一种有源超低频速度传感器样机的设计
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器低 频适 用范 围。
１ 超 低 频 振 动 测 量
振动测量 的被测物理 量一般 为加速度 、 速度 和位
２ 有 源 超 低 频 传 感 器 样 机 的 设 计
传感 器 的样机 采用 已有 的 电磁式传 感 器 的机 械 机构 ， 这样 可 降低 成 本 并 大 大加 快 设 计 进 度 。在 不 加 反馈 的条 件下 ， 传感 器 的机 械 自振频率 为 ４Ｈｚ 左
Ａｂｓｒ ｃ Ｂａ ｅ ｎ ｍａ ｎ ｔｃｖ ｂ ａｉｎ ｓ ｎ ｏｓ， ｅ ｉｎ ｄ ａ ｕ ｔａ ｌｗ ｅ ｕ ｎ ｙ ｓ ｅ ｄ ｓｎ ｏ ａ ｅ ｎ ａ ｔ ｅｆ ｅ ｂ ｃ ｔ ａ ｔ： ｓ ｄ ｏ ｇ ｅｉ ｉｒ ｔｏ ｅ ｓ ｒ ｗｅ ｄ ｓｇ ｅ ｌ —ｏ ｆ ｑ ｅ ｃ ｐ ｅ ｅ ｓ ｒｂ ｓ ｄ ｏ ｃｉ ｅ ｄ ａ ｋ ｒ ｒ ｖ
，
ｅ ｕ ｒｔｄ ｔｏ ｎ ｍｅ ａｅ ｏ ． Ｋ ｅ ｒ ｓ： ｉ ｒ ｔ ｎ ｓ ｎ ｏ ； ｌｒ —ｏ ｆｅ ｕ ｎ ｙ； ｅ ｖ ｅ ｄ ａ ｋ ｃ ｎ ｒ ｌ ｓ ｎ ｏ ｓ ｙ ｗｏ ｄ ｖｂ ａｉ ｅ ｓ ｒ ｕ ｔａ ｌｗ ｒ ｑ ｅ ｃ ｓ ｒ ｏ ｆ ｅ ｂ ｃ ｏ ｔｏ ；ｅ ｓ ｒ ｏ
由式 （ ） ４ 可见 ， 由于 电子 反馈 的作用 ， 系统 的 等效 质 量 和等效 阻尼均 有 增加 ， 系统 的 电子 反 馈 质 量 Ｍ＝ Ｋ Ｄ ｏ ， Ｒ， 馈 电子阻尼 Ｂ＝ Ｄ ２Ｒ。 Ｋ Ｔ ＧＧ／ 反 Ｇ Ｇ／ 以设计 的 样 机 为 例 ， 馈 前 后 的 系 统 参 数 如 反
ｃ ｎ ｒ １Ｔｈ ｏ ｇ ｈ ｏｅ ｉａ ａ ａｙ ｉ ｏ ｈ ｅ ｉｎ ｄ ｅ ｓ ｒ ｔ ｅ ｓ ｓｅ ｔａ ｓｅ ｕ ｃｉｎ ｎ ｅ ｕ ｐ ｎ ｐ ｒｍｅｅ ｏ ｔｏ ． ｒｕ ｈ ａ ｔｅ ｒ ｔ ｌ ｎ ｌ ｓｓ ｎ ｔ ｅ ｄ ｓｇ ｅ ｓｎ ｏ ｈ ｙ ｔｍ ｒｎ ｆ ｒ ｆ ｎ ｔ ａ ｄ ｑ ｉｍｅ ｔ ａ ａ ｔｒ ｃ ｏ
９ １型 等 ］最 低 可测 ２ ９ ６． ０ｓ的振 动 信 号 。有 源伺 服
反馈 如 闭环极 点 补偿 式 振 动 传 感 器 ． 外 还 有使 用 此 串联 校 正 电路 补偿 等 方 法 ］ 。本 文尝 试 采 用有 源
闭环 反馈 方法 实 现 改善 传 感 器 低 频 特性 ， 宽传 感 拓
移 。一些加 速度传感 器通频带 的低频下 限可 到零 ，
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ理论 上可完成 低频和超低 频 的加 速度 测量 ． 但是振 动
