绝对位移检测方法和使用该方法的绝对位移传感器转让专利
申请号 : CN200880102091.2
文献号 : CN101790675A
文献日 : 2010-07-28
发明人 : 背户一登
申请人 : 背户一登 , 奥依列斯工业株式会社
摘要 :
一种绝对位移传感器1包括：用作检测对象的传感器外壳2；质量为m的质量体3，该质量体3由传感器外壳2以弹簧系数k和阻尼系数c可动地支承；检测装置4，该检测装置4电检测传感器外壳2相对于质量体3的相对速度；反馈控制装置5，该反馈控制装置5分别通过正反馈相对位移、以及通过负反馈通过对检测到的相对速度求一次微分而获得的相对加速度来控制可因传感器外壳2的绝对位移引起的质量体3的绝对位移；以及相位滞后补偿装置6，该相位滞后补偿装置6相对于相对位移执行相位滞后补偿。
权利要求 :
1.一种绝对位移检测方法，包括以下步骤：
对检测对象相对于质量体的相对速度进行检测，所述质量体由所述检测对象以预定弹簧系数和预定阻尼系数支承；
分别通过正反馈对所检测到的相对速度求积分而获得的相对位移、以及负反馈对所检测到的相对速度求一次微分而获得的相对加速度来控制因所述检测对象的绝对位移引起的所述质量体的位移；以及根据相对位移获得所述检测对象的所述绝对位移，其中通过所述积分获得的所述相对位移在所需频率区域中被相位滞后补偿。
2.如权利要求1所述的绝对位移检测方法，其特征在于，通过负反馈或正反馈所检测到的相对速度，可控制因所述检测对象的所述绝对位移引起的所述质量体的所述位移。
3.一种绝对位移传感器，包括：由检测对象以预定弹簧系数和预定阻尼系数支承的质量体；检测所述检测对象相对于所述质量体的相对速度的检测装置；反馈控制装置，所述反馈控制装置分别通过正反馈对所检测到的相对速度求积分而获得的相对位移、通过负反馈对所检测到的相对速度求一次微分而获得的相对加速度来控制因所述检测对象的绝对位移引起的所述质量体的位移；以及相位滞后补偿装置，所述相位滞后补偿装置相对于通过所述积分获得的所述相对位移在所需频率区域中执行相位滞后补偿，其中所述相位滞后补偿装置对之进行所述相位滞后补偿的所述相对位移被输出为所述检测对象的所述绝对位移。
4.如权利要求3所述的绝对位移传感器，其特征在于，所述反馈控制装置适于通过进一步负反馈或正反馈所检测到的相对速度来控制因所述检测对象的所述绝对位移引起的所述质量体的所述位移。
5.一种主动动态减振器，所述主动动态减振器适于基于从如权利要求3或4所述的所述绝对位移传感器输出的所述绝对位移来吸收振动体的振动。
说明书 :
技术领域
本发明涉及用于检测振动体(检测对象)的绝对位移的绝对位移检测方法以及使用该方法的绝对位移传感器，该绝对位移检测对诸如因用于工厂、营业所、建筑工地等的金属加工机、压缩机等等引起的机器振动、由诸如可归因于地震、车辆行驶等的地面和道路表面的振动引起的楼宇和机器的振动、以及由风所引起的旋风诱生的振动或地震引起的摩天大楼振动的观测和/或振动控制是必需的。
背景技术
[专利文献1]JP-A-2003-130628
近年来，振动问题已经在诸如办公室、企业楼宇、多种住宅以及常规家庭之类的结构中出现，这些振动问题由可归因于用于工厂、营业处所以及建筑工地的金属加工机、压缩机等的振动而引起，或由诸如可归因于地震或车辆行驶的地面和道路表面的振动引起。作为用于这样的常规家庭等的振动控制手段，可构想使用利用主动控制的主动动态减振器。然而，在理想的主动控制中，在对象遭受振动的情况下，必须检测作为控制对象即振动体(检测对象)的结构的绝对位移和绝对速度。在该检测中，直接附连至控制对象的地震型位移传感器(以下称为位移传感器)是适用的。
近年来，振动问题已经在诸如办公室、企业楼宇、多种住宅以及常规家庭之类的结构中出现，这些振动问题由可归因于用于工厂、营业处所以及建筑工地的金属加工机、压缩机等的振动而引起，或由诸如可归因于地震或车辆行驶的地面和道路表面的振动引起。作为用于这样的常规家庭等的振动控制手段，可构想使用利用主动控制的主动动态减振器。然而，在理想的主动控制中，在对象遭受振动的情况下，必须检测作为控制对象即振动体(检测对象)的结构的绝对位移和绝对速度。在该检测中，直接附连至控制对象的地震型位移传感器(以下称为位移传感器)是适用的。
发明内容
本发明要解决的问题
顺便提及的是，因为随着对土地的有效利用和建筑技术的提高从而两层住宅更多地转变成三层常规住宅等这样的事实，这样的结构的固有频率已经下降至诸如3Hz附近。然而，因为位移传感器的可检测范围高于这些结构本身的固有频率，所以利用常规位移传感器难以检测固有频率低于位移传感器本身的固有频率的结构的绝对位移、绝对速度等。
为降低位移传感器的固有频率，如果使位移传感器中的质量体的质量更大、且以低刚度支承该质量体，则能满足这一目的。然而，利用这样的手段，可能使位移传感器尺寸变大且结构上脆弱。此外，可检测幅度小的位移传感器的预期用途有限，从而不能提供许多便利性。
因此，专利文献1提出了一种使用反馈技术的绝对位移传感器。
