专利名称：一种改善低频特性的振动冲击复合传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及工程应用的振动与冲击共振解调检测领域，特别是一种改善低频特性的振动冲击复合传感器。
背景技术：
本发明人此前提出过多项关于振动冲击检测的传感器技术专利，例如200710036156. 5 一种磁性安装的振动冲击传感器200710036153.1 一种宽频带电荷放大器及其设计方法01233313.1温度振动数模复合传感器

200720062217. O 一种同时检测水平振动和垂直振动与冲击的复合传感器200810200735. 3 一种检测振动冲击的广义共振复合传感器200720065122. 4磁性安装的振动冲击传感器以上述这些已申请的专利技术构成的检测振动冲击的复合传感器，解决了在较为理想条件下和有限需求条件下的振动、冲击检测问题。在轨道交通、风力发电等领域故障诊断所需求的振动冲击传感器，不同于实验室用的和固定机械检测的传感器，恶劣的使用环境对它提出了更为严格的要求例如为了适应在恶劣环境下可靠使用，要求传感器的电缆和电缆夹具十分坚固，由此而使用的直径很粗的电缆和传感器的更大的电缆夹具，使得传感器的电缆输出端变得又大又沉重；由于工程现场提供的安装传感器的空间限制，却要求传感器的体积、质(重)量和外廓尺寸充分减小，这就带来了传感器的外廓结构的刚性下降、电缆输出端相对机器上的安装端线头重脚轻的问题。力学分析证明这样的传感器必然存在频率较低的结构共振，使得期望传感器具有良好的低频平坦频率响应以实现低频振动测量和以高频广义共振峰实现冲击共振解调检测的要求难以实现。在风力发电领域，叶轮的转速范围是有9 20r/min,所引起的振动频率低达
O.15Hz^0. 33Hz ;发电机转速达1800r/min，频率30Hz，但其驱动齿轮的啮合振动频率则达到30*22=660Hz ;轨道交通车辆低速运行速度于10km/h时，直径1. 25m的车轮引起的振动频率仅O. 7Hz，高速运行速度达500km/h，直径1. 25m的车轮振动频率达到36Hz，而驱动齿轮的啮合振动频率则达到3. 6kHz，直径O. 84m的车轮振动频率达到53Hz，而驱动齿轮的啮合振动频率则达到5. 3kHz。上述计算表明对于传感器的振动测量频带达到O. 15Hz飞.3kHz。按照国际惯例规定的通频带范围是增益波动3dB的频率范围，本发明提出的要求是通频带范围是增益波动IdB的频率范围，同时要求传感器具有频率20kHz、增益20dB的高频广义共振峰，以满足实现冲击共振解调检测的要求。设按照上述要求设计的传感器内置的弹簧质量广义共振谐振系统的谐振器组件的谐振质量M2=3g，弹性元件的弹簧刚度K2=47500000N/m，设置的谐振阻尼n238Ns/m，如附图1。则谐振器组件的谐振质量M2具有以下谐振特性谐振器组件的谐振质量M2的固有谐振频率为20kHz，增益为20dB，0到IOkHz以内平坦，在5. 3kHz处的增益为O. 63dB，满足设计要求，如附图2。设该传感器安装在传感器底座上的外壳和电缆夹具以及电缆的质量为外壳组件的上盖质量M3=100g，为了在传感器内部安装上述谐振系统和电路板而将传感器的外壳厚度控制在Imm左右，则其仅有很低的外壳刚度K3=600000N/m，外壳阻尼n3=3Ns/m，如附图1。则外壳组件的上盖质量M3具有以下谐振特性外壳组件的上盖质量M3的固有谐振频率为389. 9Hz，增益为38. 23dB，如附图2。理想情况下，传感器底座质量Ml充分理想地(如附图3)连接到机器MO时，可以将传感器底座和机器看成一个整体，设传感器底座连同机器的总质量Ml+M0=100kg，则谐振器组件的谐振质量M2对机器振动冲击的响应是理想的在O到5. 3kHz以内有平坦的、5. 3kHz处最大增益为O. 64dB的振动频率响应，能够实现宽频带的振动监测；在20kHz有增益为20dB的广义共振响应，以便实现对冲击的广义共振变换提取，进而实现共振解调监测，如附图4。