差分式力平衡加速度傳感器的制造方法
【專利摘要】本實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、低頻振動加速度測量的加速度傳感器。本實用新型是通過如下技術(shù)方案來實現(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、檢波電路及差動輸出電路；所描述的機械底座部分包括有線圈、磁缸、差變電容器、調(diào)零機構(gòu)和鋁圓環(huán)。本實用新型的有益效果在于，測量范圍增大、頻帶寬、動態(tài)范圍大、零點穩(wěn)定、組裝調(diào)試簡單、支持單端輸出和差動輸出兩種輸出方式。
【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測量的加速度傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]加速度傳感器是用來將機械加速度信號轉(zhuǎn)變成更加方便測量的電信號測試儀表。這種傳感器適合用于測量地震、大型結(jié)構(gòu)、機械、交通、航海等領(lǐng)域的振動測量。
[0003]目前市場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電容作為加速度檢測敏感元件的閉環(huán)式傳感器。當(dāng)由于外界運動而使傳感器線圈產(chǎn)生位移時，差動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)零機構(gòu)來調(diào)整差動電容中間極板位置來實現(xiàn)調(diào)整傳感器電路零點。即通過調(diào)整帶有螺紋的調(diào)零桿帶動零點架及線圈、差動電容中間極板運動。這種配合穩(wěn)定性差，在遇到突然的敲擊振動時，調(diào)零桿會輕微彈動造成傳感器零點突變?，F(xiàn)有結(jié)構(gòu)的傳感器測量范圍有限，約為正負2g，動態(tài)范圍也只有120dB，這些缺點使得力平衡加速度傳感器應(yīng)用范圍有限。
實用新型內(nèi)容
[0005]本實用新型的目的在于，提供一種組裝調(diào)試簡單、頻帶寬、動態(tài)范圍大、測量范圍高、零點穩(wěn)定的力平衡加速度傳感器。
[0006]本實用新型是通過如下技術(shù)方案來實現(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、檢波電路及差動輸出電路；所描述的機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)零機構(gòu)和鋁圓環(huán)。
[0007]進一步地，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信號輸入到差變電容器的輸入端。
[0008]進一步地，所述加速度傳感器的電路部分，該檢波電路可以從差動電容輸出端輸出的高頻載波信號中檢出實際的低頻震動信號，并將該低頻震動信號輸送到差動放大電路中。該檢波電路核心電路為場效應(yīng)管開關(guān)電路。
[0009]進一步地，所述加速度傳感器的電路部分，差動輸出放大電路由兩個運算放大電路組成，見圖2。第一個運送放大電路(0P177_1)的輸出信號為差動輸出信號的正輸出端，同時它也為第二個運算放大電路(0P177_2)的輸入端。第二個運算放大電路的輸出信號為差動輸出信號的負輸出端。正信號輸出端、負信號輸出端構(gòu)成一對差動輸出信號端口，即為該傳感器的信號輸出端。
[0010]進一步地，所述加速度傳感器的電路部分與機械底座部分通過銅螺釘緊固在一起，通過三個螺釘與機械底座的鋁圓環(huán)緊固定，使傳感器機械、電路一體，見圖3的傳感器機械裝配圖。
[0011]進一步地，電路部分的RC橋式振蕩電路的輸出信號通過導(dǎo)線連接到機械底座的差變電容器輸入端。差變電容器輸出信號端通過導(dǎo)線連接到電路部分的檢波電路輸入端。
[0012]進一步地，傳感器電路部分的輸入輸出端口有+12V、GND、-12V、標(biāo)定信號、去阻尼信號、正輸出信號和負輸出信號七個端口。
[0013]進一步地，所述加速度傳感器的機械底座部分，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動部件的質(zhì)量，使得傳感器的頻響、動態(tài)范圍等多種參數(shù)都得到了改善。
[0014]進一步地，所述加速度傳感器的機械底座部分，磁缸5由純鐵加工而成，內(nèi)部有一個直徑為21毫米的圓柱形空間，該空間正中心位置安裝一個直徑為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。
[0015]進一步地，所述加速度傳感器的機械底座部分，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鋁圓環(huán)安裝，并且上極板I與下級板3的固定與間距控制，通過三個相同長度的銅螺桿、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]進一步地，所述加速度傳感器的機械底座部分，調(diào)零機構(gòu)由零點架7、調(diào)零桿8、2個彈簧、2個簧片9等共同組成。零點架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架保持一定彈性。零點架7的側(cè)面通過兩個簧片與中間極板2兩側(cè)相連，連接方式都是通過螺釘、螺母緊固定。零點架7的底層通過兩個螺孔、兩個螺釘與磁缸6的上表面緊固定。零點架7的上層通過兩個通孔、由兩個螺桿來分別壓緊兩個彈簧來使零點架7位置穩(wěn)定。零點架7的上層中間有一個M2螺紋孔，有一個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)零點架的上層向上或向下輕微移動。
