一种测量超低频绝对振动的新方法.doc

大学本科毕业设计（论文）

毕业设计（论文）
题 目： 超低频振动测量装置
摘 要

本文介绍了一种力平衡加速度传感器的原理设计方法。差容式力平衡加速度传感器在传统的机械传感器的基础上，采用差动电容结构，利用反馈原理把被测的加速度转换为电容器的电容量变化，将加速度的变化转变为电压值。使传感器的灵敏度、非线性、测量范围等性能得到很大的提高，使其在地震、建筑、交通、航空等各领域得到广泛应用。

配因子. 传感器的检测。绝对振动是指相对于惯性空间，没有静止参考点(即基准)的振动，如海上船舶的颠簸、空中飞机的披动、高层建筑顶部的晃动及地震波动等。超低频是指其频率在1Hz左右及其以下的振动。
相对于静止参照系的超低频振动的测量方法很多，技术也较成熟。而相对于惯性空间，没有静止参考点的超低频绝对振动的测量，尤其是其频率在1Hz及其以下的超低频绝对振动的测量，仍是工程测试领域的难题之一。这是因为振动频率低，测振传感器的机械固有频率难以做到足够低，致使传感器在测量超低频绝对振动时，其输出信号完全“淹投”在噪声中难以提取。例如一个具有高通特性的固有频率为5Hz的传感器，在测量0.5Hz的超低频绝对振动时，其输出信号只有满幅度的1%。因此借助电子技术，对测振传感器的传递函数进行电路模拟补偿、校正和计算机辅助优化设计，从而展宽其频响，实现对超低频绝对振动的测量，在工程测试领域有其重大的实用价值。

关键词：加速度，差容式，力平衡，传感器　

ABSTRACT
This paper introduces a kind of force balance principle of acceleration sensor design method. Poor let type force balance in the traditional mechanical acceleration sensor based on the sensor, using differential capacitor structure, the principle of being measured by feedback the acceleration of converting capacitor capactance change, will change into the acceleration of the voltage. Sensor sensitivity and nonlinear properties such as measuring range, have greatly improved in the earthquake, construction, transportation, aerospace, etc widely applied fields.
Absolute relative to the inertia vibration refers to the space, no static reference points (namely) of vibration, such as Marine air turbulence, the airplane, high-rise building at the top of the rock and the seismic wave, etc. Ultralow frequency refers to the left and 1Hz frequency in the following vibration.
Compared with static reference of ultralow frequency vibration measurement method, technology and many more mature. And relative to the inertia of space, not static reference point of ultralow frequency vibration measurement of absolute, especially in the frequency of ultralow frequency 1Hz under its absolute vibration measurement, is still one of the engineering problems. Because of the low frequency vibration of mechanical vibration sensor, the frequencies of hard enough, sensor measuring low in vibration, low frequency absolute output signal is completely flooding in noise "vote in extraction. Such a high frequencies of the characteristics of the sensor for 5Hz in the measurement of 0.5 speed vibration, low frequency absolutely the full range of output signal only 1%. Therefore using electronic technology for vibration sensor, the transfer function and calibration and compensate circuit simulation optimization design of computer aided, thus improving the frequency response to realize ultralow frequency vibration measurement, the absolute in engineering testing field has its great practical value.

KEY WORDS: acceleration, poor let type, force balance, sensor

前 言

随着现代科学技术的快速发展，对超低频信号的精密测量，已经受到了人们的普遍重视.无论是标准计量部门，还是超低频仪器(如信号源)生产厂家都迫切需要对超低频信号的某些参量(如电压、周期、失真度等)进行精确计量或测量。

由于超低频信号的振幅变化极其缓慢，周期很长，这就给测量带来了许多困难。用常规的模似测量技术不但要求测量仪器本身具有很高的稳定性，而且过长的响应时间常使得这种测量在某些场合很难实现。1978年美国国家标准局的B.F.Field博士首先把微处理机引入到超低频信号的测量中，并研制成功了采用微处理机的数字化超低频电压表。这就从根本上解决了传统超低须信号测量中所存在的主要问题。从而可以实现对超低频信号的快速和准确测量。

