一种磁悬浮式超低频振动传感器

摘要

本发明提供一种磁悬浮式超低频振动传感器，包括壳体、圆柱形永磁体、圆环形永磁体、电磁线圈和光电式位移检测器。采用永磁和电磁混合的结构代替传统的弹簧结构，减小悬浮系统的等效支承刚度和等效阻尼，从而有效地降低了系统的机械固有频率，极大的扩展了超低频段的测量下限，减小了传感器的体积和重量。在底部安装多对对称的电磁线圈对质量块进行悬浮支承，采用光电式位移检测器敏感各个方向的位移，实现多方向扭转振动参数的测量，进一步扩大磁悬浮式超低频振动传感器的应用范围。本发明能够很好的满足国防工业、航空航天、工程测量等领域对超低频振动测量的需求，有效扩展了超低频振动测量的下限。

权利要求

1.一种磁悬浮式超低频振动传感器，其特征在于：包括壳体（1）、圆柱形永磁体（2）、圆环形永磁体（3）、多对对称电磁线圈（4）和光电式位移检测器（5）；圆柱形永磁体（2）的下端和电磁线圈（4）的下端均固连在壳体（1）底部，圆柱形永磁体（2）上端为S极、下端为N极，圆环形永磁体（3）相当于系统中的质量块，内环为N极、外环为S极，圆环形永磁体（3）在圆柱形永磁体（2）和电磁线圈（4）的磁场共同作用下保持悬浮状态。

2.根据权利要求1所述的磁悬浮式超低频振动传感器，其特征在于：圆环形永磁体（3）与圆柱形永磁体（2）同轴心，圆环形永磁体（3）内环和圆柱形永磁体（2）下半段的磁场相互排斥，使两个永磁体横向阻尼很大，从而保持质量块横向平衡。

3.根据权利要求1所述的磁悬浮式超低频振动传感器，其特征在于：在底部安装多对对称电磁线圈（4）进行主动的悬浮控制，当壳体受到外界振动的冲击时，圆环形永磁铁（3）的悬浮位置发生变化，通过光电式位移检测器（5）不仅可以检测出其纵向相对位移的变化，还可以敏感其他各个方向的振动，实现多方向扭转振动参数的测量。

4.根据权利要求1所述的磁悬浮式超低频振动传感器，其特征在于：运用PID控制策略调节整个系统的各项参数，调整通过电磁线圈电流的大小和方向，将悬浮结构的等效支承刚度和等效阻尼调到合适大小，使系统达到稳定平衡的状态。

说明书

一种磁悬浮式超低频振动传感器

技术领域

[0001] 本发明属于测试计量仪表领域，具体涉及一种磁悬浮式超低频振动传感器，用于航空发动机监测、地震波检测及大型低频结构的振动分析等领域，采用电磁和永磁混合的结构来代替传统弹簧结构作为支承导向机构。

背景技术

[0002] 超低频振动是指频率在0.01~20Hz之间的振动，这类振动具有振动频率低、振动幅度大，破坏力强等特点。超低频振动的测试与研究在航空航天、国防工业、工程测量及生物医学等领域一直都受到高度重视。传统的超低频振动传感器采用弹簧元件作为支承导向机构，但由于弹簧自身固有频率的限制，使整个传感器的固有频率约在5~30Hz之间，即不能分辨低于其固有频率以下的信号，限制了它的使用范围。目前国内外最常见的此类传感器的改进方法是在传感器后面串联补偿网络来展宽其频响，但是最低仅能做到0.1Hz左右，还有采用斜拉簧等结构做成超低频传感器，但是由于弹簧过软、质量过大，除了传感器体积庞大以外，稳定性和可靠性也较差，无法在工业领域得到广泛应用。例如中国地震局工程力学研究所研制的941B型拾振器，利用串联补偿网络来展宽其频响，其测量的下限频率为0.1Hz，但其尺寸达Φ70*80mm，重量达1.5kg，尺寸和重量都比较大，在一定程度上也限制了它的应用。

[0003] 因此，设计一种机械固有频率低、测量范围宽、尺寸小、重量轻的超低频振动传感器是十分必要的。本发明的新型磁悬浮式超低频振动传感器采用永磁和电磁混合的悬浮结构来代替传统的弹簧结构，这种结构的最主要优点就是可以通过PID控制调节各项参数来主动控制系统的支承刚度和阻尼，从而降低系统的机械固有频率。采用磁悬浮式的结构代替传统的弹簧结构，能有效减小传感器的尺寸和重量，可以灵活应用在各种测量环境下。此外在底部安装多对对称电磁线圈进行悬浮支承，可实现多方向扭转振动参数的测量。

发明内容

[0004] 本发明要解决的技术问题为：克服现有技术的不足，提供了一种新型的机械固有频率低、测量下限频率低，测量范围宽、尺寸小、重量轻、可实现多方向扭转振动参数测量的磁悬浮式超低频振动传感器。

[0005] 本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种磁悬浮式超低频振动传感器，包括壳体、圆柱形永磁体、圆环形永磁体、多对对称电磁线圈和光电式位移检测器；圆柱形永磁体的下端和电磁线圈的下端均固连在壳体底部，圆柱形永磁体上端为S极、下端为N极，圆环形永磁体相当于系统中的质量块，内环为N极、外环为S极，圆环形永磁体在圆柱永磁体和电磁线圈的磁场共同作用下保持悬浮状态。

[0006] 进一步的，圆环形永磁体与圆柱形永磁体同轴心，圆环永磁体内环和圆柱永磁体下半段的磁场相互排斥，使两个永磁体横向阻尼很大，从而保持质量块横向平衡。

[0007] 进一步的，在底部安装多对对称电磁线圈进行主动的悬浮控制，当壳体受到外界振动的冲击时，圆环形永磁铁的悬浮位置发生变化，通过光电式位移检测器不仅可以检测出其纵向相对位移的变化，还可以敏感其他各个方向的振动，实现多方向扭转振动参数的测量。

