基于磁阻尼的超低頻絕對(duì)振動(dòng)傳感器機(jī)理研究

夏 燦，余水寶，黃相平

（浙江師范大學(xué)，浙江 金華 321004）

超低頻絕對(duì)振動(dòng)是指振動(dòng)頻率在1 Hz及以下的相對(duì)于慣性空間沒(méi)有靜止參考點(diǎn)（即基準(zhǔn)）的振動(dòng)，如空中飛機(jī)和海上船舶的顛簸、地震波動(dòng)以及大型鐵路橋梁的晃動(dòng)等[1]。由于絕對(duì)振動(dòng)在測(cè)量時(shí)難以找到靜止參照基準(zhǔn)，同時(shí)振動(dòng)頻率低，傳感器的機(jī)械固有頻率難以做到足夠低，其輸出信號(hào)極其微弱，信噪比低，因此對(duì)于其測(cè)量至今仍是工程測(cè)試領(lǐng)域的難題之一。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)超低頻絕對(duì)振動(dòng)測(cè)量的研究也不乏研究者，如參考文獻(xiàn)[1]的學(xué)者提出采用頻響展寬的方法來(lái)改善傳感器的性能，雖取得良好的成效，但頻率下限和體積仍有局限。此外，國(guó)內(nèi)外也有研究者通過(guò)增大慣性質(zhì)量塊的質(zhì)量來(lái)減小傳感器的固有頻率，但這種方法使得傳感器的體積、重量大大增加，缺陷非常明顯。

1 普通電磁式速度傳感器及其固有缺陷

低頻絕對(duì)振動(dòng)測(cè)量通常選用壓電式和磁電式傳感器，以后者居多。磁電式傳感器是一個(gè)典型的 “質(zhì)量-阻尼-彈簧”單自由度振動(dòng)系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 普通磁電式速度傳感器的力學(xué)模型

其傳遞函數(shù)、角頻率和阻尼系數(shù)可表示為：

式中ω0為傳感器的固有角頻率，ξ0為阻尼系數(shù)。

由傳感器的力學(xué)原理可知[3]，僅當(dāng)傳感器的固有頻率比被測(cè)物體的頻率低很多時(shí)，慣性質(zhì)量塊才可以作為“靜止”基準(zhǔn)，或者說(shuō)為使傳感器在測(cè)量超低頻絕對(duì)振動(dòng)時(shí)的輸出信號(hào)有一定的信噪比，傳感器的固有頻率應(yīng)足夠低。然而由于材料及機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制，用彈簧模片支撐質(zhì)量塊的磁電式速度傳感器的固有頻率，一般只能做到 5 Hz～30 Hz之間[4]。在重力場(chǎng)中垂直使用的傳感器，彈簧的位移y與質(zhì)量塊m和彈性系數(shù)k的關(guān)系為：

式中g(shù)為重力加速度常量。由式（4）易知，當(dāng)f0取5 Hz時(shí)，慣性質(zhì)量塊與殼體間的相對(duì)位移接近1 cm；而當(dāng)f0取1 Hz時(shí)，相對(duì)位移達(dá)25 cm，這在傳感器有限的空間內(nèi)是不可能實(shí)現(xiàn)的。因此要直接檢測(cè)超低頻絕對(duì)振動(dòng)，磁電式速度傳感器存在機(jī)械結(jié)構(gòu)上的固有缺陷[2]。

從式（2）可以看出，減小彈簧彈性系數(shù) k和增大質(zhì)量塊m均可降低傳感器的固有角頻率ω0。但是，采用減小彈性系數(shù)k，彈簧本身就會(huì)變得很軟很 “嬌氣”，k越小，彈簧的靜態(tài)位移越大，在感受振動(dòng)即便是微小的振動(dòng)時(shí)，彈簧自身就會(huì)“振動(dòng)”不止，從而影響測(cè)量精度；此外，當(dāng)傳感器由一個(gè)地方運(yùn)輸?shù)狡渌攸c(diǎn)時(shí)，由于運(yùn)輸過(guò)程中的顛簸和自身的“振動(dòng)”，彈性系數(shù)k的大小也會(huì)受“損”而改變；如果采用增加慣性體質(zhì)量m，固然可以提高傳感器在低頻段的靈敏度，但此時(shí)傳感器的體積、重量將大大增加，在一定程度上會(huì)影響振動(dòng)體本身的振動(dòng)特性，從而降低測(cè)量可信度。所以，目前直接用這種傳感器測(cè)量超低頻絕對(duì)振動(dòng)仍存在著一定的難度。

2 基于磁阻尼的超低頻絕對(duì)振動(dòng)檢測(cè)機(jī)理

鑒于上述傳感器的體積和頻率下限等問(wèn)題，本文介紹了一種利用2塊磁鐵同名端之間的斥力來(lái)代替彈簧力的超低頻絕對(duì)振動(dòng)檢測(cè)新機(jī)理，即用剛性的永久磁鐵代替柔性的彈簧，用磁場(chǎng)力代替彈性力，調(diào)節(jié)磁鐵間的距離來(lái)調(diào)節(jié)彈性力（磁阻尼）的大小，進(jìn)而改變傳感器的固有頻率，同時(shí)傳感器體積也可以做得更小。將這種基于磁場(chǎng)力系統(tǒng)取名為“磁阻尼”系統(tǒng)。在磁阻尼系統(tǒng)中，由于彈簧已被替換，則無(wú)需考慮在機(jī)械阻尼中彈簧受重力場(chǎng)的作用而不能運(yùn)輸?shù)膯?wèn)題，使之更好地適應(yīng)其在工程上的應(yīng)用。