同时外壳组件的上盖质量M3的谐振特性也未发生变化(如附图4)。当传感器未理想连接到机器上时，由于相对传感器底座质量M1，外壳组件的上盖质量M3的质量不可忽略，即便设传感器底座质量Ml高达lOOOg，如附图5，仍会在传感器底座质量Ml上产生不可忽略的传感器底座质量Ml与外壳组件的上盖质量M3互相作用的频率特性，且此频率特性会传递到谐振系统的谐振质量M2，使得谐振系统的谐振质量M2振动冲击之响应发生严重的变化，如附图6 :传感器的用于检测冲击进行广义共振变换的主谐振为20kHz和20. 81dB增益，尚属合格；但传感器的通带范围下降到295Hz，在389. 9Hz出现-17. 41dB的零点，在409. 3Hz出现17. 95dB的谐振峰，完全破坏了检测低频振动所需的在5. 3kHz以下的频带内有增益为OdB和不大于IdB的通带波动的设计要求。当使用经典的设计方式的用标称值M315的双头螺栓将上述传感器底座连接到机器上时，由于连接螺栓kl和传感器底座质量Ml形成了新的弹性质量系统，如附图7，在传感器底座质量Ml上产生了频率为9. 268kHz，增益为37. 41dB的谐振，此谐振传递到谐振系统M2，在9. 268kHz出现39. 5dB的谐振峰，并使2. 8kHz之后的增益超过ldB，如附图8。即便在不存在上述传感器底座连接影响的前提下，即假定传感器底座与IOOkg的机器良好地刚性连接时，由于直接将紧固于传感器上盖的粗输出电缆连接到电路板和谐振器组件，而存在从上盖到内部的谐振器组件的刚度较高的内电缆刚度连接，如附图9，设内电缆刚度K41 = 700000N/m,则会引起谐振组件的谐振质量M2输出的频率响应变化为存在570. 2Hz的6. 276dB的谐振峰和576. 8Hz的-6. 48dB的零点，破坏了所需的在
5.3kHz以下的频带内频率响应偏差不低于IdB的要求，如附图10-2 ;而主谐振峰则变化到20. 14kHz 19. 82dB，基本符合设计要求，如附图10-1。因此，使用经典的标称值M315双头螺栓连接和内部用传感器输出的粗电缆与谐振器组件连接的传感器，并不因使用了 200710036153.1 一种宽频带电荷放大器及其设计方法等专利技术而能获得良好的低频振动检测功能，为了获得合格的低频振动检测功能，而需要解决传感器底座对机器因没有高刚度连接和传感器内部由于连接电缆具有较高刚度所致的频率响应问题
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种改善低频特性的振动冲击复合传感器，解决传感器底座没有与机器高刚度连接而传感器内部由于连接电缆具有较高刚度所致的频率响应问题。为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是一种改善低频特性的振动冲击复合传感器，含有螺栓的底座I和固定在底座I上的上盖2，以及固定在所述底座I和所述上盖2形成的空间内的谐振器组件4和安装有申请号为200710036153.1 一种宽频带电荷放大器及其设计方法电路的柔性PCB5 ;所述谐振器组件4通过标称值M2. 513的螺栓固定在所述底座I上；所述柔性PCB5固定在所述谐振器组件4上方且与所述谐振器组件4电连接；所述底座I下端设有安装温度敏感器件11的开孔13，所述底座I 一侧设有贯穿所述底座I上端和开孔13的引线孔14，所述温度敏感器件11通过引线与所述柔性PCB5下端连接；所述柔性PCB5上端连接有用于传感器供电和输出信号的传感器电缆3，所述传感器电缆3 —端固定在所述上盖2内，另一端伸出所述上盖2 ;所述上盖2与传感器电缆3连接处设有密封结构。所述底座I由一块整体材料(如钢材、钛合金、铍合金、金属陶瓷等)加工而成；所述底座I下部含有标称值M8116螺栓，螺栓上端续接倒锥形，倒锥形上部续接圆柱形平台，倒锥形上端直径大于螺栓直径；所述M8116螺栓底部设有开孔13，所述温度敏感器件11固定在开孔13内，开孔13开口端用底盖12密封。所述密封结构包括压盖7，和所述压盖7内部从下至上固定的螺母17、密封胶圈6、铜扣8、止动圈15和传感器电缆3的保护套管9 ;所述压盖7下端固定在所述上盖2上；所述固定有螺母17、密封胶圈6、铜扣8、止动圈15和传感器供电和输出信号的传感器电缆3的保护套管9均套在所述传感器供电和输出信号的传感器电缆3上；所述密封胶圈6、铜扣
