低頻或超低頻振動測量套件

《低頻或超低頻振動測量套件》是中國計量科學研究院和航天科工慣性技術有限公司於2010年9月26日申請的專利，該專利的申請號為2010102926694，公布號為CN101984330A，授權公布日為2011年3月9日，發明人是劉愛東、於梅、楊麗峰、左愛斌、馬明德、胡紅波、張蘭。

《低頻或超低頻振動測量套件》包括撓性加速度計；適調放大器，接收所述撓性加速度計輸出的低頻或超低頻振動信號，對所述低頻或超低頻振動信號進行放大並輸出放大後的低頻或超低頻振動信號；以及穩壓電源部件，用於為所述適調放大器提供穩壓電源，其中穩壓電源部件包括：電源輸入端；一級穩壓部件以及二級穩壓部件，構成反饋式跟蹤穩壓電路，以降低所述輸入電源電壓的波動；π濾波電路，以進一步過濾所述電源電壓中的高頻分量；以及電源輸出端，輸出經穩壓的電源給所述適調放大器。根據該發明的低頻或超低頻振動測量套件在0.01赫茲～100赫茲的低頻或超低頻振動範圍內取得了較好的測量效果。

2016年12月7日，《低頻或超低頻振動測量套件》獲得第十八屆中國專利優秀獎。

（概述圖為《低頻或超低頻振動測量套件》摘要附圖）

基本介紹

• 中文名：低頻或超低頻振動測量套件
• 公布號：CN101984330A
• 授權日：2011年3月9日
• 申請號：2010102926694
• 申請日：2010年9月26日
• 申請人：中國計量科學研究院、航天科工慣性技術有限公司
• 地址：北京市北三環東路18號
• 發明人：劉愛東、於梅、楊麗峰、左愛斌、馬明德、胡紅波、張蘭
• Int.Cl.：G01H11/06(2006.01)I
• 代理機構：中國專利代理（香港）有限公司
• 代理人：謝建雲、劉鵬
• 類別：發明專利

專利背景

低頻和超低頻振動屬於自然界中存在面較廣的物理現象，如橋樑、大壩、高樓、大型水輪機組等大型結構的環境振動以及地震中的一些振動等都屬於低頻或超低頻振動。這些大型結構一旦發生危險，將會造成不可估量的損失，因此開展低頻和超低頻振動的研究意義重大。

截至2010年9月，用於低頻或超低頻振動測量的加速度感測器比較較少，而且使用的低頻加速度感測器的振動頻率幾乎都是在0.5赫茲以上。此外，常用於地震測量的地震計也用於低頻或超低頻振動測量，但是地震計體積較大，除了特殊場合，不太適合實驗室的研究，且多為速度型感測器。

因此，需要一種體積較小的、能夠對低頻或超低頻振動進行精確測量的低頻或超低頻振動套件。

此套件主要針對於振動計量部門的標準考核和振動量值的傳遞工作，此套件的出現為振動計量標準提供了一種溯源途徑，填補低頻或超低頻振動計量無合適傳遞標準的空白。

發明內容

專利目的

《低頻或超低頻振動測量套件》提出了一種可以解決上述問題的低頻或超低頻振動測量套件。

技術方案

《低頻或超低頻振動測量套件》的發明人發現，2010年9月前在航天系統中使用的、套用于飛行器姿態控制的石英撓性伺服加速度計具有體積小、重量輕、高解析度和穩定性好等特點，且具有直流回響的特性。如果將該類感測器套用於低頻或超低頻振動測量，並針對該類感測器設計特定的電源和適調放大器，則可以對低頻或超低頻振動進行精確的測量。該發明基於上述發現而做出。