项 目来源 ： 中央高校基本科研业 务费专项资金项 目（ Ｙ ０ ２ ２ ８ ； Ｚ ２ １０ ０ ） 中国地震局教师科研基金项 目（０ ２ １７ ２ １０ ０ ）
收 稿 日期 ：０ ２ ０ — ８ ２ １ — ４ １ 修 改 日期 ：０ ２ ０ — ７ ２ １— ６ ２
第２ ５卷 第 ８期
２１ ０ ２年 ８月
传 感 技 术 学 报
Ｃ ＮＥ Ｅ Ｊ ＵＲＮ Ｅ Ｓ ＲＳ Ａ ＨＩ Ｓ Ｏ ＡＬ ＯＦ Ｓ Ｎ Ｏ ＮＤ ＡＣ Ａ ＯＲＳ ＴＵ Ｔ
Ｖｏ ． ５ Ｎｏ ８ １２ ． Ａｕ ． ０１ ｇ２ ２
Ａｎ Ａ ｃ ｉ ｅ Ｕｌｒ － ｗ— ｅ ｕ ｎ ｙ Ｓ ｅ ｅ ｓ ｒ Ｐｒ ｔ ｔ ｐ ｓｇ ｔｖ ｔ ａ Ｌｏ Ｆｒ ｑ ｅ ｃ ｐｅ ｄ Ｓ ｎ ｏ ｏ ｏ ｙ ｅ Ｄｅ ｉ ｎ
２ １ 基本 原 理及传 递 函数 的推导 ．
式（） ２ 与式 （ ） ３ 联立后 得 到系统 的传递 函数 为
２
绝 对 式振 动 传感 器 大 都依 据 摆 原理 ， 传 递 函 其
数 一般 为 ：
Ｈ（ ） ｓ／ Ｓ＋ ｓ ∞ ） Ｓ ＝Ｓ ｅ （ ２ ＋ ｊ
（） １
式 中 Ｓ 为速 度灵 敏 度 ， 阻尼 比 ， 为 自振频 率 。 为 受机械结 构和加工手段 的限制 ， 普通 电磁式振 动传感 器 的 自振 频率很 难 做 到 １Ｈ ｚ以下 ， 常要 用 电子 反 通 馈技术来 弥补机械结构 的不足 ， 善低频 特性 。对 于 改 动 圈换 能型传感 器 而言 ， 欲获 得 速度 输 出特 性 ， 须 必 获得 位移摆特性 ， 即传感 器 自振频 率 以上 的频段 为可 用 频段 ， 传感器 的低 频下限受 自振 频率 的限制 。必须 降低系统 的 自振 频率才能获得低 频平坦段 。 该 传感 器 的原理 如 图 １所 示 ｌ ， 为 被 测 物 体 ９ ］ 相对 于惯性 参 考系 （ 常 选地 球 ） 通 的位 移 ， 之为 绝 称
（ ５ 一 一 ＝）
Ｂ＝ Ｋ ＧＧ Ｋ Ｔ Ｄ １２
由式 （ ） ５ 可对 传 感 器 的各 项参 数进 行 分 析 ， 阻 尼 如
比， Ａ振频 率 、 敏度 、 灵 量程 等 。
２ ２ １ 自振频率 ． ．
系统 的 自振 频率 为 ：
图 １ 有 源伺 服 式 传 感 器原 理 图
Ｃ Ｅ Ｇ Ｌｎ ， Ｈ ｉ ｌ Ｈ Ｎ ｉａ Ｃ ＩＱｎ ｅ ｇｉ
（．ｎｔｕｅｏ ｉ ｓｒＰｅｅｔｎｏ ｃ ｎｅ ｎ ｅｈ ｏ ｇ ，ａｊ ｏＨ ｂｉ ６ ２ １ Ｃ ｉａ； １Ｉｓｔｔ ｆＤｓ ｔ ｒ ｎｉ ｎＳｉ ｃ ｄＴｃｎｌ ｙ Ｙｎｉ ｅｅ ０ ５０ ，ｈｎ ｉ ａｅ ｖ ｏ ｅ Ａ ｏ ａ ２ Ｉｓｔｔ ｏ Ｅ ｇｎｅｎ ｃａ ｉ ， ｈｎ ａｔｑａ ｅ ｄ ｉｉｒｔ ｎ ｎｉｏＨ ｂｉ ６ ２ １ Ｃ ｉａ ．ｎｔｕｅｆ ｎ ｉｅｒ ｇＭｅｈ ｎ ｓ Ｃ ｉａＥ ｒ ｕｋ ｍｎｓａｉ ， ｊ ｅｅ０ ５ ０ ，ｈｎ ） ｉ ｉ ｃ ｈ Ａ ｔ ｏ ａ
