[发明专利]基于分节PSD的差动式振动加速度传感器

说明书

技术领域

本发明属于振动测量检测技术领域，具体涉及一种基于分节PSD的差动式振动加速度传感器。

背景技术

在工业生产过程中，设备器件的老化，连接件的松动往往伴随着异常振动的产生。测量和分析设备的振动现象，对抑制可能发生的隐患十分重要。

目前最常用的测振传感器是基于压电效应的压电式振动传感器，其敏感元件由压电晶体制成。囿于晶体温度特性造成的线膨胀和输出位移减小，以及迟滞特性改变，压电式传感器在高精度测量领域的应用受到局限。

光电位置探测器PSD（Position Sensitive Device）是对其光敏面上入射光斑重心位置敏感的光电器件。其中分节PSD由于各单元之间响应匹配，能实现优于0.1um的位置分辨率，并且在基于时间和温度条件下具有极强的稳定性，配置电路简单，已经被广泛应用在位置坐标的精确测量上。

基于分节PSD的差动式振动加速度传感器，实现了紧贴生产设备发热外壳，精确测量设备振动加速度，具有灵敏度高，工作温度范围宽和配置电路简单等优点。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种分节PSD作为敏感元件，差动结构的振动加速度传感器，固定在生产设备的外壳上，当设备工作产生大量热量使外壳温度大幅升高后也能实现对设备振动的精确测量。

本发明通过以下技术方案实现：基于分节PSD的差动式振动加速度传感器，由基座（1），封装外壳（2），半导体激光器（3），分光棱镜（4），夹具（5），参考镜（6），弹性材料块（7），预压弹簧（8），螺钉（9），分节PSD1（10）,分节PSD2（11）,测量镜（12），质量块（13），固定孔（14）组成，其特征在于：半导体激光器（3）固定在封装外壳（2）左下角，分光棱镜（4）通过夹具（5）置于封装外壳（2）内左中部，分光棱镜（4）的入射面与入射激光垂直，质量块（13）通过上表面两侧的螺钉（9）、预压弹簧（8）与弹性材料块（7）刚性连接，质量块（13）上表面正中间用UV胶固定测量镜（12），参考镜（6）通过上表面两侧的螺钉（9）、预压弹簧（8）与弹性材料块（7）刚性连接，并置于封装外壳（2）顶部正对测量镜（12）位置，经分光棱镜（4）产生的相互垂直的入射光分别入射到参考镜（6）和测量镜（12），分节PSD1（10）和分节PSD2（11）置于封装外壳（2）内右面壁中上位置，无振动时参考镜（6）反射光斑入射到分节PSD2（11）中点，测量镜（12）反射光斑入射到PSD1（10）中点，基座（1）通过固定孔（14）安装在设备外壳上。

所述的弹性材料块（7）由Co基形变强化型高弹性合金制成，为Co40NiCrMo合金。

所述的预压弹簧（8）在没有振动时维持弹性材料块（7）的形变处于线性形变区域的中点。

本发明的工作原理是：半导体激光器（3）发射的激光经过分光棱镜（4）中半透半反膜作用，产生两束相互垂直的出射光分别入射到参考镜（6）和测量镜（12），参考镜（6）反射光斑入射到分节PSD2（11）的光敏面上，测量镜（12）反射光斑入射到PSD1（10）的光敏面上。预压弹簧（8）在无振动时维持弹性材料块（7）的形变处于线性形变区域的中点，以获得最大的测量范围。质量块（13）的加速度与振动加速度一致，在振动过程中质量块（13）和弹性材料块（7）之间压力发生改变，弹性材料块（7）发生微量形变，改变质量块（13）上表面测量镜（4）的位置，使反射光路发生改变。参考镜（6）反射光路的改变只与材料自身特性有关。分节PSD1（10）检测测量镜（12）反射光斑实时位置,分节PSD2（11）检测参考镜（6）反射光斑的实时位置，形成差动测量结构，通过参考镜（6），测量镜（12）反射光斑位置偏移量之差转化为振动加速度的大小。

