低频或超低频振动测量套件

《低频或超低频振动测量套件》涉及低频和超低频振动领域，尤其涉及用于对低频或者超低频振动进行测量的传感器及包括该传感器的测量套件。

低频和超低频振动属于自然界中存在面较广的物理现象，如桥梁、大坝、高楼、大型水轮机组等大型结构的环境振动以及地震中的一些振动等都属于低频或超低频振动。这些大型结构一旦发生危险，将会造成不可估量的损失，因此开展低频和超低频振动的研究意义重大。

截至2010年9月，用于低频或超低频振动测量的加速度传感器比较较少，而且使用的低频加速度传感器的振动频率几乎都是在0.5赫兹以上。此外，常用于地震测量的地震计也用于低频或超低频振动测量，但是地震计体积较大，除了特殊场合，不太适合实验室的研究，且多为速度型传感器。

因此，需要一种体积较小的、能够对低频或超低频振动进行精确测量的低频或超低频振动套件。

此套件主要针对于振动计量部门的标准考核和振动量值的传递工作，此套件的出现为振动计量标准提供了一种溯源途径，填补低频或超低频振动计量无合适传递标准的空白。

图1示意性地示出了根据《低频或超低频振动测量套件》实施例的低频或超低频振动测量套件的示意图；

图2示意性地示出了适于在根据该发明的低频或超低频振动测量套件中使用的挠性加速度计的示意图；

图3示意性地示出了适于在根据该发明的低频或超低频振动测量套件中使用的适调放大器的示意图；

图4示意性地示出了根据该发明一个实施例的适调放大器的电路图；

图5示意性地示出了适于在根据该发明的低频或超低频振动测量套件中使用的稳压电源部件的示意图；

图6示意性地示出了根据该发明一个实施例的稳压电源部件的电路图。

2016年12月7日，《低频或超低频振动测量套件》获得第十八届中国专利优秀奖。 2100433B

图1示意性地示出了根据《低频或超低频振动测量套件》实施例的低频或超低频振动测量套件100的示意图。如图1所示，低频或超低频振动测量套件100包括挠性加速度计110、适调放大器120和稳压电源部件130。挠性加速度计110用于感测低频或超低频振动，并根据所感测到的低频或超低频振动产生低频或超低频振动信号。适调放大器120对挠性加速度计110所感测到的低频或超低频振动信号进行放大，可选地还对所感测到的低频或超低频振动信号进行滤波，并输出被放大和滤波的信号。由于低频或超低频振动测量要求适调放大器120本身应具有极低的电路噪声。而普通线性电源的纹波噪声在1～5毫伏左右，中间还夹杂例如为50赫兹的工频干扰，因此如果利用普通电源给适调放大器120提供电源，则对微弱信号的测量非常不利。针对此种情况，根据该发明的稳压电源部件130提供了低噪声和低纹波的稳压电源。利用来自稳压电源部件130的电源，适调放大器120的本底噪声被显著降低了，并且也去除了工频干扰，因此，适调放大器120可以输出准确的低频或超低频振动信号。

可选地，稳压电源部件130也可以给挠性加速度计110提供电源，从而可以减少挠性加速度计110所感测到的低频或超低频振动信号中的噪声，以进一步提高低频或超低频振动测量套件100的精确度。

