一種改善低頻特性的振動衝擊複合傳感器的製作方法

2023-10-04 18:34:44 3

專利名稱：一種改善低頻特性的振動衝擊複合傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及工程應用的振動與衝擊共振解調檢測領域，特別是一種改善低頻特性的振動衝擊複合傳感器。
背景技術：
本發明人此前提出過多項關于振動衝擊檢測的傳感器技術專利，例如200710036156. 5 一種磁性安裝的振動衝擊傳感器200710036153.1 一種寬頻帶電荷放大器及其設計方法01233313.1溫度振動數模複合傳感器

200720062217. O 一種同時檢測水平振動和垂直振動與衝擊的複合傳感器200810200735. 3 一種檢測振動衝擊的廣義共振複合傳感器200720065122. 4磁性安裝的振動衝擊傳感器以上述這些已申請的專利技術構成的檢測振動衝擊的複合傳感器，解決了在較為理想條件下和有限需求條件下的振動、衝擊檢測問題。在軌道交通、風力發電等領域故障診斷所需求的振動衝擊傳感器，不同於實驗室用的和固定機械檢測的傳感器，惡劣的使用環境對它提出了更為嚴格的要求例如為了適應在惡劣環境下可靠使用，要求傳感器的電纜和電纜夾具十分堅固，由此而使用的直徑很粗的電纜和傳感器的更大的電纜夾具，使得傳感器的電纜輸出端變得又大又沉重；由於工程現場提供的安裝傳感器的空間限制，卻要求傳感器的體積、質(重)量和外廓尺寸充分減小，這就帶來了傳感器的外廓結構的剛性下降、電纜輸出端相對機器上的安裝端線頭重腳輕的問題。力學分析證明這樣的傳感器必然存在頻率較低的結構共振，使得期望傳感器具有良好的低頻平坦頻率響應以實現低頻振動測量和以高頻廣義共振峰實現衝擊共振解調檢測的要求難以實現。在風力發電領域，葉輪的轉速範圍是有9 20r/min,所引起的振動頻率低達
O.15Hz^0. 33Hz ;發電機轉速達1800r/min，頻率30Hz，但其驅動齒輪的嚙合振動頻率則達到30*22=660Hz ;軌道交通車輛低速運行速度於10km/h時，直徑1. 25m的車輪引起的振動頻率僅O. 7Hz，高速運行速度達500km/h，直徑1. 25m的車輪振動頻率達到36Hz，而驅動齒輪的嚙合振動頻率則達到3. 6kHz，直徑O. 84m的車輪振動頻率達到53Hz，而驅動齒輪的嚙合振動頻率則達到5. 3kHz。上述計算表明對於傳感器的振動測量頻帶達到O. 15Hz飛.3kHz。按照國際慣例規定的通頻帶範圍是增益波動3dB的頻率範圍，本發明提出的要求是通頻帶範圍是增益波動IdB的頻率範圍，同時要求傳感器具有頻率20kHz、增益20dB的高頻廣義共振峰，以滿足實現衝擊共振解調檢測的要求。設按照上述要求設計的傳感器內置的彈簧質量廣義共振諧振系統的諧振器組件的諧振質量M2=3g，彈性元件的彈簧剛度K2=47500000N/m，設置的諧振阻尼n238Ns/m，如附圖1。則諧振器組件的諧振質量M2具有以下諧振特性諧振器組件的諧振質量M2的固有諧振頻率為20kHz，增益為20dB，0到IOkHz以內平坦，在5. 3kHz處的增益為O. 63dB，滿足設計要求，如附圖2。設該傳感器安裝在傳感器底座上的外殼和電纜夾具以及電纜的質量為外殼組件的上蓋質量M3=100g，為了在傳感器內部安裝上述諧振系統和電路板而將傳感器的外殼厚度控制在Imm左右，則其僅有很低的外殼剛度K3=600000N/m，外殼阻尼n3=3Ns/m，如附圖1。