关键词： 振动传感器； 超低频 ； 伺服反馈控制； 拾振器
中图分 类 号 ： Ｈ １ Ｔ ２２
文 献标 识码 ： Ａ
文 章编 号 ：０ ４ １ ９ （ ０ ２ ０ — ０ ９ ０ １０ — ６ ９ ２ １ ）８ １６ — ４
振动是 一种 常见 的物理 现象 ． 各种 工程 结构无 时
ｒ ａ ｏ ａ ｌ ｅ ｄ ａ ｋ ｃ ｎ ｒｌ ｎ ｔ ｒｌｖｂ ａｉｎ ｆｅ ｕｅ ｃ ｒ ｐ ｒ ｍ ｏ ０ ０ ， ｉｈ ｇｅ ｔ ｉ ｒ ｖ ｓ ｔｅ ｌｗ． ｅ ｓ ｎ ｂｅ ｆ ｅ ｂ ｃ ｏ ｔｏ ， ａｕ ａ ｉｒ ｔ ｑ ｎ ｙ ｄ ｏ ｓ ｆｏ ４ Ｈｚ ｔ ． ２ Ｈｚ ｗｈ ｃ ｒ ａｌ ｍｐ ｏ ｅ ｈ ｏ ｏ ｒ ｙ
信号低 频部分 的加速度量级 很小 ， 往往 淹没 于高频 加 速度信 号或仪器 的 固有 噪声 之 中， 加速度 计测量低 用
无刻不 在振动 ， 只是振动频 率和振 动 幅值不 同 。大部
分 的 振 动都 是 有 害 的 ， 近年 来 随着 经 济 和技 术 的发 展． 低频 和超低 频 的振 动 问题 也 越来 越 受 到重 视 ， 一 些工 程结构 的 自振周期 可 以达 到 ２ ． ０Ｓ 而某些 包含 长 持 时瞬态振 动 信 号 的频 率 分 量 可 到 ５ ０ ｓ以上 ＿ ， ｌ 尽 Ｊ 管这类 振动测量仍 然为数 较少 ． 是大都 是一 些重要 但 的工程 结构 Ｊ 了解 这些结构 的振动状 态是非 常重要 ２， 的 。为了研制满 足 这类 超低 频 振 动测 量 的要 求 的传 感器 ， 进行 相关 的技术储备 ， 本文通 过理 论分 析 ， 设计 了 一种 有 源 超 低 频传 感 器 ， 产 了样 机 并 进 行 了测 生 试， 为进一 步发展 超低频振 动测量仪 器奠定 了基础 。
） ＝一 ＝
ＫＫｏ ＧＩ ＴＤ Ｇ２
＝ —
比例 微 分环节 可通 过运算 放 大器搭 建有 源 比例微 分 电路 ， 电路 的参数 ， 放 大倍 数 的数 值 ， 载 电阻 大 如 负 小 等则 通 过 设 计 参 数 （ 带 、 敏 度 、 频 灵 阻尼 比、 自振 频 率 ） 电路设 计 经验确 定 。 和
表 １ 所示 。
表 １ 反 馈 前 后 的 参 数 对 比
对位 移 ； 为摆 体相 对于被 测 物 体 的位 移 ， 之 为相 称
