CN109612567A - 一种自稳定阻尼振动监测仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开自稳定阻尼振动监测仪，包括底座，包括朝向上方的支撑面；配重，置放于支撑面，下表面为向下凸起的曲面，曲面与支撑面接触；支撑杆，下端与配重的上表面固定连接，上端向上延伸，其摆动幅度表征监测位置的振动强度，其摆动方向的水平分量的方向为震源方向的水平分量的方向；配重的曲面与支撑面构成阻尼***；支撑杆设有其所支撑的物体时，支撑杆及其支撑的物体和配重所构成结构的重心位于配重内；支撑杆上没有其所支撑的物体时，支撑杆和配重所构成结构的重心位于配重内；配重静止时，曲面与支撑面之间的切点为支点。它具有小型化、价格低廉、操作简易、易于维护的特点，对监测位置的振动强度和震源方向的水平分量的方向进行监测。

Description

一种自稳定阻尼振动监测仪

技术领域

本发明涉及检测设备，具体涉及自稳定阻尼振动监测仪。

背景技术

小至电子、原子、分子等微观粒子，大至电子产品设备、大地、星球、宇宙，人们都在通过各种设备仪器监测它们的振动，获得众多的研究数据，其研究成果已经被广泛应用于我们的日常生活工作中。现在，人们一般将振动监测装置的振动传感器紧贴机械设备，进行机械设备振动的监测；或则将振动监测装置置于地面，直接监测大地的振动。对于振动较大的监测，普通振动监测设备已经可以满足使用要求，但是对于振动微弱的精加工设备、大地等振动，则监测数据失真。例如1900多年前张衡发明的地震仪，现在国家使用的地震观测台网等等，它们对振动监测精度极高，可以监测到微弱的振动信号，可以用于监测精加工设备、大地等的振动，但是它们本身都属于结构复杂的大型设备，并且需要专人维护，不适用于普通企事业、个人。随着现在精加工设备、人们对于地震安全意识等等发展，适用于普通企事业、个人的一种小型化、价格低廉、操作简易、易于维护的微弱自稳定阻尼振动监测仪，成为人们日益迫切的需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自稳定阻尼振动监测仪,用于对监测位置的振动强度和震源方向的水平分量的方向进行监测。

本发明采用下述技术方案：

一种自稳定阻尼振动监测仪，包括：

底座，其包括朝向上方的支撑面；

配重，其置放于该支撑面，其下表面为向下凸起的曲面，其中，该曲面与该支撑面接触；

支撑杆，其下端与该配重的上表面固定连接，其上端向上延伸，其摆动幅度表征监测位置的振动强度，其摆动方向的水平分量的方向为震源方向的水平分量的方向；

其中，所述配重的曲面与所述支撑面构成阻尼***；当所述支撑杆设有其所支撑的物体时，所述支撑杆及其支撑的物体和配重所构成结构的重心位于该配重内；当所述支撑杆上没有其所支撑的物体时，支撑杆和配重所构成结构的重心位于该配重内；所述配重静止时，所述曲面与所述支撑面之间的切点为支点。

所述支撑面为平面、内凹的曲面或盛装于所述底座凹腔内液体的液面。

对所述支撑面进行增大摩擦力处理或在所述支撑面上铺设增大摩擦力的材料。

当所述内凹的曲面为球面时，该内凹的曲面设有凸起的定位凸台，所述配重的曲面设有与该定位凸台相活动适配的定位凹槽。

所述配重的曲面为球面、椭圆曲面或抛物曲面。

还包括：

监测指示单元，其用于基于该支撑杆或该支撑杆所支撑的物体相对于该支撑杆或该支撑杆所支撑的物体静止时的位置所摆动的位移参量和方向指示监测位置的振动强度的数值和震源方向的水平分量方向的数值。

所述监测指示单元包括：

位移传感器，其设置于所述支撑杆，其用于该支撑杆摆动时获取自身的位移参量，其作为所述支撑杆所支撑的物体；

计算单元，其基于该支撑杆的位移放大倍数K、所述阻尼***的阻尼参数及所获取的位移参量计算出监测位置的振动强度的数值和震源方向的水平分量方向的数值；

其中，所述位移传感器到所述支点的距离为L，所述配重、支撑杆和位移传感器所构成结构的重心到该支点的距离为L₀，则K＝L/L₀。

所述计算单元基于该支撑杆的位移放大倍数、所述阻尼***的阻尼参数及所获取的位移参量计算出监测位置的振动强度的数值和震源方向的水平分量方向的数值的算法为噪声滤波算法。

