差分式力平衡加速度傳感器的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種差分式力平衡加速度傳感器，尤其是涉及一種用于中、低頻振動(dòng)加速度測(cè)量的加速度傳感器。本實(shí)用新型是通過如下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的：一種差分式力平衡加速度傳感器，其特征在于：其特征在于包括電路部分和機(jī)械底座部分，所描述電路部分有RC橋式振蕩電路、檢波電路及差動(dòng)輸出電路；所描述的機(jī)械底座部分包括有線圈、磁缸、差變電容器、調(diào)零機(jī)構(gòu)和鋁圓環(huán)。本實(shí)用新型的有益效果在于，測(cè)量范圍增大、頻帶寬、動(dòng)態(tài)范圍大、零點(diǎn)穩(wěn)定、組裝調(diào)試簡(jiǎn)單、支持單端輸出和差動(dòng)輸出兩種輸出方式。
【專利說明】差分式力平衡加速度傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種加速度傳感器，尤其是涉及一種用于中低頻振動(dòng)測(cè)量的加速度傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]加速度傳感器是用來將機(jī)械加速度信號(hào)轉(zhuǎn)變成更加方便測(cè)量的電信號(hào)測(cè)試儀表。這種傳感器適合用于測(cè)量地震、大型結(jié)構(gòu)、機(jī)械、交通、航海等領(lǐng)域的振動(dòng)測(cè)量。
[0003]目前市場(chǎng)上的力平衡加速度傳感器基本基于圖1的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，該加速度傳感器采用差動(dòng)電容作為加速度檢測(cè)敏感元件的閉環(huán)式傳感器。當(dāng)由于外界運(yùn)動(dòng)而使傳感器線圈產(chǎn)生位移時(shí)，差動(dòng)電容就把位移變化轉(zhuǎn)換成電容量值變化，再利用RC橋式振蕩電路的高頻信號(hào)將電容變化轉(zhuǎn)化為電壓輸出量值。
[0004]現(xiàn)有力平衡加速度傳感器中，通過調(diào)整調(diào)零機(jī)構(gòu)來調(diào)整差動(dòng)電容中間極板位置來實(shí)現(xiàn)調(diào)整傳感器電路零點(diǎn)。即通過調(diào)整帶有螺紋的調(diào)零桿帶動(dòng)零點(diǎn)架及線圈、差動(dòng)電容中間極板運(yùn)動(dòng)。這種配合穩(wěn)定性差，在遇到突然的敲擊振動(dòng)時(shí)，調(diào)零桿會(huì)輕微彈動(dòng)造成傳感器零點(diǎn)突變?，F(xiàn)有結(jié)構(gòu)的傳感器測(cè)量范圍有限，約為正負(fù)2g，動(dòng)態(tài)范圍也只有120dB，這些缺點(diǎn)使得力平衡加速度傳感器應(yīng)用范圍有限。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0005]本實(shí)用新型的目的在于，提供一種組裝調(diào)試簡(jiǎn)單、頻帶寬、動(dòng)態(tài)范圍大、測(cè)量范圍高、零點(diǎn)穩(wěn)定的力平衡加速度傳感器。
[0006]本實(shí)用新型是通過如下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的:一種差分式力平衡加速度傳感器，其特征在于:包括電路部分和機(jī)械底座部分，所描述電路部分有RC橋式振蕩電路、檢波電路及差動(dòng)輸出電路；所描述的機(jī)械底座部分包括有線圈4、磁缸5、差變電容器(由上極板1、中間極板2和下極板3組成)、調(diào)零機(jī)構(gòu)和鋁圓環(huán)。