根据专利文献1提出的绝对位移传感器，有可能满意地解决上述问题、降低固有频率并扩展可检测范围。因此，不仅能在具有高固有频率的结构和该结构以小幅度振动的情况下满意地检测绝对速度和绝对位移，而且能在具有低固有频率的结构和该结构以大幅度振动的情况下也可能满意地检测绝对速度和绝对位移。
然而，在利用专利文献1的使用反馈技术的绝对位移传感器来检测低至诸如摩天大楼的振动之类的极低频率时，存在的问题是，需要对相对位移的正反馈进行困难的调节，而且该绝对位移传感器在调节之后可能陷入由无意振动引起的控制不稳定。
鉴于上述方面设计了本发明，而且其目的在于提供一种绝对位移检测方法以及使用该方法的绝对位移传感器，该方法通过反馈质量体所具有的状态量(位移、速度以及加速度)能降低固有频率并放大可检测幅度且不会引起结构性缺陷，从而不仅使在具有高固有频率的结构中和该结构以小幅度振动的情况下满意地检测绝对位移成为可能，而且使在具有低固有频率的结构和该结构以大幅度振动的情况下满意地检测绝对位移成为可能，并且使将检测范围扩展到低至极低频率、稳定检测绝对位移且不需要对相对位移的正反馈作困难的调节成为可能。
用于解决问题的手段
根据本发明的绝对位移检测方法包括以下步骤：对检测对象相对于由检测对象以预定弹簧系数和预定阻尼系数支承的质量体的相对速度进行检测；分别通过正反馈对所检测到的相对速度求积分而获得的相对位移、以及通过负反馈对所检测到的相对速度求一次微分而获得的相对加速度而控制因检测对象的绝对位移引起的质量体的位移；以及根据相对位移获得检测对象的绝对位移，其中通过积分获得的相对位移在所需频率区域中被相位滞后补偿。
根据本发明的一种绝对位移传感器包括：由检测对象以预定弹簧系数和预定阻尼系数支承的质量体；对检测对象相对于该质量体的相对速度进行检测的检测装置；反馈控制装置，该反馈控制装置分别通过正反馈对所检测到的相对速度求积分而获得的相对位移、通过负反馈对所检测到的相对速度求一次微分而获得的相对加速度来控制因检测对象的绝对位移引起的质量体的位移；以及相位滞后补偿装置，该相位滞后补偿装置相对于通过积分获得的相对位移在所需频率区域中执行相位滞后补偿，其中相位滞后补偿装置对其进行相位滞后补偿的相对位移被输出为检测对象的绝对位移。
在根据本发明的绝对位移检测方法中，通过负反馈或正反馈所检测到的相对速度，可控制因检测对象的绝对位移引起的质量体的位移。此外，在根据本发明的绝对位移传感器中，通过进一步负反馈或正反馈所检测到的相对速度，反馈控制装置可适于控制因检测对象的绝对位移引起的质量体的位移。
在本发明中，绝对位移检测是困难的，除非频率比位移传感器自身的固有频率更高，而且虽然如果能降低位移传感器具有的固有频率，则可将检测范围扩展至允许检测甚至低频率，即使仅增大质量体的质量并使支承该质量体的弹簧的弹簧系数变小以降低固有频率，也存在位移传感器尺寸变大和结构上脆弱的可能。鉴于这些事实，通过使用伺服技术反馈质量体的状态，而且将使用这种伺服技术获得的相对位移进行相位滞后补偿，从而降低固有频率。
利用本发明中的绝对位移检测方法和绝对位移传感器，通过正反馈对所检测到的相对速度求积分获得的相对位移并正反馈对所检测到的相对速度求一次微分获得的相对加速度来控制因检测对象的绝对位移引起的质量体的位移。因此，如下文将描述的那样，有可能降低固有频率。因此，不仅有可能在固有频率高的结构中而且有可能在固有频率低的结构中令人满意地检测绝对位移。
此外，利用本发明中的绝对位移检测方法和绝对位移传感器，因为在反馈回路之外对通过在所需频率区中的积分而获得的相对位移进行了相位滞后补偿，所以如下文所描述的那样，即使不进行对相对位移的正反馈的调节——该调节容易陷入控制不稳定，也有可能将检测范围向下扩展至极低频率。具体而言，利用本发明的绝对位移检测方法和绝对位移传感器，相位在反馈回路中在固有频率或更低处提前；因此，如果在所需频率区下执行相位滞后补偿以使相位提前在检测范围中为零，则可将检测范围向下扩展至极低频率。
此外，如下文将描述的那样，利用本发明中的绝对位移检测方法和绝对位移传感器，因为通过负反馈所检测到的相对速度而控制了因检测对象的绝对位移引起的质量体的位移，所以可使阻尼比变大。
根据本发明，有可能提供适于基于从根据上述方面中的任一个方面的绝对位移传感器输出的绝对位移来吸收振动体的振动的主动动态减振器。
发明优点
根据本发明，有可能提供一种绝对位移检测方法以及使用该方法的绝对位移传感器，该方法通过反馈质量体所具有的状态量(位移、速度以及加速度)能降低固有频率并放大可检测幅度且不会引起结构性缺陷，从而不仅使在具有高固有频率的结构中和该结构以小幅度振动的情况下满意地检测绝对位移成为可能，而且使在具有低固有频率的结构和该结构以大幅度振动的情况下满意地检测绝对位移成为可能，并且使将检测范围向下扩展至极低频率以及稳定检测绝对位移且不需要对相对位移的正反馈作困难的调节成为可能。
接下来，将参照附图中示出的优选实施例给出本发明的实施方式。应当注意本发明不限于这些实施例。
附图简述
图1是本发明的援引实施例的说明图；
图2是图1中所示的实施例的相位滞后补偿装置的说明图；
图3是图1中所示的实施例的相位滞后补偿装置的频率特性的说明图；以及