所述监测指示单元包括：

第一指示盘，其设置于所述支撑杆上方，其包括沿其径向延伸并横向布置的第一标识及环绕其周向并沿上下方向延伸的第二标识；

指针，其由所述支撑杆上端形成，其与所述第一标识配合用于指示所述震源方向的水平分量方向的数值并与所述第二标识配合指示所述震源的振动强度的数值。

所述监测指示单元包括：

第二指示盘，其包括指示面、设置于该指示面的由一个圆或多个同心圆构成的第三标识及设置于该指示面的沿该圆径向延伸的第四标识；

光束发射装置，其设置于所述支撑杆，其发射的光束指向水平方向或竖直方向，其作为所述支撑杆所支撑的物体；

其中，所述支撑杆静止时，该光束发射装置发射的光束指向所述圆的圆心；所述光束与所述第三标识配合指示所述监测位置的振动强度的数值并与所述第四标识配合用于指示所述震源方向的水平分量方向的数值。

所述光束发射装置为激光笔。

本发明的有益效果在于：本发明具有小型化、价格低廉、操作简易、易于维护的特点，能对监测位置的振动强度和震源方向的水平分量的方向进行监测。

附图说明

图1为本发明的一种立体结构示意图(含外罩)。

图2为本发明的一种立体结构示意图(不含外罩)。

图3为图2的纵向剖视图。

图4为本发明的计算单元与位移传感器电气连接结构示意图。

图5为本发明的另一种立体结构示意图(不含外罩)。

图6为图5的纵向剖视图。

图7为本发明的再一种立体结构示意图(不含外罩)。

图8为图7的纵向剖视图。

图9为本发明的一种底座的立体结构示意图。

图10为本发明的一种配重、支撑杆连接在一起的立体结构示意图。

图11为图10的纵向剖视图。

图12为本发明的第四种立体结构示意图(不含外罩)。

图13为图12的纵向剖视图。

图14为本发明的第五种立体结构示意图(不含外罩)。

图15为图14的纵向剖视图。

图16为本发明的第六种立体结构示意图(不含外罩)。

图17为图16的纵向剖视图。

具体实施方式

为能详细说明本发明的技术特征及功效，并可依照本说明书的内容来实现，下面结合附图对本发明的实施方式进一步说明。

除非特别说明，本文中术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”、“第五”、“第六”等不代表顺序，也不代表与之搭配的术语的重要性。

本发明中，监测位置是指本发明的振动监测仪放置的位置；震源是指引起振动的地方。震源方向即为从监测位置指向引起振动的地方方向。

图1-4示例性示出本发明众多实施例中的一种自稳定阻尼振动监测仪的实施例。该自稳定阻尼振动监测仪包括底座1、配重2、支撑杆3、监测指示单元。

底座1大致为圆盘状，其包括朝向上方的支撑面1-1，图1-4所示的实施例中，支撑面1-1为平面。底座1可以由硬质结构材料加工制备，配重2、支撑杆3、监测指示单元等提供结构支撑。

配重2置放于支撑面1-1，其下表面为向下凸起的曲面2-1。图1-4所示的实施例中，曲面2-1为球面。曲面2-1与该支撑面1-1接触，配重2静止时，曲面2-1与该支撑面1-1之间的切点为支点。

在一些实施例中，配重的曲面还可以为椭圆曲面或抛物曲面。

配重2的曲面2-1与支撑面1-1构成阻尼***。配重2的曲面2-1在支撑面1-1上滚动的过程中，滚动摩擦作用力耗散配重2、支撑杆3的动能，实现配重2、支撑杆3动能的耗散，抑制监测***的噪声。阻尼***对摆臂摆动起阻尼作用，以耗散摆臂的动能，抑制自稳定阻尼振动监测仪的噪声信号。若不加装阻尼***，若给其一个振动信号(冲量)后，在没有外部作用力的干预下，其振动将一致持续，对振动的实时测试没有意义。若给其持续的振动信号，前期接收到振动信号为测试时的干扰信号，即噪声信号，将导致监测信号被噪声信号淹没，监测结果失去意义。