則外殼組件的上蓋質量M3具有以下諧振特性外殼組件的上蓋質量M3的固有諧振頻率為389. 9Hz，增益為38. 23dB，如附圖2。理想情況下，傳感器底座質量Ml充分理想地(如附圖3)連接到機器MO時，可以將傳感器底座和機器看成一個整體，設傳感器底座連同機器的總質量Ml+M0=100kg，則諧振器組件的諧振質量M2對機器振動衝擊的響應是理想的在O到5. 3kHz以內有平坦的、5. 3kHz處最大增益為O. 64dB的振動頻率響應，能夠實現寬頻帶的振動監測；在20kHz有增益為20dB的廣義共振響應，以便實現對衝擊的廣義共振變換提取，進而實現共振解調監測，如附圖4。同時外殼組件的上蓋質量M3的諧振特性也未發生變化(如附圖4)。當傳感器未理想連接到機器上時，由於相對傳感器底座質量M1，外殼組件的上蓋質量M3的質量不可忽略，即便設傳感器底座質量Ml高達lOOOg，如附圖5，仍會在傳感器底座質量Ml上產生不可忽略的傳感器底座質量Ml與外殼組件的上蓋質量M3互相作用的頻率特性，且此頻率特性會傳遞到諧振系統的諧振質量M2，使得諧振系統的諧振質量M2振動衝擊之響應發生嚴重的變化，如附圖6 :傳感器的用於檢測衝擊進行廣義共振變換的主諧振為20kHz和20. 81dB增益，尚屬合格；但傳感器的通帶範圍下降到295Hz，在389. 9Hz出現-17. 41dB的零點，在409. 3Hz出現17. 95dB的諧振峰，完全破壞了檢測低頻振動所需的在5. 3kHz以下的頻帶內有增益為OdB和不大於IdB的通帶波動的設計要求。當使用經典的設計方式的用標稱值M315的雙頭螺栓將上述傳感器底座連接到機器上時，由於連接螺栓kl和傳感器底座質量Ml形成了新的彈性質量系統，如附圖7，在傳感器底座質量Ml上產生了頻率為9. 268kHz，增益為37. 41dB的諧振，此諧振傳遞到諧振系統M2，在9. 268kHz出現39. 5dB的諧振峰，並使2. 8kHz之後的增益超過ldB，如附圖8。即便在不存在上述傳感器底座連接影響的前提下，即假定傳感器底座與IOOkg的機器良好地剛性連接時，由於直接將緊固於傳感器上蓋的粗輸出電纜連接到電路板和諧振器組件，而存在從上蓋到內部的諧振器組件的剛度較高的內電纜剛度連接，如附圖9，設內電纜剛度K41 = 700000N/m,則會引起諧振組件的諧振質量M2輸出的頻率響應變化為存在570. 2Hz的6. 276dB的諧振峰和576. 8Hz的-6. 48dB的零點，破壞了所需的在
5.3kHz以下的頻帶內頻率響應偏差不低於IdB的要求，如附圖10-2 ;而主諧振峰則變化到20. 14kHz 19. 82dB，基本符合設計要求，如附圖10-1。因此，使用經典的標稱值M315雙頭螺栓連接和內部用傳感器輸出的粗電纜與諧振器組件連接的傳感器，並不因使用了 200710036153.1 一種寬頻帶電荷放大器及其設計方法等專利技術而能獲得良好的低頻振動檢測功能，為了獲得合格的低頻振動檢測功能，而需要解決傳感器底座對機器因沒有高剛度連接和傳感器內部由於連接電纜具有較高剛度所致的頻率響應問題
發明內容