图4是图1中所示的实施例的频率特性的说明图。
实施本发明的最佳方式
在图1中，根据本实施例的绝对位移传感器1包括：用作检测对象的传感器外壳2；质量为m(kg)的质量体3，该质量体3由传感器外壳2可动地支承，该传感器外壳2的弹簧系数为k(N/m)，阻尼系数为c(Ns/m)；检测装置4，该检测装置4电检测传感器外壳2相对于质量体3的相对速度v(＝vu-vx)(m/s)(其中vx(m/s)是因传感器外壳2的绝对速度vu(m/s)引起的质量体3的绝对速度)；反馈控制装置5，该反馈控制装置5分别通过正反馈对检测装置4检测到的相对速度v求积分而获得的相对位移(u-x)、通过负反馈本实施例中检测到的相对速度v、以及通过负反馈对检测到的相对速度v求一次微分而获得的相对加速度(m/s2)来控制因传感器外壳2的绝对位移u引起的质量体3的绝对位移x；以及相位滞后补偿装置6，该相位滞后补偿装置6相对于通过反馈控制装置5的积分获得的相对位移(u-x)在所需频率区域中执行相位滞后补偿。
质量体3通过弹簧11被传感器外壳2可移动地(可振动地)支承，该弹簧11具有弹簧系数k(N/m)，而相对于这样的质量体3的振动的阻尼系数c基于弹簧11本身的弹性变形中的热损耗和检测装置4中的涡流损耗来确定。
检测装置4包括：固定至传感器外壳2的永磁体12；固定至质量体3以检测永磁体12的磁通量的线圈13；以及放大器14，该放大器14将来自线圈13的指示相对速度v的电流信号i转换成作为具有放大率(电流-电压转换系数)Ka(V/A)的相对速度v的相对速度电压信号eV(V)。当永磁体12穿过线圈13的磁通量变化、以及由线圈13引起的永磁体12的磁通量变化的电检测的涡流损耗对阻尼系数c有影响时，线圈13适于电检测传感器外壳2相对于质量体3的相对速度。
反馈控制装置5包括：积分电路15，该积分电路15通过对相对速度电压信号eV求积分而输出相对位移电压信号eD(V)作为相对位移(u-x)；微分电路16，该微分电路16通过对相对速度电压信号eV求一次微分而输出相对加速度电压信号eA(V)作为相对加速度；乘法器17，该乘法器17通过将位移反馈增益KD乘以通过对相对速度电压信号eV求积分而获得的相对位移电压信号eD而输出电压KD·eD信号；乘法器18，该乘法器18通过将相对速度电压信号eV乘以速度反馈增益KV而输出电压信号KV·eV；乘法器19，该乘法器19通过将相对加速度电压信号eA乘以加速度反馈增益KA而输出电压信号KA·eA；加减器20，该加减器20通过对来自乘法器17、18、19的电压信号KD·eD、KV·eV以及KA·eA执行加法和减法而输出加减电压信号ec(＝KD·eD-KV·eV-KA·eA)；转换器21，该转换器21以转换反馈增益Kf(A/V)将加减电压信号ec转换成电流信号fc；以及电磁致动器22，该电磁致动器22通过将来自转换器21的电流信号fc用作为线圈驱动电流而工作。
积分电路15包括电阻值为RD(Ω)的电阻器25和静电电容为CD(F)的电容器26，而微分电路16包括静电电容为CA(F)的电容器27和电阻值为RA(Ω)的电阻器28。
用作致动器的电磁致动器22包括固定至质量体3的线圈29和固定至传感器外壳2的永磁体30，该电磁致动器22通过输入线圈29的电流(A)基于电流信号fc产生驱动力F(N)。电磁致动器22适于相对于所输入的电流产生驱动力F，并将驱动力F相对于质量体3施加给线圈29，以使质量体3相对于传感器外壳2移动。假定驱动力F相对于电流信号fc的转换增益包括在转换反馈增益Kf中。
如图2所示，相位滞后补偿装置6具有反相器41、积分器42、积分器43、加法器44、反相器45以及反相器46。使输入其中的相对位移电压信号eD反相的反相器41包括电阻值分别为R1和R2(Ω)的电阻器51和52以及运算放大器53。对输入其中的来自反相器41和45的输出信号积分的积分器42包括：电阻值分别为R3、R4和R5(Ω)的电阻器54、55和56；静电电容为C1(F)的电容器57；以及运算放大器58。对输入其中的来自积分器42的输出信号积分的积分器43包括电阻值为R6(Ω)的电阻器59、静电电容为C2(F)的电容器60以及运算放大器61。将输入其中的来自反相器41、积分器43以及反相器46的输出信号相加的加法器44包括电阻值分别为R7、R8、R9以及R10(Ω)的电阻器62、63、64以及65和运算放大器66。将输入其中的来自积分器43的输出信号反相的反相器45包括电阻值分别为R11和R12(Ω)的电阻器67和68以及运算放大器69。将输入其中的来自积分器42的输出信号反相的反相器46包括电阻值分别为R13和R14(Ω)的电阻器70和71以及运算放大器72。