基于此機(jī)理的傳感器，由2塊永久磁鐵構(gòu)成，一塊固定在傳感器外殼底部，另一塊（慣性質(zhì)量塊）依托磁場(chǎng)斥力懸浮在上方，在懸浮磁鐵外圍繞有線圈。當(dāng)感受到外界振動(dòng)時(shí)，外殼被迫振動(dòng)，懸浮磁鐵由于慣性作用相對(duì)“靜止”，此時(shí)，兩磁鐵間的距離減小，斥力增強(qiáng)，迫使懸浮磁鐵向上運(yùn)動(dòng)，線圈做切割磁感線運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。如圖2所示。

懸浮磁鐵（慣性質(zhì)量塊m）在磁場(chǎng)力和重力作用下處于平衡位置，設(shè)系統(tǒng)磁場(chǎng)強(qiáng)度為B，平衡時(shí)相距為r0，即

圖2 基于磁阻尼的超低頻絕對(duì)振動(dòng)檢測(cè)的結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)振動(dòng)系統(tǒng)感受到外界振動(dòng)時(shí)，懸浮磁鐵m偏離平衡位置的位移為x，即

式中，μ0為常數(shù)。由式（6）可知，該系統(tǒng)具有加速度特性，經(jīng)二次積分可獲得相應(yīng)的位移信息。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

由于實(shí)驗(yàn)室條件有限，無(wú)法對(duì)本傳感器的性能指標(biāo)進(jìn)行全面測(cè)試，只對(duì)該傳感器的靈敏度和頻率響應(yīng)做如下的簡(jiǎn)易測(cè)試。利用1只1.5 V、轉(zhuǎn)速15 r/min的微型電機(jī)，搭建了一個(gè)簡(jiǎn)易的振動(dòng)臺(tái)，通過(guò)精確計(jì)算設(shè)計(jì)響應(yīng)的凸輪，用于模擬產(chǎn)生正弦振動(dòng)，供傳感器檢測(cè)。裝置照片如圖3所示，示波器檢測(cè)到的波形如圖4所示。峰峰值為1.90 V，頻率為239.1 mHz。由于振動(dòng)臺(tái)制作過(guò)程中其機(jī)械精度較難達(dá)到預(yù)期，所以圖形中有毛刺，且由于凸輪在精雕過(guò)程中有瑕疵，波形顯示不夠完美，這些都將是在以后的研究中需要解決的問(wèn)題。

圖3 裝置照片（左一為乒乓球，中間是本文介紹的傳感器，右一為自制振動(dòng)臺(tái)）

圖4 示波器顯示波形

基于磁阻尼超低頻絕對(duì)振動(dòng)傳感器的機(jī)理，解決了傳感器體積大、頻率下限不夠低以及不便于運(yùn)輸?shù)葐?wèn)題。目前傳感器的體積尺寸能做到40 mm×40 mm，與乒乓球大小相似。振動(dòng)臺(tái)使用的微型電機(jī)頻率為0.25 Hz，可見(jiàn)本文所介紹的傳感器具有較低的頻率下限，足夠?qū)崿F(xiàn)超低頻段信號(hào)的測(cè)量。同時(shí)由于磁場(chǎng)間的楞次定律，系統(tǒng)可避免一些不正常的振動(dòng)帶來(lái)的誤差，從而使系統(tǒng)性能穩(wěn)定性增加，便于運(yùn)輸。

但該傳感器仍存在一些不足。由于實(shí)驗(yàn)中電機(jī)和放大濾波電路同時(shí)由一路電源供電，導(dǎo)致測(cè)量響應(yīng)信號(hào)不穩(wěn)定?？蓢L試增加兩級(jí)積分電路，從而得到更好波形。懸浮磁鐵（即慣性質(zhì)量塊）運(yùn)動(dòng)復(fù)雜，需要先進(jìn)行解耦分析，再通過(guò)計(jì)算機(jī)，將采集到的信號(hào)進(jìn)行智能處理，并擬合出相應(yīng)的幅頻特性及相頻特性曲線。

[1]余水寶.基于選頻補(bǔ)償?shù)拇烹娛剿俣葌鞲衅黝l響展寬研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，1999（3）：201-205.

[2]余水寶.一種測(cè)量超低頻絕對(duì)振動(dòng)的新方法[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，1998（2）：7-12.

[3]余水寶.超低頻絕對(duì)振動(dòng)傳感器傳遞函數(shù)優(yōu)化技術(shù)研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2006（8）：940-942.

[4]余水寶，李鳴華，呂振洪.磁電式絕對(duì)振動(dòng)速度傳感器頻響展寬研究 [J].浙江師大學(xué)報(bào) （自然科學(xué)版），1999（1）：23-28.