本發明所要解決的技術問題是，針對現有技術不足，提供一種改善低頻特性的振動衝擊複合傳感器，解決傳感器底座沒有與機器高剛度連接而傳感器內部由於連接電纜具有較高剛度所致的頻率響應問題。為解決上述技術問題，本發明所採用的技術方案是一種改善低頻特性的振動衝擊複合傳感器，含有螺栓的底座I和固定在底座I上的上蓋2，以及固定在所述底座I和所述上蓋2形成的空間內的諧振器組件4和安裝有申請號為200710036153.1 一種寬頻帶電荷放大器及其設計方法電路的柔性PCB5 ;所述諧振器組件4通過標稱值M2. 513的螺栓固定在所述底座I上；所述柔性PCB5固定在所述諧振器組件4上方且與所述諧振器組件4電連接；所述底座I下端設有安裝溫度敏感器件11的開孔13，所述底座I 一側設有貫穿所述底座I上端和開孔13的引線孔14，所述溫度敏感器件11通過引線與所述柔性PCB5下端連接；所述柔性PCB5上端連接有用於傳感器供電和輸出信號的傳感器電纜3，所述傳感器電纜3 —端固定在所述上蓋2內，另一端伸出所述上蓋2 ;所述上蓋2與傳感器電纜3連接處設有密封結構。所述底座I由一塊整體材料(如鋼材、鈦合金、鈹合金、金屬陶瓷等)加工而成；所述底座I下部含有標稱值M8116螺栓，螺栓上端續接倒錐形，倒錐形上部續接圓柱形平臺，倒錐形上端直徑大於螺栓直徑；所述M8116螺栓底部設有開孔13，所述溫度敏感器件11固定在開孔13內，開孔13開口端用底蓋12密封。所述密封結構包括壓蓋7，和所述壓蓋7內部從下至上固定的螺母17、密封膠圈6、銅扣8、止動圈15和傳感器電纜3的保護套管9 ;所述壓蓋7下端固定在所述上蓋2上；所述固定有螺母17、密封膠圈6、銅扣8、止動圈15和傳感器供電和輸出信號的傳感器電纜3的保護套管9均套在所述傳感器供電和輸出信號的傳感器電纜3上；所述密封膠圈6、銅扣
8、止動圈15和傳感器供電和輸出信號的傳感器電纜3的保護套管9均由所述螺母17向上壓緊在所述壓蓋7內部；所述壓蓋7外套有護套16。所述密封結構通過螺母17將所述密封膠圈6、銅扣8、止動圈15和保護套管9向上壓緊在所述壓蓋7內部，將傳感器供電和輸出信號的傳感器電纜3鎖緊並固定在壓蓋7上；再通過所述壓蓋7下端固定在上蓋2上端，使所述傳感器供電和輸出信號的傳感器電纜3通過固定在上蓋2上。所述底座I的螺栓的尺寸為標稱值M12_6g。所述柔性PCB5，直接與所述溫度敏感器件11和所述諧振器組件4連接；所述柔性PCB5包括一個用於連接所述溫度敏感器件的第一連接部52，兩個用於連接所述諧振器組件的第二連接部53，一個用於連接所述傳感器電纜3的第三連接部54，一個用於安裝電路器件的第四連接部55，和起到連接線作用的、將所述第一連接部52、第二連接部53、第三連接部54分別連接到第四連接部55的第五連接部51 ;所述第五連接部51採用雙層PCB結構，一層用於信號傳遞，另一層用於電氣屏蔽；所述第五連接部51在折彎處開有防撕孔56 ；所述第三連接部54和第四連接部55之間的第五連接部51採用C形結構57，使第三連接部54的平面能夠相對第四連接部55的平面垂向移動。與現有技術相比，本發明所具有的有益效果為本發明通過傳感器底座與機器高剛度連接耦合和傳感器內部諧振器組件通過柔性PCB對電纜的低剛度連接，有效地保障了傳感器的寬闊的低頻振動檢測的頻率範圍，保證了進行衝擊共振解調檢測必須的諧振器組件的高頻廣義共振穩定性。為軌道交通、風力發電和其他機械故障診斷提供了一種高可靠性和實用性的工程化振動衝擊複合傳感器機器結構設計實現途徑。