图2中所示的相位滞后补偿装置6具有表达式(1)中所示的二次系统的传递函数GC(s)，其中R1＝R2，R3＝1/ωd2，R4·R6·C1·C2＝1/ωd2，R5·C1＝1/(2·ζd·ωd)，R10/R7＝ωd2/ωn2S，R10/R8＝1-ωd2/ωn2，R10/R9＝2·ζn·(1/ωn)-2·ζd·(ωd/ωn2)，R11＝R12，且R13＝R14，以及其中ωn＝0.9·(2π)(rad/s)，ζn＝0.4，ωd＝0.1·(2π)(rad/s)，以及ζd＝0.15，且具有图3中所示的频率特性。关于作为反馈控制装置5的输出信号、而且其中相位提前不超过表达式(15)中所示的固有频率ωn的相对位移电压信号eD，相位滞后补偿装置6适于在所需的频率区中执行相位滞后补偿，以使该相的提前在所检测的范围中变为零。
[数学公式1]
在上述绝对位移传感器1中，如果所有都是负反馈，则相对位移电压信号eD关于作为检测对象的传感器外壳2的绝对位移u的传递函数由以下表达式(2)给出：
[数学公式2]
此外，相对速度电压信号eV关于绝对位移u的传递函数由以下表达式(3)给出：
[数学公式3]
在表达式(2)和(3)中，系数a0、a1、a2、a3以及a4由以下表达式(4)到(8)表示：
[数学公式4]
a0＝TDTAm (4)
a1＝(TD+TA)m+TDTAc+TDTAKaKf(KA+KV) (5)
a2＝m+(TD+TA)c+TDTAk+TAKaKf(KV+KD+KA) (6)
a3＝(TD+TA)k+c+KaKf(KD+KV) (7)
a4＝k (8)
这里，TD是积分电路15的时间常数，而TA是微分电路16的时间常数。积分电路15的传递函数GD(s)由以下表达式(9)给出：
[数学公式5]
如果TD大，TDS＞＞1，则该传递函数GD(s)由以下表达式(10)给出：
[数学公式6]
微分电路16的传递函数GA(s)由以下表达式(11)给出：
[数学公式7]
在s小的范围中，TAS＜＜1，所以传递函数GA(s)由以下表达式(12)给出：
[数学公式8]
GA(s)＝TAS (12)
根据表达式(10)和(12)，相对位移电压信号eD关于绝对位移u的传递函数可通过以下表达式(13)表示：
[数学公式9]
同样，根据表达式(10)和(12)，相对速度电压信号eV关于绝对位移u的传递函数可通过以下表达式(14)表示：
[数学公式10]
如果根据表达式(13)确定固有频率ωn和阻尼比ζ，则给出以下表达式(15)和(16)：
[数学公式11]
因传感器外壳2的相对位移u-x引起的传感器外壳2的绝对位移u的传递函数可通过下式(17)给出。表达该表达式(17)的频率响应特性由图4中仅具有反馈的增益-相位图给出。在图4中，ωn由表达式(15)确定，而其频率的峰值由表达式(16)确定。在如虚线所示的没有反馈的情况下，增益为0dB，但在如窄实线所示的仅有反馈的情况下，增益在频率为ωn或更高时降至-34dB。然而，在1Hz时，相位提前45°，用于测量位移的传感器的测量范围编程约2Hz或更高。相位滞后补偿装置6将该测量范围扩展到极低频率。即，通过使图4中的ωn和图3中的ωn彼此一致，1Hz处的相位被设置为0°，而低至0.2Hz或附近的相位被设置于0°附近。
[数学公式12]
绝对位移传感器1对绝对位移u的检测范围是该频率是固有频率ωn或更高且传递函数(u-x)/u的幅值(增益)变为恒定的区域。因此，表达式(17)中在固有频率ωn或更高处受影响的项是分子和分母中具有s2的那些项，而固有频率或更高频率下的传递函数(u-x)/u和检测到的相对位移(u-x)由以下表达式(18)给出：
[数学公式13]
另一方面，可通过绝对位移传感器1检测的由绝对位移传感器1内的结构要求导致的可检测幅值(可检测最大幅值)H(＝Max·(u-x))与可通过绝对位移传感器1检测的传感器外壳2的可检测幅值(可检测最大幅值)U(＝Max·u)之间的关系由表达式(19)给出：
[数学公式14]
如根据绝对位移传感器1的上述分析显而易见的是，在表达式(15)中，因为相对位移反馈增益KD变化，所以分子项中的(k+1/TD·Ka·Kf·KD)变化。这里，因为1/TD、Ka以及Kf为正，由于相对位移(u-x)的正反馈，所以分子项变成(k-1/TD·Ka·Kf·KD)从而小(应当注意的是，在相对位移(u-x)的负反馈中，表达式(15)中的分子项变成(k+1/TD·Ka·Kf·KD))。
此外，在表达式(15)中，因为相对加速度反馈增益KA变化，所以分母项中的(m+TA·Ka·Kf·KA)变化。这里，因为TA、Ka和Kf为正，由于相对加速度a的负反馈，分母项(m+TA·Ka·Kf·KA)变大(应当注意的是，在相对加速度a的正反馈中，分母项变成(m-TA·Ka·Kf·KA))。
因此，在绝对位移传感器1中，因为相对位移(u-x)为正反馈，而相对加速度a为负反馈，所以有可能降低固有频率ωn而不引起结构性缺陷。
此外，在绝对位移传感器1的情况下，如根据表达式(19)可见，因为相对加速度被负反馈，从而(TA·Ka·Kf·KA)被调整成变正，所以即使可检测的幅度H小，也有可能检测传感器外壳2的大绝对位移u，即有可能放大绝对位移传感器1的可检测幅度U。