下面，将结合附图2-6来详细描述低频或超低频振动测量套件100中各个部件。

图2示意性地示出了挠性加速度计110的示意图。如图2所示，挠性加速度计110通常为石英挠性加速度计，但是可以在《低频或超低频振动测量套件》的范围之内应用其他挠性加速度计。挠性加速度计110包括差动电容传感器111、力平衡放大器113、电磁力矩器114和振动信号输出115。如图所示，差动电容传感器111具有位于电容器中间的质量摆112。质量摆112靠挠性平桥（未示出）支撑，它使得加速度计在输入轴方向的刚度最小（近乎呈自由的无约束状态），而在其它方向的刚度极大。因此，当沿着加速度计的输入轴方向有由于振动而导致的加速度作用时，质量摆112的位置发生变化，从而使差动电容传感器111的电容值发生变化。力平衡放大器113耦接到差动电容传感器111，因此可以检测差动电容传感器111的电容值变化，并根据该变化产生再平衡电流加给电磁力矩器114，而电磁力矩器114产生的电磁力矩又使质量摆112回到原来的位置。振动信号输出115耦接到力平衡放大器113以根据再平衡电流来产生代表所感测到的加速度的信号。由于低频或超低频振动会导致挠性加速度计所感测到的加速度的变化，因此，振动信号输出115所产生的信号也代表了低频或超低频振动，并也可以称为低频或超低频振动信号。振动信号输出115可以以电流方式或者电压方式提供低频或超低频振动信号。所有这些方式都在该发明的保护范围之内。

应当注意的是，力平衡放大器113通常为有源放大器，其通常需要电源输入，而电源的稳定性可以影响所产生再平衡电流的稳定性，因此，根据《低频或超低频振动测量套件》的一个实施例，力平衡放大器113也由稳压电源部件130提供电源。

还应当注意的是，虽然图2中给出了挠性加速度计的一个实例，但是该领域技术人员应当理解，《低频或超低频振动测量套件》不限于此，所有可以以电流方式或者电压方式提供低频或超低频振动信号的挠性加速度计都在该发明的保护范围之内。

根据《低频或超低频振动测量套件》的一个实施例，挠性加速度计110的灵敏度为1.2～1.4毫安/克，因此由挠性加速度计110产生的信号微弱。通常使用挠性加速度计110的低频或超低频振动台在振动频率较低时，推力小，受外界如电噪声、噪音和机械噪声等干扰非常严重。因此，如果不采用放大和滤波等手段，由挠性加速度计产生的低频或超低频振动信号将完全淹没在噪声之中。

图3和4示意性地示出了适于在根据《低频或超低频振动测量套件》的低频或超低频振动测量套件中使用的适调放大器120的示意图和特定的电路图。如图3所示，适调放大器120具有用于接收低频或超低频振动信号的输入端121。输入端121可以是接收电流信号的输入端121_1或者接收电压信号的输入端121_2。如果输入信号为电流信号，则适调放大器120还具有耦接到输入端121_1的电流电压变换器122，用于将所接收的电流信号转换为电压信号。

适调放大器120所接收的低频或超低频振动信号具有静态分量和动态分量。静态分量即在没有振动时低频或超低频振动信号的值，一般而言，静态分量不是恰好为零值，而动态信号即在感测到低频或超低频振动时的信号变化，其通常在静态分量值的上下震荡。而对于信号处理而言，消除静态分量，即将信号中的静态分量值降低为零具有明显的优点。为此，适调放大器120还内设有调零电路123。调零电路123提供了电压基准原，其电压值与所接收的电压信号（或者转换后的电压信号）中的静态分量相对应。适调放大器120还包括耦接到输入端121和调零电路123的减法器124。减法器124接收表示低频或超低频振动的电压信号和调零电路123提供的基准电压，并从表示低频或超低频振动的电压信号中减去基准电压以提供待放大的电压信号。此时，待放大的电压信号的静态分量被调整为零，即电压信号变为在零值附近震荡的信号，这特别适合于后续信号处理。

适调放大器120随后包括多级放大器125，其耦接到减法器124的输出端以获取待放大的电压信号并对该电压信号进行放大。可以利用选通开关来选择多级放大器之一来对电压信号进行不同倍数的放大，以适应于不同的应用环境。根据《低频或超低频振动测量套件》的一个实施例并如图4所示，适调放大器120具有5级串联连接的10倍直流放大器125_1，...125_5，每级放大器的输入通过选通开关连接到多级滤波器126的滤波输入端。因此，放大器125可以提供×1、×10、×100、×1000、×10000或者×100000的放大输出，而且可以根据实际应用条件选择上述放大倍数之一。