33

目 录

第一章 绪 论 3
1.1 传感器的发展 3
1.2 传感器的定义、分类及对它的一般要求 5
1.2.1 传感器的定义 5
1.2.2 传感器的组成 6
1.2.3 传感器的分类 6
1.2.4 传感器的一般要求 6
1.3 设计简介 7
1.4 设计要求 7
1.4.1合理设计振动台 7
1.4.2利用负反馈控制技术，改善振动台台面输出波形的失真度 7
1.4.3激光测振系统 8
1.4.4振动台试验基础隔振技术 9
第二章 力平衡式加速度传感器 12
2.1 加速度传感器原理概述 12
2.2差容式力平衡传感器器的工作原理与结构 12
2.2.1 力平衡式电容加速度传感系统的组成和工作原理 13
2.2.2 传递函数 13
2.2.3 差容式力平衡加速度传感器 14
2.2.5力平衡传感器实际应用 15
第三章 磁电式速度传感器的力学模型及其缺陷 17
3.1 磁电式速度传感器 17
3.2 磁电式速度传感器的缺陷 17
第四章 电子电路设计 19
4.1 电路模拟补偿展宽传感器频响机理 19
4.2 模拟补偿展宽传感器预响测振方案的电路实现 20
4.2.1 模拟补偿网络及其参数的确定 21
4.2.2校正网络及其参数的确定 22
4.2.3 惯性积分环节 24
第五章 低频超低频振动计量的主要应用领域 25
5. 1 结构动力学研究 25
5.2 地质勘探和新能源开发 27
5.3 航空航天应用 27
5.4 生物动力学和生物医学领域 27
5.5 先进的精密加工与制造技术领域 28
5.6 基础科学研究领域 29
5.7 国内外研究现状和发展趋势 29
5.8 低频或超低频传感器的检测 30
5.9 超低频振动传感器电压测量的溯源性问题 30
第六章 实验结果和结束语 32
致 谢 33
参考文献 34

