摘  要： 通過(guò)分析普通磁電式速度傳感器在測(cè)量超低頻絕對(duì)振動(dòng)信號(hào)時(shí)存在固有缺陷帶來(lái)的問(wèn)題,，介紹了基于磁阻尼的超低頻絕對(duì)振動(dòng)傳感器機(jī)理,，系統(tǒng)用磁阻尼代替機(jī)械阻尼工作，克服了普通磁電式速度傳感器體積大,、質(zhì)量大,、不便運(yùn)輸?shù)葐?wèn)題,，下限頻率達(dá)到了0.25 Hz。
關(guān)鍵詞： 超低頻,；絕對(duì)振動(dòng),；機(jī)械阻尼；磁阻尼

　超低頻絕對(duì)振動(dòng)是指振動(dòng)頻率在1 Hz及以下的相對(duì)于慣性空間沒(méi)有靜止參考點(diǎn)（即基準(zhǔn)）的振動(dòng),，如空中飛機(jī)和海上船舶的顛簸,、地震波動(dòng)以及大型鐵路橋梁的晃動(dòng)等[1]。由于絕對(duì)振動(dòng)在測(cè)量時(shí)難以找到靜止參照基準(zhǔn),，同時(shí)振動(dòng)頻率低,，傳感器的機(jī)械固有頻率難以做到足夠低，其輸出信號(hào)極其微弱,，信噪比低,，因此對(duì)于其測(cè)量至今仍是工程測(cè)試領(lǐng)域的難題之一。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)超低頻絕對(duì)振動(dòng)測(cè)量的研究也不乏研究者,，如參考文獻(xiàn)[1]的學(xué)者提出采用頻響展寬的方法來(lái)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(guó)內(nèi)外也有研究者通過(guò)增大慣性質(zhì)量塊的質(zhì)量來(lái)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(duì)振動(dòng)測(cè)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(gè)典型的“質(zhì)量-阻尼-彈簧”單自由度振動(dòng)系統(tǒng)，如圖1所示,。

　式中g(shù)為重力加速度常量,。由式（4）易知，當(dāng)f0取5 Hz時(shí),，慣性質(zhì)量塊與殼體間的相對(duì)位移接近1 cm,；而當(dāng)f0取1 Hz時(shí)，相對(duì)位移達(dá)25 cm,，這在傳感器有限的空間內(nèi)是不可能實(shí)現(xiàn)的,。因此要直接檢測(cè)超低頻絕對(duì)振動(dòng)，磁電式速度傳感器存在機(jī)械結(jié)構(gòu)上的固有缺陷[2],。
　從式（2）可以看出,，減小彈簧彈性系數(shù)k和增大質(zhì)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(shù)k,，彈簧本身就會(huì)變得很軟很“嬌氣”,，k越小，彈簧的靜態(tài)位移越大,，在感受振動(dòng)即便是微小的振動(dòng)時(shí)，彈簧自身就會(huì)“振動(dòng)”不止,，從而影響測(cè)量精度,；此外，當(dāng)傳感器由一個(gè)地方運(yùn)輸?shù)狡渌攸c(diǎn)時(shí),，由于運(yùn)輸過(guò)程中的顛簸和自身的“振動(dòng)”,，彈性系數(shù)k的大小也會(huì)受“損”而改變；如果采用增加慣性體質(zhì)量m,，固然可以提高傳感器在低頻段的靈敏度,，但此時(shí)傳感器的體積、重量將大大增加,，在一定程度上會(huì)影響振動(dòng)體本身的振動(dòng)特性,，從而降低測(cè)量可信度。所以,，目前直接用這種傳感器測(cè)量超低頻絕對(duì)振動(dòng)仍存在著一定的難度,。
2 基于磁阻尼的超低頻絕對(duì)振動(dòng)檢測(cè)機(jī)理
　鑒于上述傳感器的體積和頻率下限等問(wèn)題，本文介紹了一種利用2塊磁鐵同名端之間的斥力來(lái)代替彈簧力的超低頻絕對(duì)振動(dòng)檢測(cè)新機(jī)理,，即用剛性的永久磁鐵代替柔性的彈簧,，用磁場(chǎng)力代替彈性力，調(diào)節(jié)磁鐵間的距離來(lái)調(diào)節(jié)彈性力（磁阻尼）的大小,，進(jìn)而改變傳感器的固有頻率,，同時(shí)傳感器體積也可以做得更小。將這種基于磁場(chǎng)力系統(tǒng)取名為“磁阻尼”系統(tǒng),。在磁阻尼系統(tǒng)中,，由于彈簧已被替換，則無(wú)需考慮在機(jī)械阻尼中彈簧受重力場(chǎng)的作用而不能運(yùn)輸?shù)膯?wèn)題,，使之更好地適應(yīng)其在工程上的應(yīng)用,。