此外，在绝对位移传感器1的情况下，相对速度v的反馈仅影响阻尼比ζ，而且在表达式(16)中，因为相对速度v的速度反馈增益KV变化，所以分子项中的(c+Ka·Kf·KV)被调整成变化。这里，因为Ka和Kf是正序数，所以相对速度v被负反馈，如上所述，从而(c+Ka·Kf·KV)变大，而阻尼比ζ也变大。如果相对速度v被正反馈，则表达式(16)总的分子项变成(c-Ka·Kf·KV)，从而可能通过相对速度v的正反馈使阻尼比ζ变小。
此外，因为绝对位移传感器1设置有用于关于通过积分获得的相对位移(u-x)执行相位滞后补偿的相位滞后补偿装置6，所以有可能克服表达式(17)所示的传递函数(u-x)/u的固有频率ωn附近的相位提前。因此，有可能降低固有频率ωn，而且即使在固有频率极低的结构的情况下，也能满意地检测它的绝对位移。
顺便提及的是，在使用图2所示的相位滞后补偿装置6的绝对位移传感器1的情况下，如根据图4中粗实线所指示的频率响应特性的反馈加上相位滞后补偿的特性图可见，低至0.2Hz的检测是可能的。而且，因为增益被降低至-34dB，所以检测50倍的位移成为可能。例如，即使质量体3的可移动量为1mm，检测50mm的绝对位移也成为可能，因此能实现微型化。
因此，绝对位移传感器1实现了一种绝对位移检测方法，在该绝对位移检测方法中，检测了传感器外壳2相对于由用作检测对象的传感器外壳2以弹簧系数k和阻尼系数c支承的质量体3的相对速度v，分别通过对所检测到的相对速度v求积分而获得的相对位移(u-x)、通过负反馈对所检测到的相对速度v求一次微分而获得的相对加速度、以及通过负反馈所检测到的相对速度v来控制因传感器外壳2的绝对位移u引起的质量体3的绝对位移x，而且其中对通过积分获得的相对位移(u-x)执行相位滞后补偿，利用该绝对位移传感器1，可分别从输出端子31和32通过作为实际绝对位移和绝对速度的电信号输出和获得被相位滞后补偿的相对位移(u-x)和检测到的传感器外壳2的相对速度v。
此外，利用绝对位移传感器1，因为传感器外壳2关于质量体3的相对速度v由检测装置4电检测，而相对位移(u-x)通过对检测装置4检测到的相对速度v求积分而获得，所以相比其中直接电检测相对位移(u-x)的绝对位移传感器而言，有可能避免直流分量引起的漂移效果。
利用绝对位移传感器1，可输出和获得微分电路16的相对加速度电压信号eA(V)作为绝对加速度。
顺便提及的是，因为随着对土地的有效利用和建筑技术的提高从而两层住宅更多地转变成三层常规住宅等这样的事实，这样的结构的固有频率已经下降至诸如3Hz附近。然而，因为位移传感器的可检测范围高于这些结构本身的固有频率，所以利用常规位移传感器难以检测固有频率低于位移传感器本身的固有频率的结构的绝对位移、绝对速度等。
为降低位移传感器的固有频率，如果使位移传感器中的质量体的质量更大、且以低刚度支承该质量体，则能满足这一目的。然而，利用这样的手段，可能使位移传感器尺寸变大且结构上脆弱。此外，可检测幅度小的位移传感器的预期用途有限，从而不能提供许多便利性。
因此，专利文献1提出了一种使用反馈技术的绝对位移传感器。
根据专利文献1提出的绝对位移传感器，有可能满意地解决上述问题、降低固有频率并扩展可检测范围。因此，不仅能在具有高固有频率的结构和该结构以小幅度振动的情况下满意地检测绝对速度和绝对位移，而且能在具有低固有频率的结构和该结构以大幅度振动的情况下也可能满意地检测绝对速度和绝对位移。
然而，在利用专利文献1的使用反馈技术的绝对位移传感器来检测低至诸如摩天大楼的振动之类的极低频率时，存在的问题是，需要对相对位移的正反馈进行困难的调节，而且该绝对位移传感器在调节之后可能陷入由无意振动引起的控制不稳定。
鉴于上述方面设计了本发明，而且其目的在于提供一种绝对位移检测方法以及使用该方法的绝对位移传感器，该方法通过反馈质量体所具有的状态量(位移、速度以及加速度)能降低固有频率并放大可检测幅度且不会引起结构性缺陷，从而不仅使在具有高固有频率的结构中和该结构以小幅度振动的情况下满意地检测绝对位移成为可能，而且使在具有低固有频率的结构和该结构以大幅度振动的情况下满意地检测绝对位移成为可能，并且使将检测范围扩展到低至极低频率、稳定检测绝对位移且不需要对相对位移的正反馈作困难的调节成为可能。
用于解决问题的手段
根据本发明的绝对位移检测方法包括以下步骤：对检测对象相对于由检测对象以预定弹簧系数和预定阻尼系数支承的质量体的相对速度进行检测；分别通过正反馈对所检测到的相对速度求积分而获得的相对位移、以及通过负反馈对所检测到的相对速度求一次微分而获得的相对加速度而控制因检测对象的绝对位移引起的质量体的位移；以及根据相对位移获得检测对象的绝对位移，其中通过积分获得的相对位移在所需频率区域中被相位滞后补偿。
根据本发明的一种绝对位移传感器包括：由检测对象以预定弹簧系数和预定阻尼系数支承的质量体；对检测对象相对于该质量体的相对速度进行检测的检测装置；反馈控制装置，该反馈控制装置分别通过正反馈对所检测到的相对速度求积分而获得的相对位移、通过负反馈对所检测到的相对速度求一次微分而获得的相对加速度来控制因检测对象的绝对位移引起的质量体的位移；以及相位滞后补偿装置，该相位滞后补偿装置相对于通过积分获得的相对位移在所需频率区域中执行相位滞后补偿，其中相位滞后补偿装置对其进行相位滞后补偿的相对位移被输出为检测对象的绝对位移。