第一章 绪 论

1.1 传感器的发展
目前，几乎所有的传感器都在由传统的结构化生产设计向基于计算机辅助设计(CAD)的模拟式工程化设计转变，从而使设计者们能够在较短的时间内设计出低成本、高性能的新型系统，这种设计手段的巨大转变在很大程度上推动着传感器系统以更快的速度向着能够满足科技发展需求的微型化的方向发展。
对于微机电系统(MEMS)的研究工作始于20世纪60年代，其研究范畴涉及材料科学、机械控制、加工与封装工艺、电子技术以及传感器和执行器等多种学科，是一个极具前景的新兴研究领域。MEMS的核心技术是研究微电子与微机械加工与封装技术的巧妙结合，期望能够由此而制造出体积小巧但功能强大的新型系统。经过几十年的发展，尤其最近十多年的研究与发展，MEMS技术已经显示出了巨大的生命力，此项技术的有效采用将信息系统的微型化、智能化、多功能化和可靠性水平提高到了一个新的高度。
在当前技术水平下，微切削加工技术已经可以生产出来具有不同层次的3D微型结构，从而可以生产出体积非常微小的微型传感器敏感元件，象毒气传感器、离子传感器、光电探测器这样的以硅为主要构成材料的传感/探测器都装有极好的敏感元件。目前，这一类元器件已作为微型传感器的主要敏感元件被广泛应用于不同的研究领域中。由计算机辅助设计(CAD)技术和微机电系统(MEMS)技术引发的传感器研发制造已经进入微型化时代。
传感器开发的新趋向包括社会对传感器需求的新动向和传感器新技术的发展趋势这两个方面。
传感器是新技术革命和信息社会的重要技术基础，是现代科技的开路先锋，美国早在80年代就声称世界已进入传感器时代，日本则把传感器技术列为十大技术之创立。日本工商界人士声称“支配了传感器技术就能够支配新时代”。 如果用计算机控制的自动化装置来代替人的劳动，则可以说电子计算机相当于人的大脑（一般俗称电脑），而传感器则相当于人的五官部分（“电五官”）。
传感器是新技术革命和信息社会的重要技术基础，是现代科技的开路先锋，美国早在80年代就声称世界已进入传感器时代，日本则把传感器技术列为十大技术之创立。日本工商界人士声称“支配了传感器技术就能够支配新时代”。
世界技术发达国家对开发传感器技术部十分重视。美、日、英、法、德和独联体等国都把传感器技术列为国家重点开发关键技术之一。美国国家长期安全和经济繁荣至关重要的22项技术中有６项与传感器信息处理技术直接相关。关于保护美国武器系统质量优势至关重要的关键技术，其中８项为无源传感器。美国空军2000年举出15项有助于提高21世纪空军能力关键技术，传感器技术名列第二。日本对开发和利用传感器技术相当重视并列为国家重点发展６大核心技术之一。日本科学技术厅制定的90年代重点科研项目中有70个重点课题，其中有18项是与传感器技术密切相关。美国早在80年代初就成立了国家技术小组（BTG），帮助政府组织和领导各大公司与国家企事业部门的传感器技术开发工作。
传感器技术是一项当今世界令人瞩目的迅猛发展起来的高新技术之一，也是当代科学技术发展的一个重要标志，它与通信技术、计算机技术构成信息产业的三大支柱之一。如果说计算机是人类大脑的扩展，那么传感器就是人类五官的延伸。当集成电路、计算机技术飞速发展时，人们才逐步认识信息摄取装置——传感器没有跟上信息技术的发展而惊呼“大脑发达、五官不灵”。传感器开始受到普遍重视，从八十年代起，逐步在世界范围内掀起了一股“传感器热”。美国国防部将传感器技术视为今年20项关键技术之一，日本把传感器技术与计算机、通信、激光半导体、超导并列为６大核心枝术，德国视军用传感器为优先发展技术，英、法等国对传感器的开发投资逐年升级，原苏联军事航天计划中的第五条列有传感器技术。
正是由于世界各国普遍重视和投入开发，传感器发展十分迅速，在近十几年来其产量及市场需求年增长率均在10％以上。目前世界上从事传感器研制生产单位已增到5000余家。美国、欧洲、俄罗斯各自从事传感器研究和生产厂家1000余家，日本有800余家。
人通过五官（视、听、嗅、味、触）接受外界的信息，经过大脑的思维（信息处理），作出相应的动作。同样，如果用计算机控制的自动化装置来代替人的劳动，则可以说电子计算机相当于人的大脑（一般俗称电脑），而传感器则相当于人的五官部分（“电五官”）。传感器是获取自然领域中信息的主要途径与手段。作为人脑的一种模拟的电子计算机的发展极为迅速，可是起五种感觉模拟作用的传感器却发展很慢，因而引起了人们的普通关注，如果不进行传感器的开发，现在的电子计算机将处于一种不能适应实际需要的状态。如上图所示，如同为了很好的将体力劳动和脑力劳动进行协调一样，也要求传感器、电子计算机和执行器三者都能相互协调才行。这样，传感器九成了现代科学的中枢神经系统，它日益受到人们的普遍重视，这已成为现代传感器技术的必然趋势。当传感器技术在工业自动化、军事国防和以宇宙开发、海洋开发为代表的尖端科学与工程等重要领域广泛应用的同时，它正以自己的巨大潜力，向着与人们生活密切相关的方面渗透；生物工程、医疗卫生、环境保护、安全防范、家用电器、网络家居等方面的传感器已层出不穷，并在日新月异地发展。
1.2 传感器的定义、分类及对它的一般要求