式中，μ0為常數(shù),。由式（6）可知,，該系統(tǒng)具有加速度特性，經(jīng)二次積分可獲得相應(yīng)的位移信息,。
3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試
　由于實(shí)驗(yàn)室條件有限,，無(wú)法對(duì)本傳感器的性能指標(biāo)進(jìn)行全面測(cè)試，只對(duì)該傳感器的靈敏度和頻率響應(yīng)做如下的簡(jiǎn)易測(cè)試,。利用1只1.5 V,、轉(zhuǎn)速15 r/min的微型電機(jī),，搭建了一個(gè)簡(jiǎn)易的振動(dòng)臺(tái)，通過(guò)精確計(jì)算設(shè)計(jì)響應(yīng)的凸輪,，用于模擬產(chǎn)生正弦振動(dòng),，供傳感器檢測(cè)。裝置照片如圖3所示,，示波器檢測(cè)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(dòng)臺(tái)制作過(guò)程中其機(jī)械精度較難達(dá)到預(yù)期,，所以圖形中有毛刺，且由于凸輪在精雕過(guò)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(wèn)題。
基于磁阻尼超低頻絕對(duì)振動(dòng)傳感器的機(jī)理,，解決了傳感器體積大,、頻率下限不夠低以及不便于運(yùn)輸?shù)葐?wèn)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(dòng)臺(tái)使用的微型電機(jī)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?qū)崿F(xiàn)超低頻段信號(hào)的測(cè)量,。同時(shí)由于磁場(chǎng)間的楞次定律，系統(tǒng)可避免一些不正常的振動(dòng)帶來(lái)的誤差,，從而使系統(tǒng)性能穩(wěn)定性增加,，便于運(yùn)輸。

    但該傳感器仍存在一些不足,。由于實(shí)驗(yàn)中電機(jī)和放大濾波電路同時(shí)由一路電源供電,，導(dǎo)致測(cè)量響應(yīng)信號(hào)不穩(wěn)定?？蓢L試增加兩級(jí)積分電路,，從而得到更好波形。懸浮磁鐵（即慣性質(zhì)量塊）運(yùn)動(dòng)復(fù)雜,，需要先進(jìn)行解耦分析,，再通過(guò)計(jì)算機(jī)，將采集到的信號(hào)進(jìn)行智能處理,，并擬合出相應(yīng)的幅頻特性及相頻特性曲線,。
參考文獻(xiàn)
[1] 余水寶.基于選頻補(bǔ)償?shù)拇烹娛剿俣葌鞲衅黝l響展寬研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，1999（3）：201-205.
[2] 余水寶.一種測(cè)量超低頻絕對(duì)振動(dòng)的新方法[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，1998（2）：7-12.
[3] 余水寶.超低頻絕對(duì)振動(dòng)傳感器傳遞函數(shù)優(yōu)化技術(shù)研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào),，2006（8）：940-942.
[4] 余水寶,，李鳴華，呂振洪.磁電式絕對(duì)振動(dòng)速度傳感器頻響展寬研究[J].浙江師大學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,，1999（1）：23-28.