根據《低頻或超低頻振動測量套件》的一個方面，提供了一種低頻或超低頻振動測量套件，包括：石英撓性加速度計，測量低頻或超低頻振動並輸出以電壓或者電流方式表示的低頻或超低頻振動信號；適調放大器，接收所述石英撓性加速度計輸出的低頻或超低頻振動信號，對所述低頻或超低頻振動信號進行可選的放大處理並輸出經處理的低頻或超低頻振動信號；以及穩壓電源部件，用於為所述適調放大器提供穩壓電源，其中所述穩壓電源部件包括：電源輸入端，以提供輸入電源；耦接到所述電源輸入端的一級穩壓部件以及耦接到所述一級穩壓部件的二級穩壓部件，所述一級和二級穩壓部件構成反饋式跟蹤穩壓電路，以降低所述輸入電源電壓的波動；耦接到所述二級穩壓部件的LC濾波電路，以進一步過濾所述電源電壓中的高頻分量；以及電源輸出端，輸出經穩壓的電源給所述適調放大器。

可選地，穩壓電源部件的電源輸出端還輸出經穩壓的電源到撓性加速度計。

可選地，穩壓電源部件還包括耦接在所述LC濾波電路和所述電源輸出端之間的三級穩壓部件，用於進一步降低所述電源電壓的波動。

可選地，適調放大器還包括：調零電路，接收來自所述穩壓電源部件的經穩壓的電源，並提供與所述低頻或超低頻振動信號中的靜態分量相對應的調零信號；減法器，接收所述低頻或超低頻振動信號和所述調零信號，並輸出從所述低頻或超低頻振動信號中減去所述調零信號之後的經調零信號；多級直流放大器，接收所述經調零信號並進行多級直流放大，以提供多個放大後的低頻或超低頻振動信號；以及多個有源濾波器，接收來自所述穩壓電源部件的經穩壓的電源，用於對所述放大後的低頻或超低頻振動信號進行濾波。

改善效果

根據《低頻或超低頻振動測量套件》的發明人的實驗結果表明，根據《低頻或超低頻振動測量套件》的適調放大器在0.01赫茲～100赫茲的低頻或超低頻振動範圍內取得了較好的測量效果。

附圖說明

圖1示意性地示出了根據《低頻或超低頻振動測量套件》實施例的低頻或超低頻振動測量套件的示意圖；

圖2示意性地示出了適於在根據該發明的低頻或超低頻振動測量套件中使用的撓性加速度計的示意圖；

圖3示意性地示出了適於在根據該發明的低頻或超低頻振動測量套件中使用的適調放大器的示意圖；

圖4示意性地示出了根據該發明一個實施例的適調放大器的電路圖；

圖5示意性地示出了適於在根據該發明的低頻或超低頻振動測量套件中使用的穩壓電源部件的示意圖；

圖6示意性地示出了根據該發明一個實施例的穩壓電源部件的電路圖。

技術領域

《低頻或超低頻振動測量套件》涉及低頻和超低頻振動領域，尤其涉及用於對低頻或者超低頻振動進行測量的感測器及包括該感測器的測量套件。

權利要求

1.一種低頻或超低頻振動測量套件，包括：石英撓性加速度計，測量低頻或超低頻振動並輸出以電壓或者電流方式表示的低頻或超低頻振動信號；適調放大器，接收所述石英撓性加速度計輸出的低頻或超低頻振動信號，對所述低頻或超低頻振動信號進行可選的放大處理並輸出經所述處理後的低頻或超低頻振動信號；以及穩壓電源部件，用於為所述適調放大器提供穩壓電源，其中所述穩壓電源部件包括：電源輸入端，以提供輸入電源；耦接到所述電源輸入端的一級穩壓部件以及耦接到所述一級穩壓部件的二級穩壓部件，所述一級和二級穩壓部件構成反饋式跟蹤穩壓電路，以降低所述輸入電源電壓的波動；耦接到所述二級穩壓部件的π濾波電路，以進一步過濾所述電源電壓中的高頻分量；以及電源輸出端，輸出經穩壓的電源給所述適調放大器。