传感器的定义根据中华人民共和国国家标准（GB7665—87），传感器（Transducer/Sensor) 的定义是：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。 传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。其包含一下几个方面的意思：
1.2.1 传感器的定义
根据中华人民共和国国家标准（GB7665—87），传感器（Transducer/Sensor) 的定义是：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。
传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。其包含一下几个方面的意思：
1.传感器是测量装置，能完成检测任务
2.它的输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等
3.输出量是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显示等等，这种量可以是气、光、电量，但主要是电量。
4.输入输出有对应关系，且应有一定的精确度。
1.2.2 传感器的组成
传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路三部分组成
1.2.3 传感器的分类
传感器种类繁多，目前常用的分类有两种：一种是以被测量来分，另一种是以传感器的原理来分。
1.2.4 传感器的一般要求
由于各种传感器地原理、结构不同，使用环境、条件、目的不同，其技术指标也不可能相同，但是有些一般要求却基本上是共同的：
a.足够的容量——传感器的工作范围或量程足够大；具有一定的过载能力。
b.灵敏度高，精度适当——即要求其输出信号与被测信号成确定的关系（通常为线性），且比值要大；传感器的静态响应与动态响应的准确度能满足要求。
c.响应速度快，工作稳定，可靠性好。
d.使用性和适应性强——体积小，重量轻，动作能量小，对被测对象的状态影响小；内部噪声小而又不易受外界干扰的影响；其输出力求采用通用或标准形式，以便与系统对接。
e.使用经济——成本低，寿命长，且便于使用、维修和校准。
当然，能完全满足上述性能要求的传感器是很少的。我们应根据应用的目的、使用环境、被测对象状况、精度要求和处理等具体条件作全面综合考虑。综合考虑的原则、性能及指标，将在第一章中详细讨论。