在根据本发明的绝对位移检测方法中，通过负反馈或正反馈所检测到的相对速度，可控制因检测对象的绝对位移引起的质量体的位移。此外，在根据本发明的绝对位移传感器中，通过进一步负反馈或正反馈所检测到的相对速度，反馈控制装置可适于控制因检测对象的绝对位移引起的质量体的位移。
在本发明中，绝对位移检测是困难的，除非频率比位移传感器自身的固有频率更高，而且虽然如果能降低位移传感器具有的固有频率，则可将检测范围扩展至允许检测甚至低频率，即使仅增大质量体的质量并使支承该质量体的弹簧的弹簧系数变小以降低固有频率，也存在位移传感器尺寸变大和结构上脆弱的可能。鉴于这些事实，通过使用伺服技术反馈质量体的状态，而且将使用这种伺服技术获得的相对位移进行相位滞后补偿，从而降低固有频率。
利用本发明中的绝对位移检测方法和绝对位移传感器，通过正反馈对所检测到的相对速度求积分获得的相对位移并正反馈对所检测到的相对速度求一次微分获得的相对加速度来控制因检测对象的绝对位移引起的质量体的位移。因此，如下文将描述的那样，有可能降低固有频率。因此，不仅有可能在固有频率高的结构中而且有可能在固有频率低的结构中令人满意地检测绝对位移。
此外，利用本发明中的绝对位移检测方法和绝对位移传感器，因为在反馈回路之外对通过在所需频率区中的积分而获得的相对位移进行了相位滞后补偿，所以如下文所描述的那样，即使不进行对相对位移的正反馈的调节——该调节容易陷入控制不稳定，也有可能将检测范围向下扩展至极低频率。具体而言，利用本发明的绝对位移检测方法和绝对位移传感器，相位在反馈回路中在固有频率或更低处提前；因此，如果在所需频率区下执行相位滞后补偿以使相位提前在检测范围中为零，则可将检测范围向下扩展至极低频率。
此外，如下文将描述的那样，利用本发明中的绝对位移检测方法和绝对位移传感器，因为通过负反馈所检测到的相对速度而控制了因检测对象的绝对位移引起的质量体的位移，所以可使阻尼比变大。
根据本发明，有可能提供适于基于从根据上述方面中的任一个方面的绝对位移传感器输出的绝对位移来吸收振动体的振动的主动动态减振器。
发明优点
根据本发明，有可能提供一种绝对位移检测方法以及使用该方法的绝对位移传感器，该方法通过反馈质量体所具有的状态量(位移、速度以及加速度)能降低固有频率并放大可检测幅度且不会引起结构性缺陷，从而不仅使在具有高固有频率的结构中和该结构以小幅度振动的情况下满意地检测绝对位移成为可能，而且使在具有低固有频率的结构和该结构以大幅度振动的情况下满意地检测绝对位移成为可能，并且使将检测范围向下扩展至极低频率以及稳定检测绝对位移且不需要对相对位移的正反馈作困难的调节成为可能。
接下来，将参照附图中示出的优选实施例给出本发明的实施方式。应当注意本发明不限于这些实施例。
附图简述
图1是本发明的援引实施例的说明图；
图2是图1中所示的实施例的相位滞后补偿装置的说明图；
图3是图1中所示的实施例的相位滞后补偿装置的频率特性的说明图；以及
图4是图1中所示的实施例的频率特性的说明图。
实施本发明的最佳方式
在图1中，根据本实施例的绝对位移传感器1包括：用作检测对象的传感器外壳2；质量为m(kg)的质量体3，该质量体3由传感器外壳2可动地支承，该传感器外壳2的弹簧系数为k(N/m)，阻尼系数为c(Ns/m)；检测装置4，该检测装置4电检测传感器外壳2相对于质量体3的相对速度v(＝vu-vx)(m/s)(其中vx(m/s)是因传感器外壳2的绝对速度vu(m/s)引起的质量体3的绝对速度)；反馈控制装置5，该反馈控制装置5分别通过正反馈对检测装置4检测到的相对速度v求积分而获得的相对位移(u-x)、通过负反馈本实施例中检测到的相对速度v、以及通过负反馈对检测到的相对速度v求一次微分而获得的相对加速度(m/s2)来控制因传感器外壳2的绝对位移u引起的质量体3的绝对位移x；以及相位滞后补偿装置6，该相位滞后补偿装置6相对于通过反馈控制装置5的积分获得的相对位移(u-x)在所需频率区域中执行相位滞后补偿。
质量体3通过弹簧11被传感器外壳2可移动地(可振动地)支承，该弹簧11具有弹簧系数k(N/m)，而相对于这样的质量体3的振动的阻尼系数c基于弹簧11本身的弹性变形中的热损耗和检测装置4中的涡流损耗来确定。
检测装置4包括：固定至传感器外壳2的永磁体12；固定至质量体3以检测永磁体12的磁通量的线圈13；以及放大器14，该放大器14将来自线圈13的指示相对速度v的电流信号i转换成作为具有放大率(电流-电压转换系数)Ka(V/A)的相对速度v的相对速度电压信号eV(V)。当永磁体12穿过线圈13的磁通量变化、以及由线圈13引起的永磁体12的磁通量变化的电检测的涡流损耗对阻尼系数c有影响时，线圈13适于电检测传感器外壳2相对于质量体3的相对速度。