8、止动圈15和传感器供电和输出信号的传感器电缆3的保护套管9均由所述螺母17向上压紧在所述压盖7内部；所述压盖7外套有护套16。所述密封结构通过螺母17将所述密封胶圈6、铜扣8、止动圈15和保护套管9向上压紧在所述压盖7内部，将传感器供电和输出信号的传感器电缆3锁紧并固定在压盖7上；再通过所述压盖7下端固定在上盖2上端，使所述传感器供电和输出信号的传感器电缆3通过固定在上盖2上。所述底座I的螺栓的尺寸为标称值M12_6g。所述柔性PCB5，直接与所述温度敏感器件11和所述谐振器组件4连接；所述柔性PCB5包括一个用于连接所述温度敏感器件的第一连接部52，两个用于连接所述谐振器组件的第二连接部53，一个用于连接所述传感器电缆3的第三连接部54，一个用于安装电路器件的第四连接部55，和起到连接线作用的、将所述第一连接部52、第二连接部53、第三连接部54分别连接到第四连接部55的第五连接部51 ;所述第五连接部51采用双层PCB结构，一层用于信号传递，另一层用于电气屏蔽；所述第五连接部51在折弯处开有防撕孔56 ；所述第三连接部54和第四连接部55之间的第五连接部51采用C形结构57，使第三连接部54的平面能够相对第四连接部55的平面垂向移动。与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为本发明通过传感器底座与机器高刚度连接耦合和传感器内部谐振器组件通过柔性PCB对电缆的低刚度连接，有效地保障了传感器的宽阔的低频振动检测的频率范围，保证了进行冲击共振解调检测必须的谐振器组件的高频广义共振稳定性。为轨道交通、风力发电和其他机械故障诊断提供了一种高可靠性和实用性的工程化振动冲击复合传感器机器结构设计实现途径。


图1 (a)为谐振组件的弹簧质量系统等效图；图1 (b)为外壳组件的弹簧质量系统等效图；图2为谐振组件和外壳组件的频率特性图；图3为传感器底座理想连接机器的弹簧质量系统等效图；图4为传感器底座理想连接机器的传感器频率特性图；图5为传感器底座不包括机器质量的弹簧质量系统等效图；图6为传感器底座不包括机器质量的传感器频率特性图；图7为使用经典M315的双头螺栓将传感器底座连接到机器的弹簧质量系统等效图；图8为使用经典M3 M5的双头螺栓将传感器底座连接到机器的传感器频率特性图；图9为传感器底座包括机器质量、内电缆刚度高的弹簧质量系统等效图；图10-1为传感器底座包括机器质量、内电缆刚度高的传感器高频传输特性图；图10-2为传感器底座包括机器质量、内电缆刚度高的传感器低频传输特性图；图11为本发明一实施例结构示意图；图12为本发明一实施例柔性PCB示意图；图13-1为经典设计方式的传感器弹簧质量系统等效图；图13-2为经典设计方式的传感器传输特性图；图14-1为本发明设计方式的传感器弹簧质量系统等效图；图14-2为本发明设计方式的传感器高频传输特性图；图14-3为本发明设计方式的传感器低频传输特性图；图15-1为考虑螺栓刚度的经典方式的弹簧质量系统等效图；图15-2为考虑螺栓刚度的经典方式的传感器高频传输特性图；图15-3为考虑螺栓刚度的经典方式的传感器低频传输特性图；图16-1为考虑传感器底座连接刚度的本发明方式的弹簧质量系统等效图；图16-2为考虑传感器底座连接刚度的本发明方式的传感器高频传输特性图；图16-3为考虑传感器底座连接刚度的本发明方式的传感器低频传输特性图；图17为本发明一实施例传感器供电和输出信号的传感器电缆密封结构示意图；图18为传感器内部谐振组件结构示意图。