[0007]進(jìn)一步地，所述加速度傳感器的電路部分，RC橋式振蕩電路有自動(dòng)產(chǎn)生20kHz正弦波的功能，由選頻網(wǎng)絡(luò)、放大電路和穩(wěn)幅電路三部分組成，所產(chǎn)生的高頻正弦波作為激勵(lì)信號(hào)輸入到差變電容器的輸入端。
[0008]進(jìn)一步地，所述加速度傳感器的電路部分，該檢波電路可以從差動(dòng)電容輸出端輸出的高頻載波信號(hào)中檢出實(shí)際的低頻震動(dòng)信號(hào)，并將該低頻震動(dòng)信號(hào)輸送到差動(dòng)放大電路中。該檢波電路核心電路為場(chǎng)效應(yīng)管開關(guān)電路。
[0009]進(jìn)一步地，所述加速度傳感器的電路部分，差動(dòng)輸出放大電路由兩個(gè)運(yùn)算放大電路組成，見圖2。第一個(gè)運(yùn)送放大電路(0P177_1)的輸出信號(hào)為差動(dòng)輸出信號(hào)的正輸出端，同時(shí)它也為第二個(gè)運(yùn)算放大電路(0P177_2)的輸入端。第二個(gè)運(yùn)算放大電路的輸出信號(hào)為差動(dòng)輸出信號(hào)的負(fù)輸出端。正信號(hào)輸出端、負(fù)信號(hào)輸出端構(gòu)成一對(duì)差動(dòng)輸出信號(hào)端口，即為該傳感器的信號(hào)輸出端。
[0010]進(jìn)一步地，所述加速度傳感器的電路部分與機(jī)械底座部分通過銅螺釘緊固在一起，通過三個(gè)螺釘與機(jī)械底座的鋁圓環(huán)緊固定，使傳感器機(jī)械、電路一體，見圖3的傳感器機(jī)械裝配圖。
[0011]進(jìn)一步地，電路部分的RC橋式振蕩電路的輸出信號(hào)通過導(dǎo)線連接到機(jī)械底座的差變電容器輸入端。差變電容器輸出信號(hào)端通過導(dǎo)線連接到電路部分的檢波電路輸入端。
[0012]進(jìn)一步地，傳感器電路部分的輸入輸出端口有+12V、GND、-12V、標(biāo)定信號(hào)、去阻尼信號(hào)、正輸出信號(hào)和負(fù)輸出信號(hào)七個(gè)端口。
[0013]進(jìn)一步地，所述加速度傳感器的機(jī)械底座部分，線圈4通過膠水粘接的差變電容的中間極板2上，見圖4。而不是通過螺釘緊固連接，有效減輕了傳感器的運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量，使得傳感器的頻響、動(dòng)態(tài)范圍等多種參數(shù)都得到了改善。
[0014]進(jìn)一步地，所述加速度傳感器的機(jī)械底座部分，磁缸5由純鐵加工而成，內(nèi)部有一個(gè)直徑為21毫米的圓柱形空間，該空間正中心位置安裝一個(gè)直徑為8毫米的高磁性磁鐵6，見圖5。磁缸5和磁鐵6共同在兩者間的圓環(huán)空間內(nèi)形成均勻磁場(chǎng)。
[0015]進(jìn)一步地，所述加速度傳感器的機(jī)械底座部分，差變電容器由上極板1、中間極板2和下極板3組成。上極板I和下極板3為圓環(huán)形電路板，其中上極板I下表面覆銅，下極板3上表面覆銅，見圖6。中間極板2為近似圓形電路板，它的上下兩面均覆銅，見圖7。上極板1、下極板3兩者間距固定，而中間極板2位于上下極板中間，位置可以調(diào)整。上極板I與中間極板2上表面組成一組電容，中間極板2的下表面與下極板3組成一組電容，這兩組電容構(gòu)成一組差變電容器。下極板3的下表面通過膠水緊貼磁缸5上表面安裝，上極板I的上表面通過膠水緊貼一個(gè)鋁圓環(huán)安裝，并且上極板I與下級(jí)板3的固定與間距控制，通過三個(gè)相同長(zhǎng)度的銅螺桿、銅套管來保持間距，并且保持上極板1、下極板3的表面始終水平。