1.3 设计简介
（1） 新型结构设计，采用测量加速度利用差容式原理克服现有传感器存在的问题。
（2） 建立理论计算方法
（3） 电子电路硬件设计
1.4 设计要求
先设计力平衡式加速度传感器，其结构设计，建立合理模型，把要测的加速度通过差动电容传感器，把非电量转化成电量，再把电量放大、滤波、排除干扰。采用直流稳压电源供电，而降低干扰。从而提高对超低频信号处理的精度。低频超低频振动激励系统
1.4.1合理设计振动台
产生校准所需正弦振幅的振动台是整个校准系统的核心。振动台是一个非线性机电祸合的复杂惯性系统，在低频到超低频频段增大振幅可以提高信噪比，但势必会加大非线性因素(如振动台弹性元件的非线性、功放的零点漂移、动圈在磁场中运动时气隙的不均匀以及电磁阻尼力的非线性等)，加大台面的谐波失真。另外，由于振动台在超低频状态下工作时台面输出加速度很小，功放输出电流也较小，使台面输出信噪比变差，波形稳定性变坏，校准不确定度变大。
研制超低频大行程振动台应解决的关键技术问题:(1)合理设计磁路结构，使动圈工作在均匀分布的强磁场中，以获得较大的驱动力和较小的非线性。(2)采用轴对称设计形式，减小台面的横向和摇摆振动。(3)采用空气轴承导向，降低振动台台面的横向振动比，减小摩擦阻力，提高波形精度和信噪比。(4)利用低频开关功放模式和零频及低频重反馈、中高频轻反馈的设计，研制信噪比高、失真度低、漂移小、稳定性好的超低频功率放大器。(5)保证气隙的均匀性，减小交变磁通。
1.4.2利用负反馈控制技术，改善振动台台面输出波形的失真度
振动台产生理想的正弦波振动激励信号是实现振动传感器精确校准至关重要的先觉条件。振动台运动加速度a=一(2 }rrf) ZA sin ( 2动+cp) (A为振幅，f为振动频率)，加速度随振动频率的降低而成平方倍下降，因此当振动台背景噪声一定时，台面输出信噪比将会随振动频率的降低而变的越来越差。采用反馈控制技术可以有效减小振动台在低频段运行时的波形失真，同时也能够抑制环境干扰和非线性因素，提高振动台输出波形的精度。国家地震局工程力学所利用相对和绝对速度复合反馈技术达到较好的控制效果，在0. 1 Hz一10 Hz频段，将台面背景噪声减小到了5. 26 x10一5而。
1.4.3激光测振系统
1)零差正弦逼近法激光测振
采用零差正交Michelson激光干涉仪实现低频振动绝对校准，干涉仪在低频大振幅下输出高质量的激光信号是激光精确测振的基础。基于虚拟仪器技术，构建集成化和自动化程度较高的零差激光干涉测振系统，在计算机环境中，依托功能强大的处理单元和高速的数据总线，利用NI公司的LabView图形化软件平台，构建可视化软面板，使计算机成为具有数据采集、信号控制及分析显示功能的处理中心。依据ISO 16063-11推荐的“正弦逼近法”，通过数字低通滤波、反正切求解、相位展开、正弦拟合等数字解调和解算，以及与超低频振动激励控制系统的闭环通信，实现低频超低频振动传感器幅相特性高精度的自动化校准。
大型机械系统与复杂电子系统的祸合、低频大位移微弱信号的光测量等，都会加大实现闭环系统有效控制和精确测量的技术难度。
2)超长周期信号快速稳定的实时测量
低频到超低频( ,0. O1 Hz，即T ,100 s)信号的采样时间随测量周期的增大而大幅增长，实现振动信号的快速精确测量难度很大。对于0. O1 Hz信号，通过调整控制振动台激励系统，使台面输出稳定的加速度振级和达到最佳失真度状态至少需10分钟，如取10个测量周期，约需20多分钟，估计检定/校准一只超低频振动传感器需要近一天时间。因此采用合理算法实现快速稳定的实时测量，才能提高反馈和闭环控制效率和保证精确测量。东方振动噪声所采用时频综合分析法已实现超低频振动信号的快速实时测量，但是应用于激光测振还有差距。
1.4.4振动台试验基础隔振技术
良好的隔振基础是实现低频超低频振动精确测量技术基础的基础。隔振的目的是要减小地面振动通过支承结构传递给振动激励系统。地面振动是一个宽频带、非平稳、非各态历经的随机振动，很难用精确的解析方法研究其振动过程，其特点和振级不仅依赖于激块石混凝土靶体试验进行了数值模拟分析，形象展现了弹体冲击作用下，混凝土靶体正面材料破碎、飞溅成坑、背面震塌和刚玉块石混凝土靶体正面块石飞溅、弹体冲击、破坏的物理过程，计算结果与试验数据吻合良好，说明材料模型和参数正确，模拟方法可行。可以为试验成果的扩展应用和刚玉块石混凝土抗侵彻性能机理性研究提供参考。
在超低频长周期测量中，保证振动台输出稳定、失真度最小的加速度幅值是最佳控制目标，而拾振传感器的性能则是确保控制信号质量的关键。为了提高低频小信号测量的信噪比，要求反馈控制用的传感器应具有较高的灵敏度，较好的低频噪声特性和动态响应范围。但是传感器的稳定性、抗过载和环境干扰的能力会随灵敏度的增高而变差，所以灵敏度高并不能解决微小信号测量的问题。传感器所能测量的最小信号常用分辨率或电噪声指标表征。注意内置电路引起的低频噪声与频率的倒数成正比，当测量频率很低时传感器的电噪声输出按指数幅度增长，因此在反馈传感器选用中应综合考虑传感器灵敏度、分辨率和电噪声的特性。低频伺服加速度计属发达国家对中国大陆禁销的高端产品，解决激励系统反馈闭环控制用的传感器只能立足于国内研发。目前国内在振动测量和控制中已有使用惯性导航石英挠性加速度计的尝试，为其开拓了振动测量新的应用领域。
数字信号处理的理论表明，采了下面方法，不仅可以快速计算出超低频信号的电压真有效值，而且要获取超低频信号的其它参量也不是困难的事。事实上，对某一周期为To的被测信号。假设经等间隔采样、量化后所得到的数字信号序列为：
n=0,1,…，N-1 (1-1)