对位 移 ； 弹簧 刚度 ； 系统 阻尼力 系数 ； 为摆 ｋ为 ｂ为 ｍ 体质 量 ； ． Ｇ 为主线 圈机 电耦 合 常数 ； ， 反馈 线 圈 Ｇ为 机 电耦 合 常数 ； 为流 人 反馈 线 圈 的 电流 ： ｉ Ｒ为 负 载
（ ． 灾 科 技 学 院 ， 北 燕 郊 ０ ５ ０ ；． 国地 震 局 工 程 力 学 研 究 所 ， 北 燕 郊 ０５ ０ ） １防 河 ６ ２ １２ 中 河 ６ ２ １
摘 要 ： 以电磁式振动传感器为基础 ， 设计了一种基于有源反馈控制的超低频速度传感器。对设计的传感器进行了理论分
析， 得到 了系统 的传递 函数 和各项参数 的表达式 。设计 生产 了两 台样机 ， 并对 两 台样 机进行 了测试 ， 试结果 表明通过 合理 测 的反馈控 制 ． 传感器 的 白振 频率 由４ Ｈ 降至 ０ ０ ｚ大 大改 善了传感 器的低频特性 。 ｚ ．２Ｈ ，
电阻 ； Ｋ为放 大倍 数 ； Ｄ １ Ｔ ｓ 为 比例 微 分 环 节 ． Ｋ （ ＋ ｏ）
２ ２ 系统参 数分析 ． 由于机 械质 量 ｍ 和机 械 阻 尼 ｂ相 对 于 电子 反
馈 质量 和 电子反馈 阻尼 要小 得多 ， 因此 可 以忽 略 ， 此
时式 （ ） ４ 可进 一步 写为 ：
频尤其 是超低频 信号 的实 际效果往往并 不理 想 ｌ ， ４ 工 Ｊ
程实 际 当中更 多的是测量其 速度和位移 ｌ 。 ５ Ｊ
用 于低频 速 度和位 移 测量 的传感 器 大都 以 电磁
式振 动 传感 器为 基 础 ， 用 无 源或 有 源 伺 服 反馈 控 利 制技 术 ， 无源 伺服 式振 动 传感 器 如 ８ １型 、４ Ｂ型 、 ９ ９１
ｆｅ ｅ ｃ ｒ ｓ ｏ ｓ ｏ ｔ ｅ ｅ ｓ ｒ ｒｑ ｎ ｙ ｅ ｐ ｎ ｅ ｆ ｈ ｓ ｎ ｏ ．Ｍ ｅ ｎ ｉｅ，ｓ ｍｅ ｒ ｂｅ ｕ ａ ｗｈ ｌ ｏ ｐ ｏ ｌｍｓ ｈ ｐｎ ｔ ｂ ｓ ｌｅ ｉ ｔｅ ｕ ｕ ｅ ｅｅ ｒ ｈ，ｗｅｅ ｏ ｉｇ ｏ ｅ ｏｖ ｄ ｎ ｈ ｆ ｔ ｒ ｒ ｓ ａｃ ｒ
Ｅ ＡＣ ７ ２ Ｅ；２ ０ Ｅ Ｃ：３ ０ ７ ３
ｄ ｉ１ ． ９ ９ ｊ ｉ ｎ １０ — ６ ９ ２ １ ． ８ ０ ０ ｏ ：０ ３ ６ ／ ．ｓ ．０ ４ １ ９ ． ０ ２ ０ ． １ ｓ
一
种 有 源超 低 频 速 度传 感 器 样 机 的设 计 术
程 丽娜 ， 庆 磊 匙
，
ｅ ｐ ｅ ｓｏ ｒ ｏ ｔｉ ｅ ｘ ｒ ｓｉｎ ｗｅｅ ｂ ａｎ ｄ．Ｔｗｏ ｒ ｔｔｐ ｓ ｐ ｏ ｏｙ ｅ ｗｅｅ ｒｄ ｃ ｄ ｎ ｔｓｅ ．Ｔ ｅ ｘ ｅ ｉ ｎ ａ ｒ ｓ ｌ ｐ ｏ ｅ ｔ ａ ｔ ｒ ｕ ｈ ｒ ｐ ｏ ｕ ｅ ａ ｄ ｅ ｔｄ ｈ ｅ ｐ ｒｍｅ ｔｌ ｅ ｕｔ ｓ ｒｖ ｄ ｈ ｔ ｈ ｏ ｇ