2.如權利要求1所述的低頻或超低頻振動測量套件，其中所述穩壓電源部件的電源輸出端還輸出經穩壓的電源到所述撓性加速度計。

3.如權利要求1所述的低頻或超低頻振動測量套件，其中所述穩壓電源部件還包括：耦接在所述LC濾波電路和所述電源輸出端之間的三級穩壓部件，用於進一步降低所述電源電壓的波動。

4.如權利要求1-3中的任一個所述的低頻或超低頻振動測量套件，其中所述適調放大器還包括：調零電路，接收來自所述穩壓電源部件的經穩壓的電源，並提供與所述低頻或超低頻振動信號中的靜態分量相對應的調零信號；以及減法器，接收所述低頻或超低頻振動信號和所述調零信號，並輸出從所述低頻或超低頻振動信號中減去所述調零信號之後的經調零信號。

5.如權利要求4所述的低頻或超低頻振動測量套件，其中所述適調放大器還包括：多級直流放大器，接收所述經調零信號並進行多級直流放大，以提供多個放大後的低頻或超低頻振動信號。

6.如權利要求5所述的低頻或超低頻振動測量套件，其中所述多級直流放大器分別提供放大1倍、10倍、100倍和1000倍的放大後的低頻或超低頻振動信號。

7.如權利要求1-6中的任一個所述的低頻或超低頻振動測量套件，其中所述適調放大器還包括：多個有源濾波器，接收來自所述穩壓電源部件的經穩壓的電源，用於對所述放大後的低頻或超低頻振動信號進行濾波。

8.如權利要求7所述的低頻或超低頻振動測量套件，其中所述多個濾波器用於分別針對0.02赫茲、0.2赫茲、2赫茲和20赫茲的頻率進行濾波。

9.如權利要求1-8中的任一項所述的低頻或超低頻振動測量套件，其中所述撓性加速度計包括：差動電容感測器，其包括處於所述差動電容感測器中間的質量擺，所述質量擺在加速度的作用下發生偏移而導致所述差動電容感測器的電容值發生變化；力平衡放大器，耦接到所述差動電容感測器，並根據所述差動電容感測器的電容值變化而產生再平衡電流；電磁力矩器，耦接到所述差動電容感測器和所述力平衡放大器，接收所述再平衡電流並產生電磁力矩，以導致所述質量擺返回原來位置；信號輸出端，耦接到所述力平衡放大器，以輸出由所述再平衡電流所表示的低頻或超低頻振動信號。

10.如權利要求9所述的低頻或超低頻振動測量套件，其中所述力平衡放大器為有源放大器，並且由所述穩壓電源部件提供穩壓電源。

實施方式

圖1示意性地示出了根據《低頻或超低頻振動測量套件》實施例的低頻或超低頻振動測量套件100的示意圖。如圖1所示，低頻或超低頻振動測量套件100包括撓性加速度計110、適調放大器120和穩壓電源部件130。撓性加速度計110用於感測低頻或超低頻振動，並根據所感測到的低頻或超低頻振動產生低頻或超低頻振動信號。適調放大器120對撓性加速度計110所感測到的低頻或超低頻振動信號進行放大，可選地還對所感測到的低頻或超低頻振動信號進行濾波，並輸出被放大和濾波的信號。由於低頻或超低頻振動測量要求適調放大器120本身應具有極低的電路噪聲。而普通線性電源的紋波噪聲在1～5毫伏左右，中間還夾雜例如為50赫茲的工頻干擾，因此如果利用普通電源給適調放大器120提供電源，則對微弱信號的測量非常不利。針對此種情況，根據該發明的穩壓電源部件130提供了低噪聲和低紋波的穩壓電源。利用來自穩壓電源部件130的電源，適調放大器120的本底噪聲被顯著降低了，並且也去除了工頻干擾，因此，適調放大器120可以輸出準確的低頻或超低頻振動信號。

可選地，穩壓電源部件130也可以給撓性加速度計110提供電源，從而可以減少撓性加速度計110所感測到的低頻或超低頻振動信號中的噪聲，以進一步提高低頻或超低頻振動測量套件100的精確度。