[0008] 进一步的，运用PID控制策略调节整个系统的各项参数，调整通过电磁线圈电流的大小和方向，将悬浮结构的等效支承刚度和等效阻尼调到合适大小，使系统达到稳定平衡的状态。

[0009] 本发明的原理：本发明采用一种新型的电磁和永磁混合悬浮支承的结构取代传统的支承刚度较大且不可调节的弹簧结构，根据典型的质量-弹簧-阻尼测振原理，当壳体受到外界振动的冲击时，圆环形永磁铁的悬浮位置会产生变化，通过光电式位移检测器可以检测出其相对位移的变化，并进一步解调出振动的频率、速度及加速度信号。

[0010] 本发明与现有技术相比的优点在于：

[0011] （1）、本发明是一种新型的磁悬浮式超低频振动传感器，测量下限频率低，测量范围宽，体积小，重量轻，可以实现多方向扭转振动参数测量。

[0012] （2）、本发明采用电磁和永磁混合悬浮支承的结构，运用PID控制策略调节系统的各项参数，主动控制系统的支承刚度和阻尼，从而有效降低系统的机械固有频率，扩展传感器的测量下限频率，减小其体积和重量。

[0013] （3）、本发明采用多对对称电磁线圈支承圆环形永磁体质量块，利用光电检测器检测质量块的位移，可以敏感各个方向的振动，实现多方向扭转振动参数测量。

附图说明

[0014] 图1为本发明的结构示意图；

[0015] 图2为本发明的圆柱形永磁体结构示意图；

[0016] 图3为本发明的圆环形永磁体结构示意图；

[0017] 图4为本发明的电磁线圈的结构示意图；

[0018] 图5为本发明的永磁体和电磁线圈之间的2维磁场分布图示意图；

[0019] 图6为本发明的永磁体和电磁线圈之间的3维磁场分布图示意图。

具体实施方式

[0020] 下面结合附图与具体实施例进一步说明本发明。

[0021] 本发明的一种磁悬浮式超低频振动传感器，包括壳体、圆柱形永磁体、圆环形永磁体、电磁线圈和光电式位移检测器。圆柱形永磁体的下端和电磁线圈的下端均固连在壳体底部，圆柱形永磁体上端为S极、下端为N极。圆环形永磁体相当于系统中的质量块，内环为N极、外环为S极，圆环形永磁体与圆柱形永磁体同轴心，圆环永磁体内环和圆柱永磁体下半段的磁场相互排斥，从而保持横向平衡。圆环形永磁体在圆柱永磁体和电磁线圈的磁场作用下保持悬浮状态。运用PID控制策略调节整个系统的各项参数，调整通过电磁线圈电流的大小和方向，将悬浮结构的等效支承刚度和等效阻尼调到合适大小，使系统达到稳定平衡的状态。

[0022] 当壳体受到外界振动的影响时，圆环形永磁铁的悬浮位置会产生变化，通过光电式位移检测器不仅可以检测出其纵向相对位移的变化，还可以敏感其他各个方向的振动，实现多方向扭转振动参数的测量。由于悬浮系统的支承刚度和阻尼可以调节至很小，从而降低了整个系统的机械固有频率，扩展了传感器的测量下限频率。采用电磁和永磁混合悬浮支承的结构，减小了传感器的尺寸和重量，进一步扩大磁悬浮式超低频振动传感器的应用范围。

[0023] 具体实施例如图1所示，本发明的磁悬浮式超低频振动传感器由壳体1、圆柱形永磁体2、圆环形永磁体3、多对对称电磁线圈4和光电式位移检测器组成。圆柱形永磁体2的下端和电磁线圈4的下端均固连在壳体1底部。

[0024] 如图2、图3、图4所示，本发明的圆柱形永磁体2上端为S极、下端为N极，圆环形永磁体3相当于系统中的质量块，其内环为N极、外环为S极，圆环形永磁体3与圆柱形永磁体2同轴心。

[0025] 如图5、图6所示，图5为本发明的永磁体和电磁线圈之间的2维磁场分布图示意图，图6为本发明的永磁体和电磁线圈之间的3维磁场分布图示意图，本发明的圆环永磁体3内环和圆柱永磁体2下半段的磁场相互排斥，从而保持横向平衡。运用PID控制策略调节整个系统的各项参数，调整通过电磁线圈电流的大小和方向。圆环形永磁体3在圆柱永磁体2和电磁线圈4的磁场作用下保持悬浮状态。

[0026] 本发明的工作过程：圆环永磁体内环和圆柱永磁体下半段的磁场相互排斥，从而保持横向平衡。圆环形永磁体在圆柱永磁体和电磁线圈的磁场作用下保持悬浮状态。运用PID控制策略调节整个系统的各项参数，调整通过电磁线圈电流的大小和方向，将悬浮结构的等效支承刚度和等效阻尼调到合适大小，使系统达到稳定平衡的状态。在底部安装多对对称电磁线圈进行主动的悬浮控制，当壳体受到外界振动的影响时，圆环形永磁铁的悬浮位置会产生变化，通过光电式位移检测器不仅可以检测出其纵向相对位移的变化，还可以敏感其他各个方向的振动，实现多方向扭转振动参数的测量。由于本发明中的磁悬浮系统的纵向支承刚度和阻尼可以通过PID控制调节至很小，从而降低了整个系统的机械固有频率，扩展了传感器的测量下限频率，实现超低频振动信号的测量。

[0027] 本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。