１７ ０ ０
传 感 技 术 学 报 Ｗ Ｗ ｃｉａｒｎｄ ｃｒ．ｏ Ｗ ．ｈｎ ｔ ｓｕ ｅｓ ｅｍ ａ
ｅ／ ｅＫ Ｄ １ Ｔ ｓ ／ ２Ｒ＝ ｌＫ （ ＋ Ｄ） Ｒ
第２ ５卷 （） ３
右， 通过设 计合 理 电子反馈 电路 ， 希望 将传 感器 的 自 振频 率 降低 至 ０ ０ ｚ ．２ Ｈ 。
１ 超 低 频 振 动 测 量
振动测量 的被测物理 量一般 为加速度 、 速度 和位
２ 有 源 超 低 频 传 感 器 样 机 的 设 计
传感 器 的样机 采用 已有 的 电磁式传 感 器 的机 械 机构 ， 这样 可 降低 成 本 并 大 大加 快 设 计 进 度 。在 不 加 反馈 的条 件下 ， 传感 器 的机 械 自振频率 为 ４Ｈｚ 左
Ａｂｓｒ ｃ Ｂａ ｅ ｎ ｍａ ｎ ｔｃｖ ｂ ａｉｎ ｓ ｎ ｏｓ， ｅ ｉｎ ｄ ａ ｕ ｔａ ｌｗ ｅ ｕ ｎ ｙ ｓ ｅ ｄ ｓｎ ｏ ａ ｅ ｎ ａ ｔ ｅｆ ｅ ｂ ｃ ｔ ａ ｔ： ｓ ｄ ｏ ｇ ｅｉ ｉｒ ｔｏ ｅ ｓ ｒ ｗｅ ｄ ｓｇ ｅ ｌ —ｏ ｆ ｑ ｅ ｃ ｐ ｅ ｅ ｓ ｒｂ ｓ ｄ ｏ ｃｉ ｅ ｄ ａ ｋ ｒ ｒ ｖ
，
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由式 （ ） ４ 可见 ， 由于 电子 反馈 的作用 ， 系统 的 等效 质 量 和等效 阻尼均 有 增加 ， 系统 的 电子 反 馈 质 量 Ｍ＝ Ｋ Ｄ ｏ ， Ｒ， 馈 电子阻尼 Ｂ＝ Ｄ ２Ｒ。 Ｋ Ｔ ＧＧ／ 反 Ｇ Ｇ／ 以设计 的 样 机 为 例 ， 馈 前 后 的 系 统 参 数 如 反
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９ １型 等 ］最 低 可测 ２ ９ ６． ０ｓ的振 动 信 号 。有 源伺 服
反馈 如 闭环极 点 补偿 式 振 动 传 感 器 ． 外 还 有使 用 此 串联 校 正 电路 补偿 等 方 法 ］ 。本 文尝 试 采 用有 源
闭环 反馈 方法 实 现 改善 传 感 器 低 频 特性 ， 宽传 感 拓
移 。一些加 速度传感 器通频带 的低频下 限可 到零 ，
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ理论 上可完成 低频和超低 频 的加 速度 测量 ． 但是振 动
项 目来源 ： 中央高校基本科研业 务费专项资金项 目（ Ｙ ０ ２ ２ ８ ； Ｚ ２ １０ ０ ） 中国地震局教师科研基金项 目（０ ２ １７ ２ １０ ０ ）
收 稿 日期 ：０ ２ ０ — ８ ２ １ — ４ １ 修 改 日期 ：０ ２ ０ — ７ ２ １— ６ ２