可选地，多级滤波器126接收被多级放大器125放大后的信号，并对该放大后的信号进行滤波。多级滤波器126可以提供多种滤波方式，以便根据实际应用条件选择滤波方式之一。例如，如参考图4所述的那样，多级滤波器126为二阶多级有源低通滤波器，其可以提供无滤波、0.02赫兹、0.2赫兹、2赫兹或者20赫兹的低通滤波方式。在实际应用中，可以根据具体情况选择适当的滤波方式，以有效滤除低频或超低频振动信号中的噪声。

随后，适调放大器120输出经过多级滤波器126处理的信号作为低频或超低频振动信号。

应当注意的是，在适调放大器120中，有多个部件，例如但不限于调零电路123、多级滤波器126或者电流电压变换器122等都需要电源供应，而低频或超低频振动测量要求适调放大器120本身应具有极低的电路噪声。普通线性电源的纹波噪声在1～5毫伏左右，中间还夹杂50赫兹的工频干扰，这对微弱信号的测量非常不利。因此，需要专门设计的电源部件以向适调放大器120提供低噪声、低纹波的稳压电源。根据《低频或超低频振动测量套件》的一个实施例，稳压电源应当满足在±15伏输出的条件下，纹波峰峰值仅为微伏级。这可以降低适调放大器120的本底噪声，去除50赫兹的工频干扰，为后续的信号处里和测量提供了有力的保证。

图5和图6示意性地示出了适于在根据《低频或超低频振动测量套件》的低频或超低频振动测量套件100中使用的稳压电源部件130的示意图和示例电路图。如图5和图6所示，稳压电源部件130具有输入端131用于接收传统交流电源，如220伏，50赫兹的交流电源。所接收的交流电源经由单相桥式整流电容滤波电路132过滤为直流但是电压波形不稳的电压信号。随后，该电压信号由耦接到电容滤波电路132的一级稳压部件133和耦接到一级稳压部件的二级稳压部件134进行稳压。二级稳压部件134还向一级稳压部件133提供反馈以构成反馈式跟踪稳压电路，由此可以降低电压波动。经过稳压的信号由耦接到二级稳压部件134的π滤波电路135进行进一步处理以去掉信号中的高频噪声。根据该发明的实施例并如图6所示，π滤波电路135具有LC结构，然而其他结构的π滤波电路135也在该发明的保护范围之内。此时所获得的电源信号已经可以较好地满足《该发明的应用。但是为了进一步稳定电源信号的电压幅值，可以再进行一次稳压，即在π滤波电路135之后耦接三级稳压部件136以便进一步对电源电压进行稳压，从而提供纹波噪声小的、纯净稳定的直流电源到电源输出端137。

低频或超低频振动测量套件专利目的

《低频或超低频振动测量套件》提出了一种可以解决上述问题的低频或超低频振动测量套件。

低频或超低频振动测量套件技术方案

《低频或超低频振动测量套件》的发明人发现，2010年9月前在航天系统中使用的、应用于飞行器姿态控制的石英挠性伺服加速度计具有体积小、重量轻、高分辨率和稳定性好等特点，且具有直流响应的特性。如果将该类传感器应用于低频或超低频振动测量，并针对该类传感器设计特定的电源和适调放大器，则可以对低频或超低频振动进行精确的测量。该发明基于上述发现而做出。

根据《低频或超低频振动测量套件》的一个方面，提供了一种低频或超低频振动测量套件，包括：石英挠性加速度计，测量低频或超低频振动并输出以电压或者电流方式表示的低频或超低频振动信号；适调放大器，接收所述石英挠性加速度计输出的低频或超低频振动信号，对所述低频或超低频振动信号进行可选的放大处理并输出经处理的低频或超低频振动信号；以及稳压电源部件，用于为所述适调放大器提供稳压电源，其中所述稳压电源部件包括：电源输入端，以提供输入电源；耦接到所述电源输入端的一级稳压部件以及耦接到所述一级稳压部件的二级稳压部件，所述一级和二级稳压部件构成反馈式跟踪稳压电路，以降低所述输入电源电压的波动；耦接到所述二级稳压部件的LC滤波电路，以进一步过滤所述电源电压中的高频分量；以及电源输出端，输出经稳压的电源给所述适调放大器。