圖1 (a)為諧振組件的彈簧質量系統等效圖；圖1 (b)為外殼組件的彈簧質量系統等效圖；圖2為諧振組件和外殼組件的頻率特性圖；圖3為傳感器底座理想連接機器的彈簧質量系統等效圖；圖4為傳感器底座理想連接機器的傳感器頻率特性圖；圖5為傳感器底座不包括機器質量的彈簧質量系統等效圖；圖6為傳感器底座不包括機器質量的傳感器頻率特性圖；圖7為使用經典M315的雙頭螺栓將傳感器底座連接到機器的彈簧質量系統等效圖；圖8為使用經典M3 M5的雙頭螺栓將傳感器底座連接到機器的傳感器頻率特性圖；圖9為傳感器底座包括機器質量、內電纜剛度高的彈簧質量系統等效圖；圖10-1為傳感器底座包括機器質量、內電纜剛度高的傳感器高頻傳輸特性圖；圖10-2為傳感器底座包括機器質量、內電纜剛度高的傳感器低頻傳輸特性圖；圖11為本發明一實施例結構示意圖；圖12為本發明一實施例柔性PCB示意圖；圖13-1為經典設計方式的傳感器彈簧質量系統等效圖；圖13-2為經典設計方式的傳感器傳輸特性圖；圖14-1為本發明設計方式的傳感器彈簧質量系統等效圖；圖14-2為本發明設計方式的傳感器高頻傳輸特性圖；圖14-3為本發明設計方式的傳感器低頻傳輸特性圖；圖15-1為考慮螺栓剛度的經典方式的彈簧質量系統等效圖；圖15-2為考慮螺栓剛度的經典方式的傳感器高頻傳輸特性圖；圖15-3為考慮螺栓剛度的經典方式的傳感器低頻傳輸特性圖；圖16-1為考慮傳感器底座連接剛度的本發明方式的彈簧質量系統等效圖；圖16-2為考慮傳感器底座連接剛度的本發明方式的傳感器高頻傳輸特性圖；圖16-3為考慮傳感器底座連接剛度的本發明方式的傳感器低頻傳輸特性圖；圖17為本發明一實施例傳感器供電和輸出信號的傳感器電纜密封結構示意圖；圖18為傳感器內部諧振組件結構示意圖。
具體實施例方式如圖11所示，本發明一實施例包括含有螺栓的底座I和固定在底座I上的上蓋2，以及固定在所述底座I和所述上蓋2形成的空間內的諧振器組件4和柔性PCB5 ;所述諧振器組件4通過標稱值M2. 5"M3的螺栓固定在所述底座I上；所述柔性PCB5固定在所述諧振器組件4上方且與所述諧振器組件4電連接；所述底座I下端設有安裝溫度敏感器件11的開孔13，所述底座I 一側設有貫穿所述底座I上端和開孔13的引線孔14，所述溫度敏感器件11通過引線與所述柔性PCB5下端連接；所述柔性PCB5上端連接有用於傳感器供電和輸出信號的傳感器電纜3，所述傳感器電纜3 —端固定在所述上蓋2內，另一端伸出所述上蓋
2;所述上蓋2與傳感器電纜3連接處設有密封結構。所述底座I由一塊整體材料(如鋼材、鈦合金、鈹合金、金屬陶瓷等)加工而成；所述底座I下部含有標稱值M8116螺栓，螺栓上端續接倒錐形，倒錐形上部續接圓柱形平臺，倒錐形上端直徑大於螺栓直徑；所述M8116螺栓底部設有開孔13，所述溫度敏感器件11固定在開孔13內，開孔13開口端用底蓋12密封。所述密封結構包括壓蓋7，和所述壓蓋7內部從下至上固定的螺母17、密封膠圈6、銅扣8、止動圈15和傳感器電纜3的保護套管9 ;所述壓蓋7下端固定在所述上蓋2上；所述固定有螺母17、密封膠圈6、銅扣8、止動圈15和傳感器供電和輸出信號的傳感器電纜3的保護套管9均套在所述傳感器供電和輸出信號的傳感器電纜3上；所述密封膠圈6、銅扣