[0017]本實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輸出電路，使得該加速度傳感器不僅支持差動輸出，也支持單端輸出，使傳感器使用、應(yīng)用更廣。其次，很好的改進了加速度傳感器的零點機構(gòu)，使傳感器零點穩(wěn)定、不會發(fā)生隨機械振動而產(chǎn)生零點跳變現(xiàn)象。同時傳感器機械安裝、調(diào)試更方便。第三，改進了傳感器機械部分的線圈安裝方式，減小了傳感器運動部件所帶質(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，其測量范圍達到3g，有效頻率范圍可以達到0-160HZ，動態(tài)范圍達到130dB，從而使傳感器可以應(yīng)用于低頻、中頻振動測量領(lǐng)域。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1是本實用新型傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。[0019]圖2是本實用新型傳感器差動放大電路圖。
[0020]圖3是本實用新型傳感器的機械裝配圖。
[0021]圖4是本實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是本實用新型傳感器的上極板、下極板圖。
[0024]圖7是本實用新型傳感器的中間極板圖。
[0025]圖8是本實用新型傳感器的零點架圖。
[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)。
【具體實施方式】
[0027]下面結(jié)合說明書附圖對本實用新型的【具體實施方式】作以詳細的描述。
[0028]圖1為本實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，電路部分和機械底座部分。電路部分包括RC橋式振蕩電路、檢波電路、差動輸出放大電路。其中圖2為電路部分中的差動輸出電路圖，這是本專利的創(chuàng)新部分。
[0029]RC橋式振蕩電路能自動將傳感器中一定頻率的噪音信號放大，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施加交流激勵信號。因此可變電容器的上極板1、下極板3的激勵信號幅值相同、相位相反，在這樣的激勵信號作用下，中間極板2的輸出信號由低頻信號被調(diào)制成高頻交流信號，從而提高了抗干擾能力。差變電容器的中間極板2輸出的振動信號(為高頻交流信號)，由檢波電路處理后，提取出低頻包絡(luò)信號，這個信號就是代表傳感器檢測的振動信號。該振動信號被輸入到差動輸出放大電路的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輸出形成差動輸出信號的正輸出端。同時0P177_1的6腳輸出信號還同時經(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取反，由R26端輸出形成差動輸出信號的負輸出端。
[0030]以上為本實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，還需要借助機械裝置將其裝配起來并安裝在固定物體上，下面對本專利所述的傳感器機械底座組成部分進行說明。
[0031]圖3為本專利實施所述傳感器機械組裝圖的側(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共同作用形成一個線性磁場，并且該間隙為中間極板2所帶線圈4的運動空間，線圈4上下運動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的下表面對應(yīng)位置。調(diào)零架7先與兩個簧片9組裝起來，再將兩個簧片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上表面的對應(yīng)位置，此時中間極板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)運動。
[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上方對應(yīng)的位置，三個相同長度的銅套管能保證上極板1、下極板3的各個位置間距相同，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)上同樣對應(yīng)的三個安裝孔用螺釘安裝上電路板，整個機械部分就組裝完成。
[0037]圖4為機械底座——磁缸5的俯視圖，其中3個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)留長度空間。圓環(huán)內(nèi)側(cè)的兩個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、檢波電路及差動輸出電路；所描述的機械底座部分包括有線圈、磁缸、差變電容器、調(diào)零機構(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，并提供給機械底座部分的差變電容器作為交流激勵信號； 檢波電路，用于對機械底座部分的差變電容器輸出的高頻交流信號進行解調(diào)，并檢出代表振動的低頻加速度信號； 差動輸出放大電路，用于對檢波電路輸出的信號進行放大調(diào)理，并將加速度傳感器的單端輸出信號調(diào)整為雙端差動輸出信號； 差變電容器，用于對機械部分的線圈運動位移轉(zhuǎn)換為電量變化； 線圈，用于切割磁缸中的磁場，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，輔助產(chǎn)生反饋電磁力為傳感器提供反饋電磁力； 調(diào)零機構(gòu)，用于調(diào)整傳感器的零點，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產(chǎn)生高頻正弦信號，并直接輸入到傳感器機械部分的差變電容器上，形成差變電容器的高頻載波信號。
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:所述差動輸出放大電路包括兩片單運算放大器、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電容的中心位置，并懸置于傳感器機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)零機構(gòu)與差動電容中間極板連接在一起。
【文檔編號】G01P15/125GK203519643SQ201320708392
【公開日】2014年4月2日 申請日期: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 申請人:中國地震局地球物理研究所