可选地，稳压电源部件的电源输出端还输出经稳压的电源到挠性加速度计。

可选地，稳压电源部件还包括耦接在所述LC滤波电路和所述电源输出端之间的三级稳压部件，用于进一步降低所述电源电压的波动。

可选地，适调放大器还包括：调零电路，接收来自所述稳压电源部件的经稳压的电源，并提供与所述低频或超低频振动信号中的静态分量相对应的调零信号；减法器，接收所述低频或超低频振动信号和所述调零信号，并输出从所述低频或超低频振动信号中减去所述调零信号之后的经调零信号；多级直流放大器，接收所述经调零信号并进行多级直流放大，以提供多个放大后的低频或超低频振动信号；以及多个有源滤波器，接收来自所述稳压电源部件的经稳压的电源，用于对所述放大后的低频或超低频振动信号进行滤波。

低频或超低频振动测量套件改善效果

根据《低频或超低频振动测量套件》的发明人的实验结果表明，根据《低频或超低频振动测量套件》的适调放大器在0.01赫兹～100赫兹的低频或超低频振动范围内取得了较好的测量效果。

1.一种低频或超低频振动测量套件，包括：石英挠性加速度计，测量低频或超低频振动并输出以电压或者电流方式表示的低频或超低频振动信号；适调放大器，接收所述石英挠性加速度计输出的低频或超低频振动信号，对所述低频或超低频振动信号进行可选的放大处理并输出经所述处理后的低频或超低频振动信号；以及稳压电源部件，用于为所述适调放大器提供稳压电源，其中所述稳压电源部件包括：电源输入端，以提供输入电源；耦接到所述电源输入端的一级稳压部件以及耦接到所述一级稳压部件的二级稳压部件，所述一级和二级稳压部件构成反馈式跟踪稳压电路，以降低所述输入电源电压的波动；耦接到所述二级稳压部件的π滤波电路，以进一步过滤所述电源电压中的高频分量；以及电源输出端，输出经稳压的电源给所述适调放大器。

2.如权利要求1所述的低频或超低频振动测量套件，其中所述稳压电源部件的电源输出端还输出经稳压的电源到所述挠性加速度计。

3.如权利要求1所述的低频或超低频振动测量套件，其中所述稳压电源部件还包括：耦接在所述LC滤波电路和所述电源输出端之间的三级稳压部件，用于进一步降低所述电源电压的波动。

4.如权利要求1-3中的任一个所述的低频或超低频振动测量套件，其中所述适调放大器还包括：调零电路，接收来自所述稳压电源部件的经稳压的电源，并提供与所述低频或超低频振动信号中的静态分量相对应的调零信号；以及减法器，接收所述低频或超低频振动信号和所述调零信号，并输出从所述低频或超低频振动信号中减去所述调零信号之后的经调零信号。

5.如权利要求4所述的低频或超低频振动测量套件，其中所述适调放大器还包括：多级直流放大器，接收所述经调零信号并进行多级直流放大，以提供多个放大后的低频或超低频振动信号。

6.如权利要求5所述的低频或超低频振动测量套件，其中所述多级直流放大器分别提供放大1倍、10倍、100倍和1000倍的放大后的低频或超低频振动信号。

7.如权利要求1-6中的任一个所述的低频或超低频振动测量套件，其中所述适调放大器还包括：多个有源滤波器，接收来自所述稳压电源部件的经稳压的电源，用于对所述放大后的低频或超低频振动信号进行滤波。