8、止動圈15和傳感器供電和輸出信號的傳感器電纜3的保護套管9均由所述螺母17向上壓緊在所述壓蓋7內部；所述壓蓋7外套有護套16。所述密封結構通過螺母17將所述密封膠圈6、銅扣8、止動圈15和保護套管9向上壓緊在所述壓蓋7內部，將傳感器供電和輸出信號的傳感器電纜3鎖緊並固定在壓蓋7上；再通過所述壓蓋7下端固定在上蓋2上端，使所述傳感器供電和輸出信號的傳感器電纜3通過固定在上蓋2上。本發明的柔性PCB上的 第四連接部55的電路採用申請號為200710036153.1 一種寬頻帶電荷放大器及其設計方法電路；所述柔性PCB5直接與所述溫度敏感器件11、所述諧振器組件4連接；所述柔性PCB5包括一個用於連接所述溫度敏感器件的第一連接部52，兩個用於連接所述諧振器組件的第二連接部53，一個用於連接所述傳感器電纜3的第三連接部54，一個用於安裝電路器件的第四連接部55，和起到連接線作用的、將所述第一連接部52、第二連接部53、第三連接部54分別連接到第四連接部55的第五連接部51 ;所述第五連接部51採用雙層PCB結構，一層用於信號傳遞，另一層用於電氣屏蔽；所述第五連接部51在折彎處開有防撕孔56 ;所述第三連接部54和第四連接部55之間的第五連接部51採用C形結構57，使第三連接部54的平面能夠相對第四連接部55的平面垂向移動。所述諧振組件4，如附圖18，在底座2上，依次放置第一絕緣片43、柔性PCB的第二電路連接部53第一部分、壓電陶瓷44、柔性PCB的第二電路連接部53第二部分、第二絕緣片46、質量塊42，用套有絕緣套管45的螺紋直徑為2. 5^3mm的螺釘41，通過上述零件中心的孔以大於質量塊M的重力200倍的壓緊力，將上述零件緊固在底座I上。螺釘41的螺杆拉伸剛度K遠低於其它零件的剛度而決定諧振組件的剛度，質量塊42的質量M遠大於其它零件的質量而決定了諧振組件的質量，絕緣片43的阻尼遠大於其它零件的阻尼而決定諧振組件的阻尼，由此構成諧振組件的諧振系統3要素。所述溫度敏感器件11，可以使用公知的電阻溫度傳感器、熱電偶溫度傳感器、TI公司的LM系列溫度傳感器和TMP系列溫度傳感器，以及DS18B20、AD590等。本發明用於在軌道交通、風力發電和其他工程領域檢測振動衝擊和溫度。在工程領域，為了防止電纜折斷、拉斷、磨損、振動疲勞破壞、高溫老化和電氣幹擾而必須提高可靠性，傳感器的電纜必須使用直徑較粗大、外部帶有氟塑料絕緣、內部帶有屏蔽保護層、多條傳輸電線也採用氟塑料絕緣套管包裹的堅固電纜；為了牢固地將傳感器供電和輸出信號的傳感器電纜密封地固定在傳感器上，該傳感器的上蓋必須帶有堅固、牢靠、密封的夾具；由此使得傳感器上蓋的夾具部分質量與電纜質量變得很大，統稱為外殼組件的上蓋質量M3 ;而由於上蓋內部需要預留儘量大的空間以便容納安裝在傳感器底座上的諧振器組件以及安裝有電子電路的PCB，而將上蓋的下部加工成壁厚約1_的圓筒外殼，進而大幅度地降低了上蓋的外殼剛度K3，其外殼阻尼n3=3Ns/m卻很小；結果，上蓋質量M3與傳感器底座質量Ml及外殼剛度K3和外殼阻尼n3組成了外部諧振系統，其諧振頻率是
權利要求
