專(zhuān)利名稱(chēng):伺服式垂直加速度計(jì)的制作方法
本實(shí)用新型涉及一種船用或浮標(biāo)用測(cè)量波浪的垂直加速度計(jì)，特別是一種以差動(dòng)變壓器作為位移敏感元件的高精度的伺服式垂直加速度計(jì)。
現(xiàn)今海浪研究中認(rèn)為海浪是無(wú)限多振幅不等、頻率不同、方向不同、相位雜亂的正弦波疊加而成。海浪表面質(zhì)點(diǎn)作周期性振動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)在不同時(shí)刻具有不同的加速度，因此測(cè)得海浪表面某點(diǎn)的垂直加速度后，經(jīng)二次積分即得波高。我國(guó)以往的船用垂直加速度計(jì)，具有一個(gè)垂直的振動(dòng)系統(tǒng)，即由壓力彈簧、膜片、重錘及機(jī)電轉(zhuǎn)換器的次級(jí)線(xiàn)圈組成的測(cè)量加速度的彈性系統(tǒng)。該加速度計(jì)通過(guò)本身的萬(wàn)向支架安裝在船艏或浮標(biāo)的穩(wěn)定平臺(tái)上，當(dāng)船艏或浮標(biāo)隨波浪起伏時(shí)，彈性系統(tǒng)作垂直振動(dòng)，其位移大小反映了船艏處的加速度變化。由于它屬于開(kāi)環(huán)式傳感器，和采用變壓器式傳感器作為位移敏感元件，因此存在著線(xiàn)性誤差大，穩(wěn)定性差、頻率范圍窄(頻率范圍0.05——0.5HZ)等缺點(diǎn)。另外該船用垂直加速度計(jì)，對(duì)彈性元件和機(jī)電轉(zhuǎn)換器另件精度要求高，如壓力彈簧的線(xiàn)性精度必須在0.5％以下，這對(duì)生產(chǎn)帶來(lái)了困難?！踩铡彻_(kāi)特許公報(bào)(昭58－90175)的加速度計(jì)是屬于伺服式加速度計(jì)，它采用光電敏感器件作為偏位檢測(cè)器，通過(guò)光導(dǎo)纖維與發(fā)光器件和受光器件相連接，該加速度計(jì)對(duì)光電器件、材料以及加工工藝要求很高，且其具體技術(shù)指標(biāo)和應(yīng)用范圍未見(jiàn)報(bào)導(dǎo)。而本實(shí)用新型采用差動(dòng)式變壓器作位移傳感器，采用特殊的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)，作方便，特別具有精度高、易制作、操適于船用或浮標(biāo)上測(cè)量波浪的垂直加速度。
本實(shí)用新型的目的是根據(jù)力平衡式傳感器的原理，采用特殊的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)一種具有高精度、高穩(wěn)定性、交感影響小、動(dòng)態(tài)特性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、零點(diǎn)易調(diào)等優(yōu)點(diǎn)的伺服式垂直測(cè)波加速度計(jì)。
本實(shí)用新型的任務(wù)是以如下方式完成的本伺服式垂直加速度計(jì)的彈性系統(tǒng)在加速度作用下，慣性質(zhì)量由于慣性力的作用偏離了零點(diǎn)位置，具有高靈敏度的位移傳感器——差動(dòng)變壓器檢測(cè)出此位移值，并發(fā)出與此位移值成線(xiàn)性關(guān)系的電訊號(hào)，電訊號(hào)經(jīng)過(guò)伺服放大器向作為反饋交換器的磁電力發(fā)生器供給電流，磁電力發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)與位移值方向相反的電磁力，該力使慣性質(zhì)量趨向零點(diǎn)位置，由于此時(shí)是電磁力加上極小的機(jī)械彈簧的彈性力與引起偏位的慣性力相平衡，所以伺服放大器輸出的電流就是輸入量——加速度的測(cè)量結(jié)果。由于本實(shí)用新型的設(shè)計(jì)基于力平衡式傳感器原理，和采用高靈敏度的差動(dòng)變壓器作為位移敏感元件，(靈敏度為100mv／mm)。本實(shí)用新型的差動(dòng)變壓器設(shè)置于與磁電力發(fā)生器具有同一軸線(xiàn)，柔性很好的彈簧膜片和高的系統(tǒng)剛度，可使傳感器的位移量約束在很小的范圍內(nèi)，因而傳感器的動(dòng)態(tài)特性較之原來(lái)的船用垂直加速度計(jì)好，在正弦激勵(lì)時(shí)，使用的頻率范圍由過(guò)去的0.05——0.5HZ提高到0——2HZ，對(duì)瞬態(tài)時(shí)間輸入信號(hào)能更準(zhǔn)確的復(fù)現(xiàn)。