反馈控制装置5包括：积分电路15，该积分电路15通过对相对速度电压信号eV求积分而输出相对位移电压信号eD(V)作为相对位移(u-x)；微分电路16，该微分电路16通过对相对速度电压信号eV求一次微分而输出相对加速度电压信号eA(V)作为相对加速度；乘法器17，该乘法器17通过将位移反馈增益KD乘以通过对相对速度电压信号eV求积分而获得的相对位移电压信号eD而输出电压KD·eD信号；乘法器18，该乘法器18通过将相对速度电压信号eV乘以速度反馈增益KV而输出电压信号KV·eV；乘法器19，该乘法器19通过将相对加速度电压信号eA乘以加速度反馈增益KA而输出电压信号KA·eA；加减器20，该加减器20通过对来自乘法器17、18、19的电压信号KD·eD、KV·eV以及KA·eA执行加法和减法而输出加减电压信号ec(＝KD·eD-KV·eV-KA·eA)；转换器21，该转换器21以转换反馈增益Kf(A/V)将加减电压信号ec转换成电流信号fc；以及电磁致动器22，该电磁致动器22通过将来自转换器21的电流信号fc用作为线圈驱动电流而工作。
积分电路15包括电阻值为RD(Ω)的电阻器25和静电电容为CD(F)的电容器26，而微分电路16包括静电电容为CA(F)的电容器27和电阻值为RA(Ω)的电阻器28。
用作致动器的电磁致动器22包括固定至质量体3的线圈29和固定至传感器外壳2的永磁体30，该电磁致动器22通过输入线圈29的电流(A)基于电流信号fc产生驱动力F(N)。电磁致动器22适于相对于所输入的电流产生驱动力F，并将驱动力F相对于质量体3施加给线圈29，以使质量体3相对于传感器外壳2移动。假定驱动力F相对于电流信号fc的转换增益包括在转换反馈增益Kf中。
如图2所示，相位滞后补偿装置6具有反相器41、积分器42、积分器43、加法器44、反相器45以及反相器46。使输入其中的相对位移电压信号eD反相的反相器41包括电阻值分别为R1和R2(Ω)的电阻器51和52以及运算放大器53。对输入其中的来自反相器41和45的输出信号积分的积分器42包括：电阻值分别为R3、R4和R5(Ω)的电阻器54、55和56；静电电容为C1(F)的电容器57；以及运算放大器58。对输入其中的来自积分器42的输出信号积分的积分器43包括电阻值为R6(Ω)的电阻器59、静电电容为C2(F)的电容器60以及运算放大器61。将输入其中的来自反相器41、积分器43以及反相器46的输出信号相加的加法器44包括电阻值分别为R7、R8、R9以及R10(Ω)的电阻器62、63、64以及65和运算放大器66。将输入其中的来自积分器43的输出信号反相的反相器45包括电阻值分别为R11和R12(Ω)的电阻器67和68以及运算放大器69。将输入其中的来自积分器42的输出信号反相的反相器46包括电阻值分别为R13和R14(Ω)的电阻器70和71以及运算放大器72。
图2中所示的相位滞后补偿装置6具有表达式(1)中所示的二次系统的传递函数GC(s)，其中R1＝R2，R3＝1/ωd2，R4·R6·C1·C2＝1/ωd2，R5·C1＝1/(2·ζd·ωd)，R10/R7＝ωd2/ωn2S，R10/R8＝1-ωd2/ωn2，R10/R9＝2·ζn·(1/ωn)-2·ζd·(ωd/ωn2)，R11＝R12，且R13＝R14，以及其中ωn＝0.9·(2π)(rad/s)，ζn＝0.4，ωd＝0.1·(2π)(rad/s)，以及ζd＝0.15，且具有图3中所示的频率特性。关于作为反馈控制装置5的输出信号、而且其中相位提前不超过表达式(15)中所示的固有频率ωn的相对位移电压信号eD，相位滞后补偿装置6适于在所需的频率区中执行相位滞后补偿，以使该相的提前在所检测的范围中变为零。
[数学公式1]
在上述绝对位移传感器1中，如果所有都是负反馈，则相对位移电压信号eD关于作为检测对象的传感器外壳2的绝对位移u的传递函数由以下表达式(2)给出：
[数学公式2]
此外，相对速度电压信号eV关于绝对位移u的传递函数由以下表达式(3)给出：
[数学公式3]
在表达式(2)和(3)中，系数a0、a1、a2、a3以及a4由以下表达式(4)到(8)表示：
[数学公式4]
a0＝TDTAm (4)
a1＝(TD+TA)m+TDTAc+TDTAKaKf(KA+KV) (5)
a2＝m+(TD+TA)c+TDTAk+TAKaKf(KV+KD+KA) (6)
a3＝(TD+TA)k+c+KaKf(KD+KV) (7)
a4＝k (8)
这里，TD是积分电路15的时间常数，而TA是微分电路16的时间常数。积分电路15的传递函数GD(s)由以下表达式(9)给出：
[数学公式5]
如果TD大，TDS＞＞1，则该传递函数GD(s)由以下表达式(10)给出：
[数学公式6]
微分电路16的传递函数GA(s)由以下表达式(11)给出：
[数学公式7]
在s小的范围中，TAS＜＜1，所以传递函数GA(s)由以下表达式(12)给出：
[数学公式8]
GA(s)＝TAS (12)
根据表达式(10)和(12)，相对位移电压信号eD关于绝对位移u的传递函数可通过以下表达式(13)表示：
[数学公式9]
同样，根据表达式(10)和(12)，相对速度电压信号eV关于绝对位移u的传递函数可通过以下表达式(14)表示：
[数学公式10]
如果根据表达式(13)确定固有频率ωn和阻尼比ζ，则给出以下表达式(15)和(16)：
[数学公式11]