8.如权利要求7所述的低频或超低频振动测量套件，其中所述多个滤波器用于分别针对0.02赫兹、0.2赫兹、2赫兹和20赫兹的频率进行滤波。

9.如权利要求1-8中的任一项所述的低频或超低频振动测量套件，其中所述挠性加速度计包括：差动电容传感器，其包括处于所述差动电容传感器中间的质量摆，所述质量摆在加速度的作用下发生偏移而导致所述差动电容传感器的电容值发生变化；力平衡放大器，耦接到所述差动电容传感器，并根据所述差动电容传感器的电容值变化而产生再平衡电流；电磁力矩器，耦接到所述差动电容传感器和所述力平衡放大器，接收所述再平衡电流并产生电磁力矩，以导致所述质量摆返回原来位置；信号输出端，耦接到所述力平衡放大器，以输出由所述再平衡电流所表示的低频或超低频振动信号。

10.如权利要求9所述的低频或超低频振动测量套件，其中所述力平衡放大器为有源放大器，并且由所述稳压电源部件提供稳压电源。

低频超低频振动测量技术在大型建筑、航空航天、地球活动等领域的监测中起着举足轻重的作用，电学振动传感器在抗恶劣环境如高温、强电磁干扰等方面受到了一定限制，部分光学类振动传感器在传感装置体积、抗参数交叉敏感、探测最低频率和灵敏度方面还需改进和完善。结合课题组在光纤微加工和光纤低频超低频振动研究方面多年的研究基础，为进一步降低振动传感器的可探测频率、提高振动响应灵敏度和抗干扰能力，申请人提出一种高灵敏度的基于光动力学的微型化全光纤谐振频率扫描式振动传感技术。核心思想是利用光辐射压力和光制热应力来调节微振动传感器的谐振频率，从而实现基于微振动结构的低频和超低频振动测量的高灵敏度读出。该技术的突出优点是将全光纤振动传感器集成在光纤上来实现全光纤振动传感器的微型化；通过谐振频率扫描式的读出机制来实现弱振动的高灵敏度检测和提高抗干扰能力。因此该项目具有很好的学术研究意义和重要的潜在应用价值。

低频超低频振动测量技术在大型建筑、机械设备、航空航天、地球活动等领域起着举足轻重的作用，电学振动传感器在抗恶劣环境如高温、强电磁干扰等方面受到了一定限制，部分光学类振动传感器在传感装置体积、抗参数交叉敏感、探测最低频率和灵敏度方面还需改进和完善。光纤传感技术因其抗电磁干扰、易组网和可远距离测量等优点，已成为低频振动测量技术中最具潜力的传感技术之一，但是对于构成“智能结构”现有的光纤振动传感器还存在一些问题，比如体积大、可探测振动频率范围下限偏高、温度交叉敏感等。 针对现有光纤振动传感器存在的问题，项目按照传感器的微型化、可探测振动频率范围低频化和消除温度交叉敏感的总体思想，分析了振动响应结构的理论模型及其阻尼和谐振频率对响应度的影响，研究了三种不同类型的全光纤微型化的低频超低频振动传感器，并在传感器的设计、制作、优化和环境响应特性测试等方面做了比较系统全面的分析。经过4年的研究完成了如下三个任务：(1). 设计基于微结构光纤和珐珀干涉仪的全光纤点式简支梁型低频超低频振动传感器；(2). 设计并制作带质量块悬臂梁式全光纤低频F-P加速度传感器和基于微结构光纤的摆锤型全光纤点式低频振动传感器；(3).设计制作了一种基于微结构光纤布拉格光栅的振动和温度同时准分布式测量的全光纤传感器。设计制作的传感器集成了微振动梁和质量块结构，可以同时对振动和温度进行准分布式测量，可以有效探测0.5Hz～10Hz的振动，其信噪比高达28dB，为解调振动信息提供了足够保障。同时该传感器的温度特性线性度较好，实验测得在20℃～180℃内，FBGs的温度敏感度分别为8.55pm/℃和8.09pm/℃，该传感器在大型建筑物和机械质量监测应用中具有很大的实用价值。 发表SCI收录论文8篇；培养了2名博士生，6名硕士研究生；全面完成了该项目的预期目标。 2100433B