具体实施例方式如图11所示，本发明一实施例包括含有螺栓的底座I和固定在底座I上的上盖2，以及固定在所述底座I和所述上盖2形成的空间内的谐振器组件4和柔性PCB5 ;所述谐振器组件4通过标称值M2. 5"M3的螺栓固定在所述底座I上；所述柔性PCB5固定在所述谐振器组件4上方且与所述谐振器组件4电连接；所述底座I下端设有安装温度敏感器件11的开孔13，所述底座I 一侧设有贯穿所述底座I上端和开孔13的引线孔14，所述温度敏感器件11通过引线与所述柔性PCB5下端连接；所述柔性PCB5上端连接有用于传感器供电和输出信号的传感器电缆3，所述传感器电缆3 —端固定在所述上盖2内，另一端伸出所述上盖
2;所述上盖2与传感器电缆3连接处设有密封结构。所述底座I由一块整体材料(如钢材、钛合金、铍合金、金属陶瓷等)加工而成；所述底座I下部含有标称值M8116螺栓，螺栓上端续接倒锥形，倒锥形上部续接圆柱形平台，倒锥形上端直径大于螺栓直径；所述M8116螺栓底部设有开孔13，所述温度敏感器件11固定在开孔13内，开孔13开口端用底盖12密封。所述密封结构包括压盖7，和所述压盖7内部从下至上固定的螺母17、密封胶圈6、铜扣8、止动圈15和传感器电缆3的保护套管9 ;所述压盖7下端固定在所述上盖2上；所述固定有螺母17、密封胶圈6、铜扣8、止动圈15和传感器供电和输出信号的传感器电缆3的保护套管9均套在所述传感器供电和输出信号的传感器电缆3上；所述密封胶圈6、铜扣
8、止动圈15和传感器供电和输出信号的传感器电缆3的保护套管9均由所述螺母17向上压紧在所述压盖7内部；所述压盖7外套有护套16。所述密封结构通过螺母17将所述密封胶圈6、铜扣8、止动圈15和保护套管9向上压紧在所述压盖7内部，将传感器供电和输出信号的传感器电缆3锁紧并固定在压盖7上；再通过所述压盖7下端固定在上盖2上端，使所述传感器供电和输出信号的传感器电缆3通过固定在上盖2上。本发明的柔性PCB上的 第四连接部55的电路采用申请号为200710036153.1 一种宽频带电荷放大器及其设计方法电路；所述柔性PCB5直接与所述温度敏感器件11、所述谐振器组件4连接；所述柔性PCB5包括一个用于连接所述温度敏感器件的第一连接部52，两个用于连接所述谐振器组件的第二连接部53，一个用于连接所述传感器电缆3的第三连接部54，一个用于安装电路器件的第四连接部55，和起到连接线作用的、将所述第一连接部52、第二连接部53、第三连接部54分别连接到第四连接部55的第五连接部51 ;所述第五连接部51采用双层PCB结构，一层用于信号传递，另一层用于电气屏蔽；所述第五连接部51在折弯处开有防撕孔56 ;所述第三连接部54和第四连接部55之间的第五连接部51采用C形结构57，使第三连接部54的平面能够相对第四连接部55的平面垂向移动。所述谐振组件4，如附图18，在底座2上，依次放置第一绝缘片43、柔性PCB的第二电路连接部53第一部分、压电陶瓷44、柔性PCB的第二电路连接部53第二部分、第二绝缘片46、质量块42，用套有绝缘套管45的螺纹直径为2. 5^3mm的螺钉41，通过上述零件中心的孔以大于质量块M的重力200倍的压紧力，将上述零件紧固在底座I上。螺钉41的螺杆拉伸刚度K远低于其它零件的刚度而决定谐振组件的刚度，质量块42的质量M远大于其它零件的质量而决定了谐振组件的质量，绝缘片43的阻尼远大于其它零件的阻尼而决定谐振组件的阻尼，由此构成谐振组件的谐振系统3要素。所述温度敏感器件11，可以使用公知的电阻温度传感器、热电偶温度传感器、TI公司的LM系列温度传感器和TMP系列温度传感器，以及DS18B20、AD590等。本发明用于在轨道交通、风力发电和其他工程领域检测振动冲击和温度。在工程领域，为了防止电缆折断、拉断、磨损、振动疲劳破坏、高温老化和电气干扰而必须提高可靠性，传感器的电缆必须使用直径较粗大、外部带有氟塑料绝缘、内部带有屏蔽保护层、多条传输电线也采用氟塑料绝缘套管包裹的坚固电缆；为了牢固地将传感器供电和输出信号的传感器电缆密封地固定在传感器上，该传感器的上盖必须带有坚固、牢靠、密封的夹具；由此使得传感器上盖的夹具部分质量与电缆质量变得很大，统称为外壳组件的上盖质量M3 ;而由于上盖内部需要预留尽量大的空间以便容纳安装在传感器底座上的谐振器组件以及安装有电子电路的PCB，而将上盖的下部加工成壁厚约1_的圆筒外壳，进而大幅度地降低了上盖的外壳刚度K3，其外壳阻尼n3=3Ns/m却很小；结果，上盖质量M3与传感器底座质量Ml及外壳刚度K3和外壳阻尼n3组成了外部谐振系统，其谐振频率是