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步描述附圖1為本實(shí)用新型的原理圖；附圖2為本實(shí)用新型的一種具體結(jié)構(gòu)的縱向剖面圖；附圖3為圖2的伺服式垂直加速度計(jì)A－A橫向剖面圖；附圖4為圖2的伺服式垂直加速度計(jì)B－B橫向剖面圖。
參看附圖1，慣性質(zhì)量(1－2)由于慣性力的作用偏離了零點(diǎn)位置；靈敏度很高的差動(dòng)變壓器(1－1)檢測(cè)出此位移值，并發(fā)出與此位移值成比例的電訊號(hào)，此電訊號(hào)經(jīng)過(guò)伺服放大器(1－5)和一個(gè)微分校正環(huán)節(jié)(α為微分環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)，其目的是提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性)，向作為反饋交換器的磁電式力發(fā)生器(1－3)供給電流，磁電式力發(fā)生器(1－3)產(chǎn)生一個(gè)與位移值方向相反的電磁力，該力使慣性質(zhì)量(1－2)趨向零點(diǎn)位置，由于此時(shí)是電磁力加上極小的機(jī)械彈簧(1－4)的彈性力與引起偏位的慣性力相平衡，所以經(jīng)伺服放大器(1－5)輸出的電流就是輸入量——加速度的測(cè)量結(jié)果。
參看附圖2－4，本實(shí)用新型由上中下三個(gè)部份組成，上部份是以擺蓋(6)為主體，在它的中心孔內(nèi)支承著彈簧(4)，四周裝有4個(gè)絕緣套(28)及6個(gè)焊片(29)用以引出位移傳感器——差動(dòng)變壓器(1－1)的初級(jí)、次級(jí)以及磁電力發(fā)生器力矩線(xiàn)圈的連接線(xiàn)(30)、(32)，其上還裝有防護(hù)蓋(3)和鎖緊螺釘(1)，鎖緊螺釘(1)是用于運(yùn)輸過(guò)程中鎖緊彈性系統(tǒng)，防止運(yùn)輸過(guò)程中損傷傳感器。差動(dòng)變壓器(1－1)是設(shè)置于與磁電力發(fā)生器(1－3)的同一軸線(xiàn)上，差動(dòng)變壓器的外套(25α)是裝于中間部份的中套(9)內(nèi)，差動(dòng)變壓器的鐵芯(8)是空套在測(cè)量軸(5)上，外套(25α)內(nèi)依次裝有線(xiàn)圈密封套(11)、線(xiàn)圈(10)和線(xiàn)圈骨架(25)，絕緣墊圈(27)起壓緊差動(dòng)變壓器外套(25α)的作用，中套(9)的兩端通過(guò)上壓板(27α)和下壓板(12)壓緊上面的膜片(7)和下面的膜片(24α)，測(cè)量軸(5)用兩個(gè)螺母(6α)固定于膜片(24α)、(7)上，測(cè)量軸(5)的中部通過(guò)支承套(26)固定差動(dòng)變壓器鐵芯(8)，它的下端通過(guò)錐銷(xiāo)(24)連接著法蘭盤(pán)(13)，在法蘭盤(pán)(13)上用六個(gè)M2的螺釘螺母固定著力矩線(xiàn)圈(16)的骨架(14)，線(xiàn)圈骨架(14)呈圓筒形，上端面有六個(gè)φ2.2mm的通孔和兩個(gè)與線(xiàn)圓骨架(14)軸線(xiàn)對(duì)稱(chēng)分布的接線(xiàn)柱(23α)。整個(gè)測(cè)量軸(5)以及其上固定的法蘭盤(pán)(13)、力矩線(xiàn)圈骨架(14)、線(xiàn)圈(16)、鐵芯(8)、支承套(26)、鎖緊螺母(6α)、壓圈(31)、調(diào)節(jié)螺帽(2)組成彈性系統(tǒng)的質(zhì)量部份。由0.1mm厚的鈹青銅制造的膜片(7)、(24α)外部呈圓環(huán)形，從圓環(huán)內(nèi)圈伸出勺形片，勺形片端部有一個(gè)與圓環(huán)同心的圓孔分別套裝在測(cè)量軸(5)的上段部份和下端部，對(duì)測(cè)量軸(5)起彈性導(dǎo)軌作用，保證測(cè)量軸(5)沿軸線(xiàn)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。測(cè)量軸(5)的上端通過(guò)調(diào)節(jié)螺帽(2)和壓圈(31)被支承于螺旋彈簧(4)上。