1.一種改善低頻特性的振動衝擊複合傳感器，其特徵在於，包括含有螺栓的底座(I)和固定在底座(I)上的上蓋(2)，以及固定在所述底座(I)和所述上蓋(2)形成的空間內的諧振器組件(4)和柔性PCB (5);所述諧振器組件(4)通過標稱值M2. 513的螺栓固定在所述底座(I)上；所述柔性PCB (5)固定在所述諧振器組件(4)上方且與所述諧振器組件(4)電連接；所述底座(I)下端設有安裝溫度敏感器件(11)的開孔(13)，所述底座(I) 一側設有貫穿所述底座(I)上端和開孔(13)的引線孔(14)，所述溫度敏感器件(11)與所述柔性PCB (5)下端連接；所述柔性PCB (5)上端連接有用於傳感器供電和輸出信號的傳感器電纜(3 )，所述傳感器電纜(3 ) —端固定在所述上蓋(2 )內，另一端伸出所述上蓋(2 );所述上蓋(2 )與傳感器電纜(3 )連接處設有密封結構。
2.根據權利要求1所述的改善低頻特性的振動衝擊複合傳感器，其特徵在於，所述底座(I)由一塊整體材料加工而成；所述底座(I)下部含有標稱值M8116的螺栓，所述螺栓上端續接倒錐形，所述倒錐形上部續接圓柱形平臺，所述倒錐形上端直徑大於螺栓直徑；所述M8116螺栓底部設有開孔(13)，所述溫度敏感器件(11)固定在開孔(13)內，所述開孔(13)的開口端用底蓋(12)密封；所述底座(I)上部圓柱形平臺中心含有標稱值M2. 5^M3的用來安裝諧振組件(4)的螺孔。
3.根據權利要求1所述的改善低頻特性的振動衝擊複合傳感器，其特徵在於，所述密封結構包括壓蓋(7)，和從下至上依次固定在所述壓蓋(7)內部的螺母(17)、密封膠圈(6)、銅扣(8)、止動圈(15)和所述傳感器電纜(3)的保護套管(9);所述壓蓋(7)下端固定在所述上蓋(2)上；所述螺母(17)、密封膠圈(6)、銅扣(8)、止動圈(15)和保護套管(9)均套在所述傳感器電纜(3)上；所述螺母(17)向上壓緊密封膠圈(6)、銅扣(8)、止動圈(15)和保護套管(9)，將傳感器電纜(3)鎖緊並固定在壓蓋(7)上；所述壓蓋(7)和伸出所述上蓋(2)之外的傳感器電纜(3)外套有護套(16)。
4.根據權利要求1所述的改善低頻特性的振動衝擊複合傳感器，其特徵在於，所述柔性PCB (5)包括一個用於連接所述溫度敏感器件的第一連接部(52)，兩個用於連接所述諧振器組件的第二連接部(53)，一個用於連接所述傳感器電纜(3)的第三連接部(54)，一個用於安裝電路器件的第四連接部(55)，和起到連接線作用的、將所述第一連接部(52)、第二連接部(53)、第三連接部(54)分別連接到第四連接部(55)的第五連接部(51);所述第五連接部(51)採用雙層PCB結構，一層用於信號傳遞，另一層用於電氣屏蔽；所述第五連接部(51)在折彎處開有防撕孔(56);所述第三連接部(54)和第四連接部(55)之間的第五連接部(51)採用C形結構(57)。
全文摘要
本發明公開了一種改善低頻特性的振動衝擊複合傳感器，通過傳感器底座與機器高剛度連接耦合和通過柔性PCB對傳感器內部諧振器組件和電纜的低剛度連接，有效地保障了傳感器的寬闊的低頻振動檢測的頻率範圍和保證了進行衝擊共振解調檢測必須的諧振器組件的高頻廣義共振穩定性，為軌道交通、風力發電和其他機械故障診斷提供了一種高可靠性和實用性的工程化振動衝擊複合傳感器及其機器結構設計實現途徑。
文檔編號G01D11/26GK103063384SQ20121055870
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月20日 優先權日2012年12月20日
發明者唐德堯, 張弸 申請人:唐德堯