在配重2和支撑杆3或配重2和支撑杆3及其支撑的物体所构成结构运动的过程中，阻尼***对配重2和支撑杆3或配重2和支撑杆3及其支撑的物体所构成结构提供一个滚动摩擦作用力，持续阻碍配重2和支撑杆3或配重2和支撑杆3及其支撑的物体所构成结构的运动；阻尼***将配重2和支撑杆3或配重2和支撑杆3及其支撑的物体所构成结构传递过来的能量通过自身***耗散掉，对配重2和支撑杆3或配重2和支撑杆3及其支撑的物体所构成结构实现持续耗能。若本发明接收到脉冲振动信号，配重2和支撑杆3或配重2和支撑杆3及其支撑的物体所构成结构运动后，在阻尼***作用下，配重2和支撑杆3或配重2和支撑杆3及其支撑的物体所构成结构运动逐渐减慢，直至停止。若本发明接收到持续的振动信号，噪声信号被衰减削弱，噪声滤波算法辅助下，完成对振动信号的实时监测。

阻尼***参数属于自稳定阻尼振动监测仪自身的参数。阻尼越大，噪声抑制效果越好。但是，阻尼太大，将会降低自稳定阻尼振动监测仪的振动精度；阻尼太小，噪声抑制不了。因此，阻尼***参数应根据实际情况适当选取。阻尼***参数包括摩擦系数、粘滞系数(后文所说明的液体)、配重2的曲面外形结构、支撑面1-1外形结构等。

对支撑面1-1进行增大摩擦力处理，比如，底座1支撑面1-1通过打磨、刻蚀、腐蚀等手段进行表面处理提高摩擦系数；或在支撑面1-1上铺设增大摩擦力的材料，比如，在其表面铺垫绒布、纱布、高分子材料等提高摩擦系数，以实现增大支撑面1-1与配重2的曲面2-1之间滚动摩擦力的目的。

支撑杆3下端与配重2的上表面固定连接，其上端向上延伸，其摆动幅度表征监测位置的振动强度，其摆动方向的水平分量的方向为震源方向的水平分量的方向即其用于指示震源方向的水平分量的方向。支撑杆3用于对配重2和支撑杆3或配重2和支撑杆3及其支撑的物体所构成结构合在一起的重心的位移进行放大，也就是支撑杆3对监测位置的振动强度进行放大。本文中，将支撑杆3对配重2和支撑杆3或配重2和支撑杆3及其支撑的物体所构成结构合在一起的重心的位移放大倍数，简称为支撑杆3的位移放大倍数。

为了得出监测位置的振动强度的数值和震源方向的水平分量方向的数值，本发明采用监测指示单元来实现。监测指示单元用于基于支撑杆3或该支撑杆3所支撑的物体相对于支撑杆3或该支撑杆3所支撑的物体静止时的位置所摆动的位移参量和方向指示监测位置的振动强度的数值和震源方向的水平分量方向的数值。图1-4所示的实施例中，监测指示单元包括位移传感器4及计算单元5。

一并参见图4，计算单元5与位移传感器5通过无线或有线连接。

位移传感器4设置于支撑杆3，其用于支撑杆3摆动时获取自身的位移参量。位移传感器4将所获取的位移参量转换为对应的电信号后输出。

计算单元5基于该支撑杆3的位移放大倍数、阻尼***的阻尼参数及所获取的位移参量计算出监测位置的振动强度的数值和震源方向的水平分量方向的数值。具体的，计算单元5将位移传感器4所输出的电信号转换为对应的位移参量，然后基于该对应的位移参量、支撑杆3的位移放大倍数K及阻尼***参数通过噪声滤波算法计算出监测位置的振动强度的数值和震源方向的水平分量方向的数值。噪声滤波算法可以但不限于为卡尔曼滤波算法。

噪声滤波算法具体应用为：位移传感器4获取到的位移参量中，包含有自身的位移(矢量)、位移的一阶导数(速度，矢量)、位移的二阶导数(加速度，矢量)、位移的三阶导数(矢量)，转动惯量(矢量)等物理参数。将支撑杆3的位移放大倍数K、阻尼***参数及前述所获取到的物理参数代入噪声滤波算法进行处理，滤掉噪声等干扰信号，直接算出即时监测位置的振动强度的数值和震源方向的水平分量方向的数值。

支撑杆3的位移放大倍数K将在后文进行说明。

支撑杆3及其支撑的物体和配重2所构成结构的重心位于配重2内。该重心位于配重2内，为自稳定结构，支撑杆3及其支撑的物体和配重2所构成结构摆动时，不会倾倒。支撑杆3及其支撑的物体和配重2所构成结构的重心与支撑面1-1的距离与震源的振动波长可比时，支撑杆3及其支撑的物体和配重2所构成结构与震源的振动发生共振，监测精度提高。