因传感器外壳2的相对位移u-x引起的传感器外壳2的绝对位移u的传递函数可通过下式(17)给出。表达该表达式(17)的频率响应特性由图4中仅具有反馈的增益-相位图给出。在图4中，ωn由表达式(15)确定，而其频率的峰值由表达式(16)确定。在如虚线所示的没有反馈的情况下，增益为0dB，但在如窄实线所示的仅有反馈的情况下，增益在频率为ωn或更高时降至-34dB。然而，在1Hz时，相位提前45°，用于测量位移的传感器的测量范围编程约2Hz或更高。相位滞后补偿装置6将该测量范围扩展到极低频率。即，通过使图4中的ωn和图3中的ωn彼此一致，1Hz处的相位被设置为0°，而低至0.2Hz或附近的相位被设置于0°附近。
[数学公式12]
绝对位移传感器1对绝对位移u的检测范围是该频率是固有频率ωn或更高且传递函数(u-x)/u的幅值(增益)变为恒定的区域。因此，表达式(17)中在固有频率ωn或更高处受影响的项是分子和分母中具有s2的那些项，而固有频率或更高频率下的传递函数(u-x)/u和检测到的相对位移(u-x)由以下表达式(18)给出：
[数学公式13]
另一方面，可通过绝对位移传感器1检测的由绝对位移传感器1内的结构要求导致的可检测幅值(可检测最大幅值)H(＝Max·(u-x))与可通过绝对位移传感器1检测的传感器外壳2的可检测幅值(可检测最大幅值)U(＝Max·u)之间的关系由表达式(19)给出：
[数学公式14]
如根据绝对位移传感器1的上述分析显而易见的是，在表达式(15)中，因为相对位移反馈增益KD变化，所以分子项中的(k+1/TD·Ka·Kf·KD)变化。这里，因为1/TD、Ka以及Kf为正，由于相对位移(u-x)的正反馈，所以分子项变成(k-1/TD·Ka·Kf·KD)从而小(应当注意的是，在相对位移(u-x)的负反馈中，表达式(15)中的分子项变成(k+1/TD·Ka·Kf·KD))。
此外，在表达式(15)中，因为相对加速度反馈增益KA变化，所以分母项中的(m+TA·Ka·Kf·KA)变化。这里，因为TA、Ka和Kf为正，由于相对加速度a的负反馈，分母项(m+TA·Ka·Kf·KA)变大(应当注意的是，在相对加速度a的正反馈中，分母项变成(m-TA·Ka·Kf·KA))。
因此，在绝对位移传感器1中，因为相对位移(u-x)为正反馈，而相对加速度a为负反馈，所以有可能降低固有频率ωn而不引起结构性缺陷。
此外，在绝对位移传感器1的情况下，如根据表达式(19)可见，因为相对加速度被负反馈，从而(TA·Ka·Kf·KA)被调整成变正，所以即使可检测的幅度H小，也有可能检测传感器外壳2的大绝对位移u，即有可能放大绝对位移传感器1的可检测幅度U。
此外，在绝对位移传感器1的情况下，相对速度v的反馈仅影响阻尼比ζ，而且在表达式(16)中，因为相对速度v的速度反馈增益KV变化，所以分子项中的(c+Ka·Kf·KV)被调整成变化。这里，因为Ka和Kf是正序数，所以相对速度v被负反馈，如上所述，从而(c+Ka·Kf·KV)变大，而阻尼比ζ也变大。如果相对速度v被正反馈，则表达式(16)总的分子项变成(c-Ka·Kf·KV)，从而可能通过相对速度v的正反馈使阻尼比ζ变小。
此外，因为绝对位移传感器1设置有用于关于通过积分获得的相对位移(u-x)执行相位滞后补偿的相位滞后补偿装置6，所以有可能克服表达式(17)所示的传递函数(u-x)/u的固有频率ωn附近的相位提前。因此，有可能降低固有频率ωn，而且即使在固有频率极低的结构的情况下，也能满意地检测它的绝对位移。
顺便提及的是，在使用图2所示的相位滞后补偿装置6的绝对位移传感器1的情况下，如根据图4中粗实线所指示的频率响应特性的反馈加上相位滞后补偿的特性图可见，低至0.2Hz的检测是可能的。而且，因为增益被降低至-34dB，所以检测50倍的位移成为可能。例如，即使质量体3的可移动量为1mm，检测50mm的绝对位移也成为可能，因此能实现微型化。
因此，绝对位移传感器1实现了一种绝对位移检测方法，在该绝对位移检测方法中，检测了传感器外壳2相对于由用作检测对象的传感器外壳2以弹簧系数k和阻尼系数c支承的质量体3的相对速度v，分别通过对所检测到的相对速度v求积分而获得的相对位移(u-x)、通过负反馈对所检测到的相对速度v求一次微分而获得的相对加速度、以及通过负反馈所检测到的相对速度v来控制因传感器外壳2的绝对位移u引起的质量体3的绝对位移x，而且其中对通过积分获得的相对位移(u-x)执行相位滞后补偿，利用该绝对位移传感器1，可分别从输出端子31和32通过作为实际绝对位移和绝对速度的电信号输出和获得被相位滞后补偿的相对位移(u-x)和检测到的传感器外壳2的相对速度v。
此外，利用绝对位移传感器1，因为传感器外壳2关于质量体3的相对速度v由检测装置4电检测，而相对位移(u-x)通过对检测装置4检测到的相对速度v求积分而获得，所以相比其中直接电检测相对位移(u-x)的绝对位移传感器而言，有可能避免直流分量引起的漂移效果。
利用绝对位移传感器1，可输出和获得微分电路16的相对加速度电压信号eA(V)作为绝对加速度。