式中，T=兀IN为采样周期jN是一个信号周期内的采样点数(N的取值需满足采样定理的要求，以防混叠效应)。则被测信号的电压真有效值为
（1-2）

当要求提高代数精度或加快收敛速度时，也可以采用其它求积公式。
电压平均值为
（1-3）
若将数字信号序列
（1-4）
即可求得各次谐波电压的有效值
（1-5
及谐波失真度
（1-6）
(4)~(6)式中x为谐波次数。
因此，一旦获得了精确的数字信号序列u(n)，后面的运算对微处理机来说并非难事。只需制定适当的算法，编制相应的计算程序，总能够达到预期的要求。但是欲想取得没有失真的u(n)，也即精确的采样数据，并非易事。首先需要精密地测量信号的周期To，其次要计算出等间隔T采样的点数N(整数)，最后就是对信号的准确采样及量化。本文仅讨论超低频信号周期的精密测量方法。
绝对振动是指相对于惯性空间，没有静止参考点(即基准)的振动，如海上船舶的颠簸、空中飞机的波动、高层建筑顶部的晃动及地震波动等。超低频是指其频率在1H:左右及其以下的振动，如葛洲坝水电站水轮机的转速为5转/分、武仅长江大桥垂直固有频率为0. 7Hz。
相对于静止参照系的超低频振动的测量方法很多，技术也较成熟。而相对于惯性空间，没有静止参考点的超低频绝对振动的测量，尤其是其频率在1Hz及其以下的超低频绝对振动的测量，仍是工程测试领域的难题之一。这是因为振动频率低，测振传感器的机械固有频率难以做到足够低，致使传感器在测量超低频绝对振动时，其输出信号完全“淹没”在噪声中难以提取。例如一个具有高通特性的固有频率为5Hz的传感器，在测量p<5Hz的超低频绝对振动时，其输出信号只有满幅度的1。因此借助电子技术，对测振传感器的传递函数进行电路模拟补偿、校正和计算机辅助优化设计，从而展宽其频响，实现对超低频绝对振动的测量，在工程测试领域有其重大的实用价值。

第二章 力平衡式加速度传感器
加速度传感器是用来将加速度这一物理信号转变成便于测量的电信号的测试仪器。它是工业、国防等许多领域中进行冲击、振动测量常用的测试仪器。

2.1 加速度传感器原理概述
加速度传感器是用来将加速度这一物理信号转变成便于测量的电信号的测试仪器。差容式力平衡加速度传感器则把被测的加速度转换为电容器的电容量变化。实现这种功能的方法有变间隙，变面积，变介电常量三种，差容式力平衡加速度传感器利用变间隙，且用差动式的结构，它优点是结构简单，动态响应好能实现无接触式测量，灵敏度好，分辨率强，能测量0.01um甚至更微小的位移，但是由于本身的电容量一般很小，仅几pF至几百pF，其容抗可高达几MΩ至几百MΩ，所以对绝缘电阻的要求较高，并且寄生电容（引线电容及仪器中各元器件与极板间电容等）不可忽视。近年来由于广泛应用集成电路，使电子线路紧靠传感器的极板，使寄生电容，非线性等缺点不断得到克服。
差容式力平衡加速度传感器的机械部分紧靠电路板，把加速度的变化转变为电容中间极的位移变化，后续电路通过对位移的检测，输出一个对应的电压值，由此即可以求得加速度值。为保证传感器的正常工作.，加在电容两个极板的偏置电压必须由过零比较器的输出方波电压来提供
2.2差容式力平衡传感器器的工作原理与结构
力平衡式传感器就是先将被测量转换成力或者力矩，然后用反馈力与其平衡的闭环传感器。它的种类很多，可以测量加速度、角速度、压力、重量、电功率、高电压等。
m

放
大
电
路
c
b

y
0
x
I
R

I
0
2.2.1 力平衡式电容加速度传感系统的组成和工作原理

图2—1 力平衡式电容加速度传感器原理图
图2—1所示为力平衡式加速度传感器原理图，它由惯性敏感元件、位移传感器、放大器和磁电式力矩器等组成，其中，位移传感器经常采用电容式的。使用时将其固定在被测物体上，当传感器壳体相对惯性空间向上位移x时，壳体上的被测加速度。在惯性力的作用下，惯性敏感元件相对壳体向下位移y。电容式位移传感器测出y，再经放大器输出电流I给力矩器。由力矩器产生的反馈力，它与方向相反、并共同形成不平衡力作用于质量块，使位移y减小、直至为零，此时,其中是力矩器的机电耦合系数。于是，闭环系统的的输出电压正比于被测加速度，即
（2-1）
2.2.2 传递函数
力平衡式电容加速度传感器，惯性敏感系统时一个典型的二阶机械系统，和为其固有频率和阻尼比，是取决于惯性敏感元件阻尼系数b和弹簧刚度c的常数。所以惯性敏感元件的传递函数为
2-2）
放大器与位移传感元件串联后的传递函数为一常数。则前向环节的传递函数为
（2-3）
闭环系统的传递函数为