本发明的有益效果是：本发明的设计是基于厚度变形的差动测量，通过测量镜（12），参考镜（6）反射光斑位置偏移量之差转化为振动加速度的大小，减弱了材料的温度特性对测量精度的不利影响，使之可以紧贴在生产设备发热的外壳上保持对设备振动的精确测量。另外，作为敏感元件的分节PSD的分辨率远高于压电晶体，且位置分辨率与系统的信噪比无关，对前置放大电路使用的芯片要求也更低。因此，本发明具有灵敏度高，工作温度范围宽和配置电路简单等优点。

附图说明

图1是基于分节PSD的差动式振动加速度传感器结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

图1所示基于分节PSD的差动式振动加速度传感器由基座（1），封装外壳（2），半导体激光器（3），分光棱镜（4），夹具（5），参考镜（6），弹性材料块（7），预压弹簧（8），螺钉（9），分节PSD1（10）,分节PSD2（11），测量镜（12），质量块（13），固定孔（14）组成。半导体激光器（3）固定在封装外壳（2）左下角，分光棱镜（4）通过夹具（5）置于封装外壳（2）内左中部，分光棱镜（4）的入射面与入射激光垂直。质量块（13）通过上表面两侧的螺钉（9）、预压弹簧（8）与弹性材料块（7）刚性连接，质量块（13）上表面正中间用UV胶固定测量镜（12）。参考镜（6）通过上表面两侧的螺钉（9）、预压弹簧（8）与弹性材料块（7）刚性连接，并置于封装外壳（2）顶部正对测量镜（12）位置，弹性材料块（7）由Co基形变强化型高弹性合金制成，为Co40NiCrMo合金，预压弹簧（8）在没有振动时维持弹性材料块（7）的形变处于线性形变区域的中点。经分光棱镜（4）产生的相互垂直的入射光分别入射到参考镜（6）和测量镜（12），分节PSD1（10）和分节PSD2（11）置于封装外壳（2）内右面壁中上位置，无振动时参考镜（6）反射光斑入射到分节PSD2（11）中点，测量镜（12）反射光斑入射到PSD1（10）中点。基座（1）通过固定孔（14）安装在设备外壳上。本发明的工作原理是：半导体激光器（3）发射的激光经过分光棱镜（4）中半透半反膜作用，产生两束相互垂直的出射光分别入射到参考镜（6）和测量镜（12），参考镜（6）反射光斑入射到分节PSD2（11）的光敏面上，测量镜（12）反射光斑入射到PSD1（10）的光敏面上。预压弹簧（8）在无振动时维持弹性材料块（7）的形变处于线性形变区域的中点，以获得最大的测量范围。质量块（13）的加速度与振动加速度一致，在振动过程中质量块（13）和弹性材料块（7）之间压力发生改变，弹性材料块（7）发生微量形变，改变质量块（13）上表面测量镜（4）的位置，使反射光路发生改变。参考镜（6）反射光路的改变只与材料自身特性有关。分节PSD1（10）检测测量镜（12）反射光斑实时位置，分节PSD2（11）检测参考镜（6）反射光斑的实时位置，形成差动测量结构，通过参考镜（6），测量镜（12）反射光斑位置偏移量之差转化为振动加速度的大小。使用前将本发明固定在隔振光学平台上，接通电源后将没有振动时参考镜（6），测量镜（12）反射光斑的位置作为初始位置。通过固定孔（14）将本发明安装于生产设备的外壳，信号通过电缆接入到前置放大电路上，实时读取两个光敏面上光斑相对于初始位置的偏移量，通过测量镜（12），参考镜（6）反射光斑位置偏移量之差转化为振动加速度的大小。之后通过计算机将获得的振动加速度经过一次积分可获得振动速度，二次积分可获得振动位移，最终测得描述振动的三个物理参量。