第２ ５卷 第 ８期
２１ ０ ２年 ８月
传 感 技 术 学 报
Ｃ ＮＥ Ｅ Ｊ ＵＲＮ Ｅ Ｓ ＲＳ Ａ ＨＩ Ｓ Ｏ ＡＬ ＯＦ Ｓ Ｎ Ｏ ＮＤ ＡＣ Ａ ＯＲＳ ＴＵ Ｔ
Ｖｏ ． ５ Ｎｏ ８ １２ ． Ａｕ ． ０１ ｇ２ ２
Ａｎ Ａ ｃ ｉ ｅ Ｕｌｒ － ｗ— ｅ ｕ ｎ ｙ Ｓ ｅ ｅ ｓ ｒ Ｐｒ ｔ ｔ ｐ ｓｇ ｔｖ ｔ ａ Ｌｏ Ｆｒ ｑ ｅ ｃ ｐｅ ｄ Ｓ ｎ ｏ ｏ ｏ ｙ ｅ Ｄｅ ｉ ｎ
２ １ 基本 原 理及传 递 函数 的推导 ．
式（） ２ 与式 （ ） ３ 联立后 得 到系统 的传递 函数 为
２
绝 对 式振 动 传感 器 大 都依 据 摆 原理 ， 传 递 函 其
数 一般 为 ：
Ｈ（ ） ｓ／ Ｓ＋ ｓ ∞ ） Ｓ ＝Ｓ ｅ （ ２ ＋ ｊ
（） １
式 中 Ｓ 为速 度灵 敏 度 ， 阻尼 比 ， 为 自振频 率 。 为 受机械结 构和加工手段 的限制 ， 普通 电磁式振 动传感 器 的 自振 频率很 难 做 到 １Ｈ ｚ以下 ， 常要 用 电子 反 通 馈技术来 弥补机械结构 的不足 ， 善低频 特性 。对 于 改 动 圈换 能型传感 器 而言 ， 欲获 得 速度 输 出特 性 ， 须 必 获得 位移摆特性 ， 即传感 器 自振频 率 以上 的频段 为可 用 频段 ， 传感器 的低 频下限受 自振 频率 的限制 。必须 降低系统 的 自振 频率才能获得低 频平坦段 。 该 传感 器 的原理 如 图 １所 示 ｌ ， 为 被 测 物 体 ９ ］ 相对 于惯性 参 考系 （ 常 选地 球 ） 通 的位 移 ， 之为 绝 称
（ ５ 一 一 ＝）
Ｂ＝ Ｋ ＧＧ Ｋ Ｔ Ｄ １２
由式 （ ） ５ 可对 传 感 器 的各 项参 数进 行 分 析 ， 阻 尼 如
比， Ａ振频 率 、 敏度 、 灵 量程 等 。
２ ２ １ 自振频率 ． ．
系统 的 自振 频率 为 ：
图 １ 有 源伺 服 式 传 感 器原 理 图
Ｃ Ｅ Ｇ Ｌｎ ， Ｈ ｉ ｌ Ｈ Ｎ ｉａ Ｃ ＩＱｎ ｅ ｇｉ
（．ｎｔｕｅｏ ｉ ｓｒＰｅｅｔｎｏ ｃ ｎｅ ｎ ｅｈ ｏ ｇ ，ａｊ ｏＨ ｂｉ ６ ２ １ Ｃ ｉａ； １Ｉｓｔｔ ｆＤｓ ｔ ｒ ｎｉ ｎＳｉ ｃ ｄＴｃｎｌ ｙ Ｙｎｉ ｅｅ ０ ５０ ，ｈｎ ｉ ａｅ ｖ ｏ ｅ Ａ ｏ ａ ２ Ｉｓｔｔ ｏ Ｅ ｇｎｅｎ ｃａ ｉ ， ｈｎ ａｔｑａ ｅ ｄ ｉｉｒｔ ｎ ｎｉｏＨ ｂｉ ６ ２ １ Ｃ ｉａ ．ｎｔｕｅｆ ｎ ｉｅｒ ｇＭｅｈ ｎ ｓ Ｃ ｉａＥ ｒ ｕｋ ｍｎｓａｉ ， ｊ ｅｅ０ ５ ０ ，ｈｎ ） ｉ ｉ ｃ ｈ Ａ ｔ ｏ ａ
关键词： 振动传感器； 超低频 ； 伺服反馈控制； 拾振器