（2-4）
显然，闭环传递函数仍是一个二阶系统。
2.2.3 差容式力平衡加速度传感器
如图2-2所示，差容式力平衡加速度传感器原理框图

图2-2差容式力平衡加速度传感器原理框图
电路中除了所必须的电容，电阻外，主要由正负电压调节器，四运放放大器LT1058，双运放op270放大器组成。
2.2.4差容式力平衡传感器机械结构原理
由于差动式电容，在变间隙应用中的灵敏度和线性度得到很大改善，所以得到广泛应用。差容式力平衡电容差容式力平衡传感器,主要由上、下磁钢，电磁铁，磁感应线圈，弹簧片，作电容中间极的质量块，覆铜的上下极板等部分组成。传感器上、下磁钢通过螺钉及弹簧相连，作为传感器的固定部分，上，下极板分别固定在上、下磁钢上。极板之间有一个用弹簧片支撑的质量块，并在此质量块上、下两侧面沉积有金属（铜）电极，形成电容的活动极板。这样，上顶板与质量块的上侧面形成电容C1，下底板与质量块下侧面形成电容C2，弹簧片一端与磁钢相连，另一端与电容中间极相连，以控制其在一个有效的范围内振动。由相应芯片输出的方波信号，经过零比较后输出方波，此方波经电容滤除其中的直流电压，形成对称的方波，该对称的方波加到电容的一个极板上，同时经一次反向后的对称波形加到另一个极板上。
当没有加速度信号时，中间极板处于上、下极板的中间位置C1＝C2，△C＝0后续电路没有输出；当有加速度信号时，中间极板（质量块）将偏离中间位置，产生微小位移，传感器的固定部分也将有微小的位移，设加速度为正时，质量块与上顶板距离减小，与下底板距离增大，于是C1＞C2，因此会产生一个电容的变化量△C，△C由放大电路部分放大，同时，将放大电路的输出电流引入到反馈网络。由于OP270的脚1和16分别与线圈两端相连，当有电流流过线圈时，将产生感应磁场，就会有电磁力产生。因为上、下磁钢之间有弹簧，所以在电磁力的作用下将使磁钢回到没有加速度时的位置，即此时的电容变化完全有加速度的变化引起，同时由于线圈与活动极板通过中心轴线相连，所以在电磁力的作用下，使中间极向产生加速度时的位移的相反的方向运动，即相当于在△C的放大电路中引入了负反馈，这样，使传感器的测量范围大大提高。因此，对于任何加速度值，只要检测到合成电容变化量△C，便能使活动极板在两固定极板之间对应一个合适的位置，此时后续电路便输出一个与加速度成正比的电压，由此电压值就可以计算出加速度的大小。
2.2.5力平衡传感器实际应用
哈尔滨北奥振动技术是专门从事振动信号测量的专业公司，它们应用这种差容式力平衡原理开发出的力平衡加速度传感器实现的主要性能指标如下：
测量范围：±2.0g，±0.125g，±0.055g
灵敏度：BA-02a:±2.5V/g、±40.0V/g
BA-02b1:±40.0V/g（差动输出）
BA-02b2:±90.0V/g（特定要求，高灵敏度）
频响范围：DC-50Hz（±1dB）
绝对精度：±3％FS
交叉干扰：小于0.3%
线性度：优于1%
噪声：小于10μV
动态范围：大于120dB
温漂：小于0.01%g/g
电源：±12V-±15V
@30.0mA
体积：Φ43x60mm
采用这种设计原理的传感器在振动信号测量领域已经得到广泛应用，该种传感器特别适合地震、建筑、军事、交通、机械、航海等领域的振动测量。