下面，將結合附圖2-6來詳細描述低頻或超低頻振動測量套件100中各個部件。

圖2示意性地示出了撓性加速度計110的示意圖。如圖2所示，撓性加速度計110通常為石英撓性加速度計，但是可以在《低頻或超低頻振動測量套件》的範圍之內套用其他撓性加速度計。撓性加速度計110包括差動電容感測器111、力平衡放大器113、電磁力矩器114和振動信號輸出115。如圖所示，差動電容感測器111具有位於電容器中間的質量擺112。質量擺112靠撓性平橋（未示出）支撐，它使得加速度計在輸入軸方向的剛度最小（近乎呈自由的無約束狀態），而在其它方向的剛度極大。因此，當沿著加速度計的輸入軸方向有由於振動而導致的加速度作用時，質量擺112的位置發生變化，從而使差動電容感測器111的電容值發生變化。力平衡放大器113耦接到差動電容感測器111，因此可以檢測差動電容感測器111的電容值變化，並根據該變化產生再平衡電流加給電磁力矩器114，而電磁力矩器114產生的電磁力矩又使質量擺112回到原來的位置。振動信號輸出115耦接到力平衡放大器113以根據再平衡電流來產生代表所感測到的加速度的信號。由於低頻或超低頻振動會導致撓性加速度計所感測到的加速度的變化，因此，振動信號輸出115所產生的信號也代表了低頻或超低頻振動，並也可以稱為低頻或超低頻振動信號。振動信號輸出115可以以電流方式或者電壓方式提供低頻或超低頻振動信號。所有這些方式都在該發明的保護範圍之內。

應當注意的是，力平衡放大器113通常為有源放大器，其通常需要電源輸入，而電源的穩定性可以影響所產生再平衡電流的穩定性，因此，根據《低頻或超低頻振動測量套件》的一個實施例，力平衡放大器113也由穩壓電源部件130提供電源。

還應當注意的是，雖然圖2中給出了撓性加速度計的一個實例，但是該領域技術人員應當理解，《低頻或超低頻振動測量套件》不限於此，所有可以以電流方式或者電壓方式提供低頻或超低頻振動信號的撓性加速度計都在該發明的保護範圍之內。

根據《低頻或超低頻振動測量套件》的一個實施例，撓性加速度計110的靈敏度為1.2～1.4毫安/克，因此由撓性加速度計110產生的信號微弱。通常使用撓性加速度計110的低頻或超低頻振動台在振動頻率較低時，推力小，受外界如電噪聲、噪音和機械噪聲等干擾非常嚴重。因此，如果不採用放大和濾波等手段，由撓性加速度計產生的低頻或超低頻振動信號將完全淹沒在噪聲之中。

圖3和4示意性地示出了適於在根據《低頻或超低頻振動測量套件》的低頻或超低頻振動測量套件中使用的適調放大器120的示意圖和特定的電路圖。如圖3所示，適調放大器120具有用於接收低頻或超低頻振動信號的輸入端121。輸入端121可以是接收電流信號的輸入端121_1或者接收電壓信號的輸入端121_2。如果輸入信號為電流信號，則適調放大器120還具有耦接到輸入端121_1的電流電壓變換器122，用於將所接收的電流信號轉換為電壓信號。

適調放大器120所接收的低頻或超低頻振動信號具有靜態分量和動態分量。靜態分量即在沒有振動時低頻或超低頻振動信號的值，一般而言，靜態分量不是恰好為零值，而動態信號即在感測到低頻或超低頻振動時的信號變化，其通常在靜態分量值的上下震盪。而對於信號處理而言，消除靜態分量，即將信號中的靜態分量值降低為零具有明顯的優點。為此，適調放大器120還內設有調零電路123。調零電路123提供了電壓基準原，其電壓值與所接收的電壓信號（或者轉換後的電壓信號）中的靜態分量相對應。適調放大器120還包括耦接到輸入端121和調零電路123的減法器124。減法器124接收表示低頻或超低頻振動的電壓信號和調零電路123提供的基準電壓，並從表示低頻或超低頻振動的電壓信號中減去基準電壓以提供待放大的電壓信號。此時，待放大的電壓信號的靜態分量被調整為零，即電壓信號變為在零值附近震盪的信號，這特別適合於後續信號處理。