由φ0.3mm琴鋼絲材料制作的剛度很小的螺旋彈簧(4)通過(guò)壓圈(31)僅起支承質(zhì)量部份的作用。通過(guò)螺帽(2)可以調(diào)節(jié)測(cè)量軸的高低位置，使差動(dòng)變壓器輸出為零。下部份是磁電力發(fā)生器(1－3)，它是由擺座(22)，與測(cè)量軸(5)下端的法蘭盤(pán)(13)連接的線(xiàn)圈骨架(14)、在線(xiàn)圈骨架(14)下段上繞的線(xiàn)圈(16)、位于線(xiàn)圈骨架(14)下面的極靴(17)、在極靴(17)與線(xiàn)圈骨架(14)之間設(shè)有緩沖器(15)、在極靴(17)下面的永久磁鋼(18)、位于永久磁鋼(18)下面的擺蓋(20)、在擺座(22)與永久磁鋼(18)之間設(shè)有的保持架(19)和在擺蓋(20)與保持架(19)間的密封圈(21)所成。擺座(22)上部是一個(gè)與中套(9)連接的法蘭，該法蘭有六個(gè)均勻分布的直徑為3.5mm的孔，用六個(gè)M3的螺釘把擺座(22)與中套(9)連接起來(lái)，擺座(22)的內(nèi)壁有圓環(huán)形凸臺(tái)α，它與極靴(17)之間形成2.5mm寬的狹縫，由永久磁鋼(18)、擺蓋(20)、擺座(22)、極靴(17)組成磁回路，在該狹縫處具有2700～3000高斯的磁場(chǎng)強(qiáng)度。松開(kāi)上壓板(27α)和下壓板(12)的壓緊螺釘可以調(diào)節(jié)測(cè)量軸(5)的中心，使線(xiàn)圈(16)同心的插入狹縫中。擺座(22)下端面有六個(gè)均勻分布的M2.5的螺孔，通過(guò)螺釘把帶球形面的擺蓋(20)裝于其上，擺蓋(20)的球面半徑與萬(wàn)向支架擺動(dòng)半徑一致。
在上述結(jié)構(gòu)的加速度計(jì)中，當(dāng)加速度作用于測(cè)量軸(5)的軸線(xiàn)方向時(shí)，在慣性力的作用下，測(cè)量軸(5)偏離了零點(diǎn)位置，差動(dòng)變壓器的線(xiàn)圈(10)的次級(jí)即產(chǎn)生與偏位對(duì)應(yīng)的電流信號(hào)，經(jīng)過(guò)伺服放大和微分校正環(huán)節(jié)，輸出一個(gè)與上述電流信號(hào)成比例的電流反饋到磁電力發(fā)生器的力矩線(xiàn)圈(16)中，帶電流的線(xiàn)圈(16)在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生與加速度方向相反的力來(lái)平衡輸入加速度引起的慣性力。同時(shí)經(jīng)伺服放大器輸出的電流與輸入的加速度值成比例，因此用計(jì)算該電流的方法就能知道輸入加速度的大小。
本實(shí)用新型具有如下特點(diǎn)1、采用了三段式結(jié)構(gòu)，使位移敏感元件——差動(dòng)變壓器(1－1)與磁電力發(fā)生器(1－3)安裝在同一軸線(xiàn)上，因此，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、另件加工工藝性好、裝配調(diào)試方便，在測(cè)量軸的上端裝有調(diào)節(jié)螺帽(2)，能容易的調(diào)節(jié)傳感器的零點(diǎn)。
2、彈性膜片(7)、(24α)，起彈性導(dǎo)軌用，固定于測(cè)量軸(5)的下端和上段部份，有較大的相對(duì)距離，對(duì)空套在測(cè)量軸(5)上的鐵芯(8)起限位作用，以防止鐵芯(8)的橫向位移和轉(zhuǎn)動(dòng)，從而提高了測(cè)量軸(5)在慣性力作用下沿軸線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的精度。
3、由于采用剛度很小的螺旋彈簧(4)支承質(zhì)量部份，以及彈性膜片(7)和(24α)作為彈性導(dǎo)軌，這樣的結(jié)構(gòu)消除了運(yùn)動(dòng)部件的摩擦阻力，所以系統(tǒng)的機(jī)械剛度很小，機(jī)械阻尼接近于零。通過(guò)調(diào)節(jié)電參數(shù)達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定性。
4、在極靴(17)和力矩線(xiàn)圈骨架(14)之間，安裝有緩沖橡膠(15)，防止過(guò)載時(shí)測(cè)量系統(tǒng)受到大的沖擊而損壞。
