[发明专利]一种用于测量工程爆破的一体式振动传感器及其测量方法

权利要求书

1.一种用于测量工程爆破的一体式振动传感器，包括壳体，其特征在于，壳体内设有X振动敏感元件、Y振动敏感元件和Z振动敏感元件，所述X振动敏感元件竖向放置，所述Y振动敏感元件横向放置在X振动敏感元件的上方，所述Z振动敏感元件横向交叉设置于Y振动敏感元件的上方；X振动敏感元件、Y振动敏感元件和Z振动敏感元件的内部均由一个弹簧、质量块和一个阻尼器三部分组成的单自由度系统构成。

2.根据权利要求1所述一种用于测量工程爆破的一体式振动传感器，其特征在于，所述传感器外径为49mm，长度≤30cm。

3.根据权利要求1所述一种用于测量工程爆破的一体式振动传感器，其特征在于，所述壳体内部设有用于放置所述X振动敏感元件位置的限位孔。

4.根据权利要求1所述一种用于测量工程爆破的一体式振动传感器的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)对振动敏感元件的传递函数通过零极点补偿式网络进行补偿；

(2)由处理器对信号进行时限恢复；

(3)将时限恢复后的数据写入存储介质中。

5.根据权利要求1所述一种用于测量工程爆破的一体式振动传感器的测量方法，其特征在于，信号时限恢复过程如下：补偿后输出的电信号，经过A/D转换器采集至处理器，处理器对已知幅频特性、相频特性的补偿输出后的电信号进行傅里叶计算，分别求其幅度谱和相位谱；将预期的幅频特性和相频特性进行三次hermite插值得到插值后预标定特性；根据预标定特性结果对幅度谱和相位谱进行补偿，得到补偿后的幅度谱和相位谱；对补偿后的幅度谱和相位谱进行逆傅里叶变化得到补偿后的信号值。

6.根据权利要求4所述一种用于测量工程爆破的一体式振动传感器的测量方法，其特征在于，对振动敏感元件的传递函数进行补偿的过程如下：

单自由度系统的运动方程为：

mx″₀+b(x′₀-x′₀)+k(x₁-x₀)＝F(t) (1)

式中：m—质量块质量；x₀—质量块位移；x₁—壳体(线圈)位移；x₀’—质量块速度；x₁’—壳体(线圈)速度；b—阻尼器阻尼系数；k—弹簧劲度系数；x₀”—质量块加速度；F(t)—质量块所受外力；

F(t)＝0时，定义x_r＝x₁-x₀

其中,ω₀—自振角频率；ξ₀—系统阻尼比；x_r—质量块与壳体的相对位移

带入式(1)中，经拉氏变换得：

$H\left(s\right)=-\frac{s^2}{s^2+2{\mathrm{\ξ}}_0{\mathrm{\ω}}_{0}s+{\mathrm{\ω}}_0^2}$

其传递函数为：

$G\left(s\right)=-\frac{k_0{s}^2}{s^2+2{\mathrm{\ξ}}_0{\mathrm{\ω}}_{0}s+{\mathrm{\ω}}_0^2}$

上式中，定义k₀为敏感元件的灵敏度系数；

分别表示X、Y、Z轴三分量的X振动敏感元件、Y振动敏感元件和Z振动敏感元件的传递函数为：

$G_X\left(s\right)=-\frac{k_x{s}^2}{s^2+2{\mathrm{\ξ}}_x{\mathrm{\ω}}_{x}s+{\mathrm{\ω}}_x^2}$

$G_Y\left(s\right)=-\frac{k_y{s}^2}{s^2+2{\mathrm{\ξ}}_y{\mathrm{\ω}}_{y}s+{\mathrm{\ω}}_y^2}$

$G_Z\left(s\right)=-\frac{k_z{s}^2}{s^2+2{\mathrm{\ξ}}_z{\mathrm{\ω}}_{z}s+{\mathrm{\ω}}_z^2}$

为改善频率特性，加入零极点补偿环节，其传递函数为：

$C\left(s\right)=\frac{s^2+2{\mathrm{\ξ}}_0{\mathrm{\ω}}_{0}s+{\mathrm{\ω}}_0^2}{s^2+2{\mathrm{\ξ}}_1{\mathrm{\ω}}_{1}s+{\mathrm{\ω}}_1^2}$

将惯性振动敏感元件的传递函数与补偿环节传递函数相乘，得：

$G_1\left(s\right)=-\frac{k_0{s}^2}{s^2+2{\mathrm{\ξ}}_0{\mathrm{\ω}}_{0}s+{\mathrm{\ω}}_0^2}\·\frac{s^2+2{\mathrm{\ξ}}_0{\mathrm{\ω}}_{0}s+{\mathrm{\ω}}_0^2}{s^2+2{\mathrm{\ξ}}_1{\mathrm{\ω}}_{1}s+{\mathrm{\ω}}_1^2}=-\frac{k_0{s}^2}{s^2+2{\mathrm{\ξ}}_1{\mathrm{\ω}}_{1}s+{\mathrm{\ω}}_1^2}$

X、Y、Z三分量的X振动敏感元件、Y振动敏感元件和Z振动敏感元件的输出经补偿后的传递函数为：

$G_X\left(s\right)=-\frac{k_x{s}^2}{s^2+2{\mathrm{\ξ}}_{x_1}{\mathrm{\ω}}_{x_1}s+{\mathrm{\ω}}_{x_1}^2}$

$G_Y\left(s\right)=-\frac{k_y{s}^2}{s^2+2{\mathrm{\ξ}}_{y_1}{\mathrm{\ω}}_{y_1}s+{\mathrm{\ω}}_{y_1}^2}$

$G_Z\left(s\right)=-\frac{k_z{s}^2}{s^2+2{\mathrm{\ξ}}_{z_1}{\mathrm{\ω}}_{z_1}s+{\mathrm{\ω}}_{z_1}^2}.$