基于磁阻尼的超低頻絕對振動傳感器機理研究

夏 燦，余水寶，黃相平

（浙江師范大學，浙江 金華 321004）

超低頻絕對振動是指振動頻率在1 Hz及以下的相對于慣性空間沒有靜止參考點（即基準）的振動，如空中飛機和海上船舶的顛簸、地震波動以及大型鐵路橋梁的晃動等[1]。由于絕對振動在測量時難以找到靜止參照基準，同時振動頻率低，傳感器的機械固有頻率難以做到足夠低，其輸出信號極其微弱，信噪比低，因此對于其測量至今仍是工程測試領域的難題之一。目前國內外對超低頻絕對振動測量的研究也不乏研究者，如參考文獻[1]的學者提出采用頻響展寬的方法來改善傳感器的性能，雖取得良好的成效，但頻率下限和體積仍有局限。此外，國內外也有研究者通過增大慣性質量塊的質量來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

低頻絕對振動測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典型的 “質量-阻尼-彈簧”單自由度振動系統，如圖1所示。

圖1 普通磁電式速度傳感器的力學模型

其傳遞函數、角頻率和阻尼系數可表示為：

式中ω0為傳感器的固有角頻率，ξ0為阻尼系數。

由傳感器的力學原理可知[3]，僅當傳感器的固有頻率比被測物體的頻率低很多時，慣性質量塊才可以作為“靜止”基準，或者說為使傳感器在測量超低頻絕對振動時的輸出信號有一定的信噪比，傳感器的固有頻率應足夠低。然而由于材料及機械結構的限制，用彈簧模片支撐質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]。在重力場中垂直使用的傳感器，彈簧的位移y與質量塊m和彈性系數k的關系為：

式中g為重力加速度常量。由式（4）易知，當f0取5 Hz時，慣性質量塊與殼體間的相對位移接近1 cm；而當f0取1 Hz時，相對位移達25 cm，這在傳感器有限的空間內是不可能實現的。因此要直接檢測超低頻絕對振動，磁電式速度傳感器存在機械結構上的固有缺陷[2]。

從式（2）可以看出，減小彈簧彈性系數 k和增大質量塊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k，彈簧本身就會變得很軟很 “嬌氣”，k越小，彈簧的靜態位移越大，在感受振動即便是微小的振動時，彈簧自身就會“振動”不止，從而影響測量精度；此外，當傳感器由一個地方運輸到其他地點時，由于運輸過程中的顛簸和自身的“振動”，彈性系數k的大小也會受“損”而改變；如果采用增加慣性體質量m，固然可以提高傳感器在低頻段的靈敏度，但此時傳感器的體積、重量將大大增加，在一定程度上會影響振動體本身的振動特性，從而降低測量可信度。所以，目前直接用這種傳感器測量超低頻絕對振動仍存在著一定的難度。

2 基于磁阻尼的超低頻絕對振動檢測機理

鑒于上述傳感器的體積和頻率下限等問題，本文介紹了一種利用2塊磁鐵同名端之間的斥力來代替彈簧力的超低頻絕對振動檢測新機理，即用剛性的永久磁鐵代替柔性的彈簧，用磁場力代替彈性力，調節磁鐵間的距離來調節彈性力（磁阻尼）的大小，進而改變傳感器的固有頻率，同時傳感器體積也可以做得更小。將這種基于磁場力系統取名為“磁阻尼”系統。在磁阻尼系統中，由于彈簧已被替換，則無需考慮在機械阻尼中彈簧受重力場的作用而不能運輸的問題，使之更好地適應其在工程上的應用。

基于此機理的傳感器，由2塊永久磁鐵構成，一塊固定在傳感器外殼底部，另一塊（慣性質量塊）依托磁場斥力懸浮在上方，在懸浮磁鐵外圍繞有線圈。當感受到外界振動時，外殼被迫振動，懸浮磁鐵由于慣性作用相對“靜止”，此時，兩磁鐵間的距離減小，斥力增強，迫使懸浮磁鐵向上運動，線圈做切割磁感線運動，產生感應電動勢。如圖2所示。

懸浮磁鐵（慣性質量塊m）在磁場力和重力作用下處于平衡位置，設系統磁場強度為B，平衡時相距為r0，即

圖2 基于磁阻尼的超低頻絕對振動檢測的結構圖

當振動系統感受到外界振動時，懸浮磁鐵m偏離平衡位置的位移為x，即

式中，μ0為常數。由式（6）可知，該系統具有加速度特性，經二次積分可獲得相應的位移信息。

3 實驗測試

由于實驗室條件有限，無法對本傳感器的性能指標進行全面測試，只對該傳感器的靈敏度和頻率響應做如下的簡易測試。利用1只1.5 V、轉速15 r/min的微型電機，搭建了一個簡易的振動臺，通過精確計算設計響應的凸輪，用于模擬產生正弦振動，供傳感器檢測。裝置照片如圖3所示，示波器檢測到的波形如圖4所示。峰峰值為1.90 V，頻率為239.1 mHz。由于振動臺制作過程中其機械精度較難達到預期，所以圖形中有毛刺，且由于凸輪在精雕過程中有瑕疵，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，右一為自制振動臺）

圖4 示波器顯示波形

基于磁阻尼超低頻絕對振動傳感器的機理，解決了傳感器體積大、頻率下限不夠低以及不便于運輸等問題。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。振動臺使用的微型電機頻率為0.25 Hz，可見本文所介紹的傳感器具有較低的頻率下限，足夠實現超低頻段信號的測量。同時由于磁場間的楞次定律，系統可避免一些不正常的振動帶來的誤差，從而使系統性能穩定性增加，便于運輸。

但該傳感器仍存在一些不足。由于實驗中電機和放大濾波電路同時由一路電源供電，導致測量響應信號不穩定。可嘗試增加兩級積分電路，從而得到更好波形。懸浮磁鐵（即慣性質量塊）運動復雜，需要先進行解耦分析，再通過計算機，將采集到的信號進行智能處理，并擬合出相應的幅頻特性及相頻特性曲線。

[1]余水寶.基于選頻補償的磁電式速度傳感器頻響展寬研究[J].傳感技術學報，1999（3）：201-205.

[2]余水寶.一種測量超低頻絕對振動的新方法[J].電子測量與儀器學報，1998（2）：7-12.

[3]余水寶.超低頻絕對振動傳感器傳遞函數優化技術研究[J].儀器儀表學報，2006（8）：940-942.

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