第三章 磁电式速度传感器的力学模型及其缺陷

3.1 磁电式速度传感器
磁电式愤性速度传感器，是测量超低频绝对振动的主要传感器之一。它由钠性外壳、弹性支撑架、磁钢、线圈和阻尼器等部分组成。其力学模型可简化为一个弹簧k,惯性质量块m和阻尼C三部分组成的单自由度系统，如图1所示。传感器的输出与振动速度成正比，其传递函数表示为:
(1)
这是一个二阶高通特性的传递函数，式中的为传感器的灵敏度，即机电耦合系数，、为机械固有角频率和机械阻尼比，分别表示为:
图3—1 磁电式速度传感器力学模型
（2）
（3）
3.2 磁电式速度传感器的缺陷
由传感器的力学原理可知，仅当传感器可动部分的固有频率比被测物体的频率低很多时，惯性质量块才可以作为“静止的基准”。或者说为使传感器在测量超低频绝对振动时的输出信号有一定的信噪比，传感器的固有频率应足够低。然而由于材料及机械结构的限制，用弹性模片支撑质量块的磁电式速度传感器的固有频率。一般只能做到5Hz~30Hz之间。这是因为在重力场中垂直使用的传感器，弹簧的位移Y与重力、弹性系数的关系应满足:
（4）
式中g为重力加速度常量。由(4)式不难说明，即使f。取5Hz,惯性质量块与壳体间的相对位移已达近1厘米，这已是很不容易的事了。因此要直接检测超低频绝对振动，磁电式速度传感器有其机械结构上的固有缺陷。
第四章 电子电路设计
理论分析和实验结果均表明，直接生产测量超低频绝对振动的传感器，有相当大的难度。因此国内外已有许多研究人员对电路模拟补偿展宽传感器频响，从而实现对超低频绝对振动的测量作过尝试，.有的以机密为由不见具体方案细节，有的则由于种种原因未曾获得理想的结果。

4.1 电路模拟补偿展宽传感器频响机理
众所周知，负反馈可以稳定一个系统的增益和拓宽放大器的通频带宽，这是一个很好的启迪。若设模拟补偿网络为一负反馈放大器，增益为A，传感器为其一个输入信号握，传递函数为H (S )，反馈网络的传递函数为F(S)，校正网络的传递函数为R(S),积分环节传递函数为I(S),则一个具有负反馈放大器和校正网络的传感器模拟补偿的测振方案系统框图，如图2所示。

图4—1 一种实现超低频绝对振动测量的系统原理框图
图4—1中放大器A和反馈网络F(S)组成模拟补偿环节，对输出从有:

若取F(S)=pH(S)，即令两个传递函数具有相同的性质，则有:
式中和即为经模拟补偿后的等效阻尼比和等效固有角预率，分别表示如下:
令补偿后的频率展宽比为：
(9)
式中为反馈网络的增益匹配因子。
(6)、(7)、(8)三式表明，经过上述模拟补偿处理，系统仍具有二阶高通特性，只是此时的阻尼比和固有频率均下降了数倍，并且增加了一放大因子。图4—2为 图4—2 补偿前后归一化幅频特性曲线比较=5Hz, =0.7, =99时，补偿前和补偿后的归一化幅频特性曲线比较。由图可见，系统固有频率明显降低，这正是我们所期待的结果。系统阻尼比的降低，使系统幅频特性在转折频率处出现了过冲，这是我们所不希望的。因此若能提高系统的等效阻尼比或能抑制转折频率处的幅频特性过冲，就有望获得满意的结果。对于还没出厂的传感器，可通过机械的办法增加阻尼比，但对已出歹的传感器，理论和买践均表明，只能米用电路补偿的办法。所以现在的间题一是寻找一个满足上述假设且利于系统稳定工作的电路模拟补偿网络;二是寻求一个校正网络，使系统有较理想的幅额特性。
4.2 模拟补偿展宽传感器预响测振方案的电路实现
图4—3为满足上述要求的一个物理可实现的测振方案系统实例，由模拟补偿网络、校正网络和积分环节三部分组成。
图4—3 一个物理可实现的测振方案系统原理图
4.2.1 模拟补偿网络及其参数的确定
图4—3中、:及其外围阻容元件组成系统的模拟补偿网络，由负反馈放大器A和反馈网络F (S)两部分组成。其中的、、、和运放组成有限增益