中图分 类 号 ： Ｈ １ Ｔ ２２
文 献标 识码 ： Ａ
文 章编 号 ：０ ４ １ ９ （ ０ ２ ０ — ０ ９ ０ １０ — ６ ９ ２ １ ）８ １６ — ４
振动是 一种 常见 的物理 现象 ． 各种 工程 结构无 时
ｒ ａ ｏ ａ ｌ ｅ ｄ ａ ｋ ｃ ｎ ｒｌ ｎ ｔ ｒｌｖｂ ａｉｎ ｆｅ ｕｅ ｃ ｒ ｐ ｒ ｍ ｏ ０ ０ ， ｉｈ ｇｅ ｔ ｉ ｒ ｖ ｓ ｔｅ ｌｗ． ｅ ｓ ｎ ｂｅ ｆ ｅ ｂ ｃ ｏ ｔｏ ， ａｕ ａ ｉｒ ｔ ｑ ｎ ｙ ｄ ｏ ｓ ｆｏ ４ Ｈｚ ｔ ． ２ Ｈｚ ｗｈ ｃ ｒ ａｌ ｍｐ ｏ ｅ ｈ ｏ ｏ ｒ ｙ
信号低 频部分 的加速度量级 很小 ， 往往 淹没 于高频 加 速度信 号或仪器 的 固有 噪声 之 中， 加速度 计测量低 用
无刻不 在振动 ， 只是振动频 率和振 动 幅值不 同 。大部
分 的 振 动都 是 有 害 的 ， 近年 来 随着 经 济 和技 术 的发 展． 低频 和超低 频 的振 动 问题 也 越来 越 受 到重 视 ， 一 些工 程结构 的 自振周期 可 以达 到 ２ ． ０Ｓ 而某些 包含 长 持 时瞬态振 动 信 号 的频 率 分 量 可 到 ５ ０ ｓ以上 ＿ ， ｌ 尽 Ｊ 管这类 振动测量仍 然为数 较少 ． 是大都 是一 些重要 但 的工程 结构 Ｊ 了解 这些结构 的振动状 态是非 常重要 ２， 的 。为了研制满 足 这类 超低 频 振 动测 量 的要 求 的传 感器 ， 进行 相关 的技术储备 ， 本文通 过理 论分 析 ， 设计 了 一种 有 源 超 低 频传 感 器 ， 产 了样 机 并 进 行 了测 生 试， 为进一 步发展 超低频振 动测量仪 器奠定 了基础 。
） ＝一 ＝
ＫＫｏ ＧＩ ＴＤ Ｇ２
＝ —
比例 微 分环节 可通 过运算 放 大器搭 建有 源 比例微 分 电路 ， 电路 的参数 ， 放 大倍 数 的数 值 ， 载 电阻 大 如 负 小 等则 通 过 设 计 参 数 （ 带 、 敏 度 、 频 灵 阻尼 比、 自振 频 率 ） 电路设 计 经验确 定 。 和
表 １ 所示 。
表 １ 反 馈 前 后 的 参 数 对 比
对位 移 ； 为摆 体相 对于被 测 物 体 的位 移 ， 之 为相 称
对位 移 ； 弹簧 刚度 ； 系统 阻尼力 系数 ； 为摆 ｋ为 ｂ为 ｍ 体质 量 ； ． Ｇ 为主线 圈机 电耦 合 常数 ； ， 反馈 线 圈 Ｇ为 机 电耦 合 常数 ； 为流 人 反馈 线 圈 的 电流 ： ｉ Ｒ为 负 载
（ ． 灾 科 技 学 院 ， 北 燕 郊 ０ ５ ０ ；． 国地 震 局 工 程 力 学 研 究 所 ， 北 燕 郊 ０５ ０ ） １防 河 ６ ２ １２ 中 河 ６ ２ １