[0016]進(jìn)一步地，所述加速度傳感器的機(jī)械底座部分，調(diào)零機(jī)構(gòu)由零點(diǎn)架7、調(diào)零桿8、2個(gè)彈簧、2個(gè)簧片9等共同組成。零點(diǎn)架7是由鋁塊加工而成的、上下兩層結(jié)構(gòu)的扇形，見圖8。僅通過扇形外側(cè)長(zhǎng)2毫米、寬0.5毫米、高I毫米的薄鋁連接，該薄鋁連接使得零點(diǎn)架保持一定彈性。零點(diǎn)架7的側(cè)面通過兩個(gè)簧片與中間極板2兩側(cè)相連，連接方式都是通過螺釘、螺母緊固定。零點(diǎn)架7的底層通過兩個(gè)螺孔、兩個(gè)螺釘與磁缸6的上表面緊固定。零點(diǎn)架7的上層通過兩個(gè)通孔、由兩個(gè)螺桿來分別壓緊兩個(gè)彈簧來使零點(diǎn)架7位置穩(wěn)定。零點(diǎn)架7的上層中間有一個(gè)M2螺紋孔，有一個(gè)M2螺桿8安裝在此螺紋孔內(nèi)，通過調(diào)節(jié)此M2螺桿8來調(diào)節(jié)零點(diǎn)架的上層向上或向下輕微移動(dòng)。
[0017]本實(shí)用新型的有益效果在于，首先，將傳感器以往的單端輸出電路改為差動(dòng)輸出電路，使得該加速度傳感器不僅支持差動(dòng)輸出，也支持單端輸出，使傳感器使用、應(yīng)用更廣。其次，很好的改進(jìn)了加速度傳感器的零點(diǎn)機(jī)構(gòu)，使傳感器零點(diǎn)穩(wěn)定、不會(huì)發(fā)生隨機(jī)械振動(dòng)而產(chǎn)生零點(diǎn)跳變現(xiàn)象。同時(shí)傳感器機(jī)械安裝、調(diào)試更方便。第三，改進(jìn)了傳感器機(jī)械部分的線圈安裝方式，減小了傳感器運(yùn)動(dòng)部件所帶質(zhì)量，使得傳感器的具體性能指標(biāo)都有較大的提高，因此也擴(kuò)大了該差分式傳感器的應(yīng)用范圍。最后，在同類型力平衡加速度傳感器中，其測(cè)量范圍達(dá)到3g，有效頻率范圍可以達(dá)到0-160HZ，動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到130dB，從而使傳感器可以應(yīng)用于低頻、中頻振動(dòng)測(cè)量領(lǐng)域。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1是本實(shí)用新型傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。[0019]圖2是本實(shí)用新型傳感器差動(dòng)放大電路圖。
[0020]圖3是本實(shí)用新型傳感器的機(jī)械裝配圖。
[0021]圖4是本實(shí)用新型傳感器線圈圖。
[0022]圖5是本使用新型傳感器的磁缸俯視圖。
[0023]圖6是本實(shí)用新型傳感器的上極板、下極板圖。
[0024]圖7是本實(shí)用新型傳感器的中間極板圖。
[0025]圖8是本實(shí)用新型傳感器的零點(diǎn)架圖。
[0026]附表I和附表2是傳感器的技術(shù)參數(shù)表和幅頻相應(yīng)數(shù)據(jù)。
【具體實(shí)施方式】
[0027]下面結(jié)合說明書附圖對(duì)本實(shí)用新型的【具體實(shí)施方式】作以詳細(xì)的描述。
[0028]圖1為本實(shí)用新型專利的差分式力平衡加速度傳感器的工作原理示意圖，該傳感器主要有兩大部分，電路部分和機(jī)械底座部分。電路部分包括RC橋式振蕩電路、檢波電路、差動(dòng)輸出放大電路。其中圖2為電路部分中的差動(dòng)輸出電路圖，這是本專利的創(chuàng)新部分。
[0029]RC橋式振蕩電路能自動(dòng)將傳感器中一定頻率的噪音信號(hào)放大，并生成穩(wěn)定的20kHz的正弦波，該正弦波的一路直接輸送到差變電容的上極板1，另一路被取反后輸送到差變電容的下極板3上，為差變電容的上極板1、下極板3施加交流激勵(lì)信號(hào)。因此可變電容器的上極板1、下極板3的激勵(lì)信號(hào)幅值相同、相位相反，在這樣的激勵(lì)信號(hào)作用下，中間極板2的輸出信號(hào)由低頻信號(hào)被調(diào)制成高頻交流信號(hào)，從而提高了抗干擾能力。差變電容器的中間極板2輸出的振動(dòng)信號(hào)(為高頻交流信號(hào))，由檢波電路處理后，提取出低頻包絡(luò)信號(hào)，這個(gè)信號(hào)就是代表傳感器檢測(cè)的振動(dòng)信號(hào)。該振動(dòng)信號(hào)被輸入到差動(dòng)輸出放大電路的0P177_1的3腳，由R23、R24、T3和0P177_1組成的可調(diào)節(jié)放大電路放大后，由0P177_1的6腳經(jīng)由R25輸出形成差動(dòng)輸出信號(hào)的正輸出端。同時(shí)0P177_1的6腳輸出信號(hào)還同時(shí)經(jīng)由R28輸入到0P177_2的2腳，并由0P177_2、R26、R27、R28組成的反向放大電路將信號(hào)取反，由R26端輸出形成差動(dòng)輸出信號(hào)的負(fù)輸出端。
[0030]以上為本實(shí)用新型差分式力平衡加速度傳感器的電路組成部分，如要該加速度傳感器正常工作，還需要借助機(jī)械裝置將其裝配起來并安裝在固定物體上，下面對(duì)本專利所述的傳感器機(jī)械底座組成部分進(jìn)行說明。
[0031]圖3為本專利實(shí)施所述傳感器機(jī)械組裝圖的側(cè)面剖視圖。最上面為電路板，其余部件均為機(jī)械部件。磁缸5為純鐵加工的圓柱體，內(nèi)部正中心安裝一個(gè)圓柱形磁鐵6，磁鐵6通過快干膠水粘接在磁缸5正中心位置。磁缸5和磁鐵6中間有一定的間隙,該間隙由磁鐵6和磁缸5共同作用形成一個(gè)線性磁場(chǎng)，并且該間隙為中間極板2所帶線圈4的運(yùn)動(dòng)空間，線圈4上下運(yùn)動(dòng)切割磁力線形成反饋電磁力，該反饋電磁力又反作用到線圈4和中間極板2上。
[0032]I)下極板3先用膠水粘接在磁缸5上表面的相應(yīng)位置，上極板I用膠水粘接在鋁圓環(huán)下表面的相應(yīng)位置。
[0033]2)將線圈4(見圖4)粘接在中間極板2的下表面對(duì)應(yīng)位置。調(diào)零架7先與兩個(gè)簧片9組裝起來，再將兩個(gè)簧片9的另一側(cè)與中間極板2用螺釘螺母組裝起來。
[0034]3)將調(diào)零架7用螺釘固定在磁缸5上表面的對(duì)應(yīng)位置，此時(shí)中間極板2剛好位于下極板3的上方,線圈4剛好位于磁鐵6正上方、磁鐵6和磁缸5之間的間隙,并且能在一定范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)。
[0035]4)用螺釘、銅套管將上極板I與鋁環(huán)固定在下極板3和磁缸5上方對(duì)應(yīng)的位置，三個(gè)相同長(zhǎng)度的銅套管能保證上極板1、下極板3的各個(gè)位置間距相同，并始終保持相互平行。
[0036]這樣，磁缸5上方依次為下極板3、中間極板2和線圈4、上極板1、鋁圓環(huán)。然后在鋁圓環(huán)上同樣對(duì)應(yīng)的三個(gè)安裝孔用螺釘安裝上電路板，整個(gè)機(jī)械部分就組裝完成。
[0037]圖4為機(jī)械底座——磁缸5的俯視圖，其中3個(gè)M3的螺紋孔，用來固定安裝下極板3。其中02.1通孔為調(diào)零桿7的預(yù)留長(zhǎng)度空間。圓環(huán)內(nèi)側(cè)的兩個(gè)M2螺紋孔是將調(diào)零架7安裝到磁缸5上表面的固定孔。圓環(huán)外側(cè)的兩個(gè)M2螺紋孔是安裝調(diào)零架7壓緊彈簧的螺釘孔。
[0038]表1技術(shù)參數(shù)
[0039]
【權(quán)利要求】
1.一種差分式力平衡加速度傳感器，其特征包括電路部分和機(jī)械底座部分，所描述電路部分有RC橋式振蕩電路、檢波電路及差動(dòng)輸出電路；所描述的機(jī)械底座部分包括有線圈、磁缸、差變電容器、調(diào)零機(jī)構(gòu)和鋁圓環(huán)，其中: RC橋式振蕩電路，用于產(chǎn)生高頻正弦交流信號(hào)，并提供給機(jī)械底座部分的差變電容器作為交流激勵(lì)信號(hào)； 檢波電路，用于對(duì)機(jī)械底座部分的差變電容器輸出的高頻交流信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，并檢出代表振動(dòng)的低頻加速度信號(hào)； 差動(dòng)輸出放大電路，用于對(duì)檢波電路輸出的信號(hào)進(jìn)行放大調(diào)理，并將加速度傳感器的單端輸出信號(hào)調(diào)整為雙端差動(dòng)輸出信號(hào)； 差變電容器，用于對(duì)機(jī)械部分的線圈運(yùn)動(dòng)位移轉(zhuǎn)換為電量變化； 線圈，用于切割磁缸中的磁場(chǎng)，產(chǎn)生反饋電磁力為傳感器提供反饋電磁力； 磁缸，用于產(chǎn)生均勻磁場(chǎng)，輔助產(chǎn)生反饋電磁力為傳感器提供反饋電磁力； 調(diào)零機(jī)構(gòu)，用于調(diào)整傳感器的零點(diǎn)，即調(diào)整線圈在磁缸中的位置； 鋁圓環(huán)，用于固定差變電容器的上極板、固定傳感器的電路部分，即固定電路板。
2.一種如權(quán)利要求1所述的差分式力平衡加速度傳感器，其特征在于:RC橋式振蕩電路上電后自動(dòng)產(chǎn)生高頻正弦信號(hào)，并直接輸入到傳感器機(jī)械部分的差變電容器上，形成差變電容器的高頻載波信號(hào)。
3.—種如權(quán)利要求1所述的差分式力平衡加速度傳感器，其特征在于:所述的檢波電路包括場(chǎng)效應(yīng)管、電阻和電容。
4.一種如權(quán)利要求1所述的差分式力平衡加速度傳感器，其特征在于:所述差動(dòng)輸出放大電路包括兩片單運(yùn)算放大器、電阻和電容。
5.一種如權(quán)利要求1所述的差分式力平衡加速度傳感器，其特征在于:所述線圈由漆包線纏繞而成，通過膠水固定在差動(dòng)電容的中心位置，并懸置于傳感器機(jī)械部分的磁缸正中心的頂部位置。
6.—種如權(quán)利要求1所述的差分式力平衡加速度傳感器，其特征在于:所述磁缸為一個(gè)內(nèi)部具有圓柱形空間的金屬，其圓柱空間的正中心為一個(gè)磁鐵，兩者共同組成磁缸。
7.—種如權(quán)利要求1所述的差分式力平衡加速度傳感器，其特征在于:所述調(diào)零機(jī)構(gòu)與差動(dòng)電容中間極板連接在一起。
【文檔編號(hào)】G01P15/125GK203519643SQ201320708392
【公開日】2014年4月2日 申請(qǐng)日期:2013年11月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月12日
【發(fā)明者】李小軍, 李彩華 申請(qǐng)人:中國(guó)地震局地球物理研究所