適調放大器120隨後包括多級放大器125，其耦接到減法器124的輸出端以獲取待放大的電壓信號並對該電壓信號進行放大。可以利用選通開關來選擇多級放大器之一來對電壓信號進行不同倍數的放大，以適應於不同的套用環境。根據《低頻或超低頻振動測量套件》的一個實施例並如圖4所示，適調放大器120具有5級串聯連線的10倍直流放大器125_1，...125_5，每級放大器的輸入通過選通開關連線到多級濾波器126的濾波輸入端。因此，放大器125可以提供×1、×10、×100、×1000、×10000或者×100000的放大輸出，而且可以根據實際套用條件選擇上述放大倍數之一。

可選地，多級濾波器126接收被多級放大器125放大後的信號，並對該放大後的信號進行濾波。多級濾波器126可以提供多種濾波方式，以便根據實際套用條件選擇濾波方式之一。例如，如參考圖4所述的那樣，多級濾波器126為二階多級有源低通濾波器，其可以提供無濾波、0.02赫茲、0.2赫茲、2赫茲或者20赫茲的低通濾波方式。在實際套用中，可以根據具體情況選擇適當的濾波方式，以有效濾除低頻或超低頻振動信號中的噪聲。

隨後，適調放大器120輸出經過多級濾波器126處理的信號作為低頻或超低頻振動信號。

應當注意的是，在適調放大器120中，有多個部件，例如但不限於調零電路123、多級濾波器126或者電流電壓變換器122等都需要電源供應，而低頻或超低頻振動測量要求適調放大器120本身應具有極低的電路噪聲。普通線性電源的紋波噪聲在1～5毫伏左右，中間還夾雜50赫茲的工頻干擾，這對微弱信號的測量非常不利。因此，需要專門設計的電源部件以向適調放大器120提供低噪聲、低紋波的穩壓電源。根據《低頻或超低頻振動測量套件》的一個實施例，穩壓電源應當滿足在±15伏輸出的條件下，紋波峰峰值僅為微伏級。這可以降低適調放大器120的本底噪聲，去除50赫茲的工頻干擾，為後續的信號處里和測量提供了有力的保證。

圖5和圖6示意性地示出了適於在根據《低頻或超低頻振動測量套件》的低頻或超低頻振動測量套件100中使用的穩壓電源部件130的示意圖和示例電路圖。如圖5和圖6所示，穩壓電源部件130具有輸入端131用於接收傳統交流電源，如220伏，50赫茲的交流電源。所接收的交流電源經由單相橋式整流電容濾波電路132過濾為直流但是電壓波形不穩的電壓信號。隨後，該電壓信號由耦接到電容濾波電路132的一級穩壓部件133和耦接到一級穩壓部件的二級穩壓部件134進行穩壓。二級穩壓部件134還向一級穩壓部件133提供反饋以構成反饋式跟蹤穩壓電路，由此可以降低電壓波動。經過穩壓的信號由耦接到二級穩壓部件134的π濾波電路135進行進一步處理以去掉信號中的高頻噪聲。根據該發明的實施例並如圖6所示，π濾波電路135具有LC結構，然而其他結構的π濾波電路135也在該發明的保護範圍之內。此時所獲得的電源信號已經可以較好地滿足《該發明的套用。但是為了進一步穩定電源信號的電壓幅值，可以再進行一次穩壓，即在π濾波電路135之後耦接三級穩壓部件136以便進一步對電源電壓進行穩壓，從而提供紋波噪聲小的、純淨穩定的直流電源到電源輸出端137。

榮譽表彰

2016年12月7日，《低頻或超低頻振動測量套件》獲得第十八屆中國專利優秀獎。