摘 要 ： 以电磁式振动传感器为基础 ， 设计了一种基于有源反馈控制的超低频速度传感器。对设计的传感器进行了理论分
析， 得到 了系统 的传递 函数 和各项参数 的表达式 。设计 生产 了两 台样机 ， 并对 两 台样 机进行 了测试 ， 试结果 表明通过 合理 测 的反馈控 制 ． 传感器 的 白振 频率 由４ Ｈ 降至 ０ ０ ｚ大 大改 善了传感 器的低频特性 。 ｚ ．２Ｈ ，
电阻 ； Ｋ为放 大倍 数 ； Ｄ １ Ｔ ｓ 为 比例 微 分 环 节 ． Ｋ （ ＋ ｏ）
２ ２ 系统参 数分析 ． 由于机 械质 量 ｍ 和机 械 阻 尼 ｂ相 对 于 电子 反
馈 质量 和 电子反馈 阻尼 要小 得多 ， 因此 可 以忽 略 ， 此
时式 （ ） ４ 可进 一步 写为 ：
频尤其 是超低频 信号 的实 际效果往往并 不理 想 ｌ ， ４ 工 Ｊ
程实 际 当中更 多的是测量其 速度和位移 ｌ 。 ５ Ｊ
用 于低频 速 度和位 移 测量 的传感 器 大都 以 电磁
式振 动 传感 器为 基 础 ， 用 无 源或 有 源 伺 服 反馈 控 利 制技 术 ， 无源 伺服 式振 动 传感 器 如 ８ １型 、４ Ｂ型 、 ９ ９１
ｆｅ ｅ ｃ ｒ ｓ ｏ ｓ ｏ ｔ ｅ ｅ ｓ ｒ ｒｑ ｎ ｙ ｅ ｐ ｎ ｅ ｆ ｈ ｓ ｎ ｏ ．Ｍ ｅ ｎ ｉｅ，ｓ ｍｅ ｒ ｂｅ ｕ ａ ｗｈ ｌ ｏ ｐ ｏ ｌｍｓ ｈ ｐｎ ｔ ｂ ｓ ｌｅ ｉ ｔｅ ｕ ｕ ｅ ｅｅ ｒ ｈ，ｗｅｅ ｏ ｉｇ ｏ ｅ ｏｖ ｄ ｎ ｈ ｆ ｔ ｒ ｒ ｓ ａｃ ｒ
Ｅ ＡＣ ７ ２ Ｅ；２ ０ Ｅ Ｃ：３ ０ ７ ３
ｄ ｉ１ ． ９ ９ ｊ ｉ ｎ １０ — ６ ９ ２ １ ． ８ ０ ０ ｏ ：０ ３ ６ ／ ．ｓ ．０ ４ １ ９ ． ０ ２ ０ ． １ ｓ
一
种 有 源超 低 频 速 度传 感 器 样 机 的设 计 术
程 丽娜 ， 庆 磊 匙
，
ｅ ｐ ｅ ｓｏ ｒ ｏ ｔｉ ｅ ｘ ｒ ｓｉｎ ｗｅｅ ｂ ａｎ ｄ．Ｔｗｏ ｒ ｔｔｐ ｓ ｐ ｏ ｏｙ ｅ ｗｅｅ ｒｄ ｃ ｄ ｎ ｔｓｅ ．Ｔ ｅ ｘ ｅ ｉ ｎ ａ ｒ ｓ ｌ ｐ ｏ ｅ ｔ ａ ｔ ｒ ｕ ｈ ｒ ｐ ｏ ｕ ｅ ａ ｄ ｅ ｔｄ ｈ ｅ ｐ ｒｍｅ ｔｌ ｅ ｕｔ ｓ ｒｖ ｄ ｈ ｔ ｈ ｏ ｇ
１７ ０ ０
传 感 技 术 学 报 Ｗ Ｗ ｃｉａｒｎｄ ｃｒ．ｏ Ｗ ．ｈｎ ｔ ｓｕ ｅｓ ｅｍ ａ
ｅ／ ｅＫ Ｄ １ Ｔ ｓ ／ ２Ｒ＝ ｌＫ （ ＋ Ｄ） Ｒ
第２ ５卷 （） ３
右， 通过设 计合 理 电子反馈 电路 ， 希望 将传 感器 的 自 振频 率 降低 至 ０ ０ ｚ ．２ Ｈ 。