权利要求
1.一种改善低频特性的振动冲击复合传感器，其特征在于，包括含有螺栓的底座(I)和固定在底座(I)上的上盖(2)，以及固定在所述底座(I)和所述上盖(2)形成的空间内的谐振器组件(4)和柔性PCB (5);所述谐振器组件(4)通过标称值M2. 513的螺栓固定在所述底座(I)上；所述柔性PCB (5)固定在所述谐振器组件(4)上方且与所述谐振器组件(4)电连接；所述底座(I)下端设有安装温度敏感器件(11)的开孔(13)，所述底座(I) 一侧设有贯穿所述底座(I)上端和开孔(13)的引线孔(14)，所述温度敏感器件(11)与所述柔性PCB (5)下端连接；所述柔性PCB (5)上端连接有用于传感器供电和输出信号的传感器电缆(3 )，所述传感器电缆(3 ) —端固定在所述上盖(2 )内，另一端伸出所述上盖(2 );所述上盖(2 )与传感器电缆(3 )连接处设有密封结构。
2.根据权利要求1所述的改善低频特性的振动冲击复合传感器，其特征在于，所述底座(I)由一块整体材料加工而成；所述底座(I)下部含有标称值M8116的螺栓，所述螺栓上端续接倒锥形，所述倒锥形上部续接圆柱形平台，所述倒锥形上端直径大于螺栓直径；所述M8116螺栓底部设有开孔(13)，所述温度敏感器件(11)固定在开孔(13)内，所述开孔(13)的开口端用底盖(12)密封；所述底座(I)上部圆柱形平台中心含有标称值M2. 5^M3的用来安装谐振组件(4)的螺孔。
3.根据权利要求1所述的改善低频特性的振动冲击复合传感器，其特征在于，所述密封结构包括压盖(7)，和从下至上依次固定在所述压盖(7)内部的螺母(17)、密封胶圈(6)、铜扣(8)、止动圈(15)和所述传感器电缆(3)的保护套管(9);所述压盖(7)下端固定在所述上盖(2)上；所述螺母(17)、密封胶圈(6)、铜扣(8)、止动圈(15)和保护套管(9)均套在所述传感器电缆(3)上；所述螺母(17)向上压紧密封胶圈(6)、铜扣(8)、止动圈(15)和保护套管(9)，将传感器电缆(3)锁紧并固定在压盖(7)上；所述压盖(7)和伸出所述上盖(2)之外的传感器电缆(3)外套有护套(16)。
4.根据权利要求1所述的改善低频特性的振动冲击复合传感器，其特征在于，所述柔性PCB (5)包括一个用于连接所述温度敏感器件的第一连接部(52)，两个用于连接所述谐振器组件的第二连接部(53)，一个用于连接所述传感器电缆(3)的第三连接部(54)，一个用于安装电路器件的第四连接部(55)，和起到连接线作用的、将所述第一连接部(52)、第二连接部(53)、第三连接部(54)分别连接到第四连接部(55)的第五连接部(51);所述第五连接部(51)采用双层PCB结构，一层用于信号传递，另一层用于电气屏蔽；所述第五连接部(51)在折弯处开有防撕孔(56);所述第三连接部(54)和第四连接部(55)之间的第五连接部(51)采用C形结构(57)。
全文摘要
本发明公开了一种改善低频特性的振动冲击复合传感器，通过传感器底座与机器高刚度连接耦合和通过柔性PCB对传感器内部谐振器组件和电缆的低刚度连接，有效地保障了传感器的宽阔的低频振动检测的频率范围和保证了进行冲击共振解调检测必须的谐振器组件的高频广义共振稳定性，为轨道交通、风力发电和其他机械故障诊断提供了一种高可靠性和实用性的工程化振动冲击复合传感器及其机器结构设计实现途径。
文档编号G01D11/26GK103063384SQ20121055870
公开日2013年4月24日 申请日期2012年12月20日 优先权日2012年12月20日
发明者唐德尧, 张弸 申请人:唐德尧