本加速度計(jì)經(jīng)過(guò)中國(guó)計(jì)量院成都分院測(cè)試結(jié)果，其主要技術(shù)指標(biāo)如下線(xiàn)性誤差小于0.3％F.S；分辨率1×10－4g；輸出電壓直流0－4V；水平影響小于垂直加速度3％。
本實(shí)用新型主要用于浮標(biāo)遙測(cè)系統(tǒng)的測(cè)波儀和船用重力測(cè)波儀，也可以用于其他低頻低g的震動(dòng)測(cè)量，如小過(guò)載測(cè)量、地震的監(jiān)測(cè)、橋梁和高層建筑的震幅測(cè)定等。
權(quán)利要求
1.一種用于船上或浮標(biāo)上測(cè)量波浪的伺服式垂直加速度計(jì)，由彈性系統(tǒng)、位移傳感器、伺服放大系統(tǒng)、磁電力發(fā)生器和殼體等組成，其特征在于該伺服式垂直加速度計(jì)的位移傳感器是設(shè)置于與磁電力發(fā)生器(1-3)具有同一軸線(xiàn)上的差動(dòng)式變壓器(1-1)。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的加速度計(jì)，其特征在于差動(dòng)變壓器的靈敏度為100mv／mm，其鐵芯是空套在測(cè)量軸(5)上的圓筒形鐵芯(8)。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的加速度計(jì)，其特征在于彈性系統(tǒng)中的測(cè)量軸(5)的上段部份和下端部分別套裝于膜片(7)、(24a)上，測(cè)量軸(5)的上端通過(guò)調(diào)節(jié)螺帽(2)和壓圈(31)被支承于螺旋彈簧(4)上。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1或3所述的加速度計(jì)，其特征在于膜片(7)、(24a)的外部呈圓環(huán)形，從圓環(huán)內(nèi)圈伸出勺形片，勺形片的端部有一個(gè)與外部圓環(huán)同心的圓孔。
5.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的加速度計(jì)，其特征在于磁電力發(fā)生器(1－3)是由擺座(22)、裝于測(cè)量軸(5)下端法蘭盤(pán)(13)上的線(xiàn)圈骨架(14)、在線(xiàn)圈骨架(14)下段上繞有的線(xiàn)圈(16)、位于線(xiàn)圈骨架(14)下面的極靴(17)、在極靴(17)與線(xiàn)圈骨架(14)之間設(shè)有的圓柱形的緩沖器(15)、在極靴(17)下面的磁鋼(18)、位于磁鋼(18)下面的擺蓋(20)、在擺座(22)與磁鋼(18)之間設(shè)有的保持架(19)和保持架(19)與擺蓋(20)之間的密封圈(21)所組成。
6.根據(jù)權(quán)利要求
5所述的加速度計(jì)，其特征在于擺座(22)的內(nèi)壁有圓環(huán)形凸臺(tái)a，該凸臺(tái)a與極靴(17)之間形成狹縫的寬度為2.5mm，狹縫處的磁場(chǎng)強(qiáng)度為2700～3000高斯。
專(zhuān)利摘要
一種船用或浮標(biāo)用的測(cè)量波浪的伺服式垂直加速度計(jì)，采用靈敏度為100mV/mm的差動(dòng)變壓器作為位移傳感器。當(dāng)彈性系統(tǒng)中的慣性質(zhì)量偏離零點(diǎn)位置，差動(dòng)變壓器發(fā)出與位移成線(xiàn)性關(guān)系的電訊號(hào)，該電訊號(hào)經(jīng)伺服放大器向作為反饋交換器的磁電力發(fā)生器供給電流，磁電力發(fā)生器則產(chǎn)生與位移方向相反的電磁力，使慣性質(zhì)量趨于零點(diǎn)位置。此時(shí)伺服放大器輸出電流與輸入的加速度成比例。故經(jīng)過(guò)電路處理即可測(cè)量海浪的有關(guān)參數(shù)。該加速度計(jì)的分辨率為1×10
文檔編號(hào)G01P15/08GK87205054SQ87205054
公開(kāi)日1988年3月2日 申請(qǐng)日期1987年5月27日
發(fā)明者杜貴樞, 馬牧 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院成都科儀廠(chǎng)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan