当的反馈电流，通过输出电流控制器 和反馈电流驱动器，经反馈电流输入端口 11送入磁力驱动线圈4，产生一个与圆筒形检测 质量块3运动相反的磁力，并让磁力的大小与圆筒形检测质量块3受到的惯性力相等，保持 圆筒形检测质量块3与外壳1之间相对静止。通过测量反馈电流大�。纯杉浣忧蟪鲈餐� 形检测质量块3的受力，从而得到物体(固定于外壳1上)运动的加速度。红外发射管6与红外接收管7的中心波长要匹配。红外发射角尽可能小，红外接 收管最好有较高的电流响应速度和较大的电流输出能力。为了测量物体运动的加速度，可将差分式红外位移传感伺服加速度计固定在物体 上，以运动物体作为参照系(非惯性系)，由惯性定律，外壳(传感器框架)1相对于圆筒形 检测质量块3的加速度就是物体运动的加速度，此时，圆筒形检测质量块受到一个与物体 (传感器框架)运动方向相反、其大小与物体运动加速度成正比的惯性力作用，测出惯性力 即可得到物体运动的加速度。本发明采用伺服控制技术和力平衡的方法获得物体所受到的惯性力，即通过上述 红外线位移测量装置，实时获得圆筒形检测质量块相对于外壳(传感器框架)1的位移，然 后，通过一系列的信号处理和自动控制电路，加载一个反馈电流到缠绕在圆筒形检测质量 块上的线圈中，形成一个与惯性力大小相等、方向相反的磁力，使圆筒形检测质量块在惯性 力和磁力的作用下保持平衡，即圆筒形检测质量块与传感器框架之间保持相对静止；圆筒 形检测质量块受到的磁力大小和方向是由反馈电流决定的，通过对反馈电流的测量就可以 得到固定于传感器框架上物体运动的加速度。这样的测量方式可使该加速度传感器具有良 好的线性度和低频特性、很高的灵敏度及较宽频带范围。
权利要求
1.差分式红外位移传感伺服加速度计，其特征在于它包括振动位移传感器和伺服反馈 控制装置；振动位移传感器包括外壳(1)、圆筒形检测质量块C3)、挡光片( 、红外发射管(6)、红 外接收管(7)、弹簧(8)；伺服反馈控制装置包括圆柱形永久磁体O)、磁力驱动线圈G)、下永久磁体支撑螺栓 (9)、上永久磁体支撑螺栓(12)；外壳(1)由软磁材料制成，圆筒形检测质量块C3)套在圆柱形永久磁体( 外，圆柱形 永久磁体( 和圆筒形检测质量块C3)位于外壳(1)内；下永久磁体支撑螺栓(9)的上端 部穿过外壳(1)上的下螺栓孔后旋入圆柱形永久磁体( 下端的螺纹孔中，上永久磁体支 撑螺栓(1 的下端部穿过外壳(1)上的上螺栓孔后旋入圆柱形永久磁体( 上端的螺纹 孔中，圆筒形检测质量块(3)由弹簧(8)固定在外壳(1)上；圆筒形检测质量块C3)的外面 缠绕有多匝磁力驱动线圈G)，磁力驱动线圈(4)的两端与设在外壳(1)上的反馈电流输入 端口(11)相连；挡光片( 固定在圆筒形检测质量块C3)上，挡光片( 上设有一个通光孔，2个片状 的红外接收管(7)成上下位并排设置在支撑板上，支撑板固定在外壳(1)上，红外发射管 (6)设置在外壳(1)上，红外发射管(6)与2个红外接收管(7)的接缝的中心相对；挡光片 (5)上的通光孔位于红外发射管(6)与红外接收管(7)之间，红外接收管(7)的输出由信号 线与红外位移传感信号输出端口(10)相连。
2.根据权利要求1所述的差分式红外位移传感伺服加速度计，其特征在于所述弹簧 (8)的个数为四根，四根弹簧(8)分别对应与圆筒形检测质量块C3)的左上端、右上端、左下 端、右下端相连，且四根弹簧(8)位于同一铅直平面内。
3.根据权利要求1所述的差分式红外位移传感伺服加速度计，其特征在于所述通光 孔为长方形，通光孔的大小与所采用的片状的红外接收管的尺寸相匹配。
全文摘要
本发明涉及一种基于差分式红外位移传感的伺服加速度计。差分式红外位移传感伺服加速度计，其特征在于外壳由软磁材料制成，圆筒形检测质量块套在圆柱形永久磁体外；圆筒形检测质量块由弹簧固定在外壳上；圆筒形检测质量块的外面缠绕有多匝磁力驱动线圈，磁力驱动线圈的两端与设在外壳上的反馈电流输入端口相连；挡光片固定在圆筒形检测质量块上，挡光片上设有一个通光孔，2个片状的红外接收管成上下位并排设置在支撑板上，支撑板固定在外壳上，红外发射管设置在外壳上；挡光片上的通光孔位于红外发射管与红外接收管之间，红外接收管的输出由信号线与红外位移传感信号输出端口相连。本发明具有结构简单、低频特性好，测量精度和灵敏度高的特点。
文档编号G01P15/093GK102141575SQ20111000034
公开日2011年8月3日 申请日期2011年1月4日 优先权日2011年1月4日
发明者张光勇, 景锐平, 程永进, 马冲 申请人:中国地质大学(武汉)
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