图5、6示例性示出本发明众多实施例中的另一种自稳定阻尼振动监测仪的实施例。图5、6与图1-4所示的实施例不同之处在于：图5、6所示的实施例中，支撑面1-1为内凹的曲面，该曲面为球面，配重2被限定在底座1内凹的曲面区域内运动。除此之外，其他均匀与图1-4所示的实施例相同。

图7、8示例性示出本发明众多实施例中的再一种自稳定阻尼振动监测仪的实施例。图7、8与图1-4所示的实施例不同之处在于：图5、6所示的实施例中，支撑面1-1为盛装于底座1凹腔内液体7的液面，配重2被限定液面区域内运动，液体7可以但不限于油脂。在收到外部振动信号摆动时，液体与配重2的曲面2-1的摩擦作用力能够让支撑杆3及其支撑的物体和配重2所构成结构的摆动减慢，摩擦作用力耗散支撑杆3及其支撑的物体和配重2所构成结构的动能，抑制监测***的噪声。除此之外，其他均匀与图1-4所示的实施例相同。

一并参见图9-11，在一些实施例中，底座1内凹的曲面1-1为球面，该内凹的曲面1-1设有凸起的定位凸台1-2，配重2的曲面2-1设有与该定位凸台1-2相活动适配的定位凹槽2-2，以对配重2进行定位。

图12、13示例性示出本发明众多实施例中的第四种自稳定阻尼振动监测仪的实施例。图12、13与图5、6所示的实施例不同之处在于：图12、13所示的实施例中，监测指示单元包括第一指示盘8及指针3-1。第一支架包括两根立柱9及横杆10，该两根立柱9的一端分别与底座1上表面固定，其另一端分别向上延伸，横杆10的两端分别通过螺钉与该两根立柱9固定。第一指示盘8固定于横杆10并设置于支撑杆上3方，其包括沿其径向延伸并横向布置的第一标识8-1及环绕其周向并沿上下方向延伸的第二标识8-2。指针3-1由支撑杆3上端形成，其与第一标识8-1配合用于指示震源方向的水平分量方向的数值并与第二标识8-2配合指示监测位置的振动强度的数值。图12、13所示的实施例中，支撑杆上3上没设置其所支撑的物体。支撑杆3和配重2所构成结构的重心位于该配重2内。该重心位于配重2内，为自稳定结构，支撑杆3和配重2所构成结构摆动时，不会倾倒。支撑杆3和配重2所构成结构的重心与支撑面1-1的距离与震源的振动波长可比时，支撑杆3和配重2所构成结构与震源的振动发生共振，监测精度提高。除此之外，其他均匀与图5、6所示的实施例相同。

图14、15示例性示出本发明众多实施例中的第五种自稳定阻尼振动监测仪的实施例。图14、15与图5、6所示的实施例不同之处在于：图14、15所示的实施例中，监测指示单元包括第二指示盘11及光束发射装置12。第二支架包括4根立柱13，该4根立柱13的一端分别与底座1上表面固定，其另一端分别向上延伸并通过螺钉与第二指示盘11下表面固定。第二指示盘11包括指示面11-1、设置于指示面11-1的由一个圆或多个同心圆构成的第三标识11-2及设置于该指示面的沿该圆径向延伸的第四标识11-3。光束发射装置12设置于支撑杆3，其发射的光束指向竖直方向。支撑杆3静止时，该光束发射装置12发射的光束指向圆的圆心。光束与第三标识11-2配合指示监测位置的振动强度的数值并与第四标识11-3配合用于指示震源方向的水平分量方向的数值。第二指示盘11采用荧光屏加工制备，水平放置在光束发射装置12正上方较佳。第二指示盘11采用在导电玻璃上沉积荧光粉制备。第二指示盘11制备经纬图案，其经度即第四标识11-3为表征震源方向的水平分量方向的刻度，其维度即第三标识11-2为表征监测位置的振动强度的刻度。除此之外，其他均匀与图5、6所示的实施例相同。

图16、17示例性示出本发明众多实施例中的第六种自稳定阻尼振动监测仪的实施例。图16、17与图14、15所示的实施例主要不同之处在于：图16、17所示的实施例中，底座1为长方体结构，第三支架14固定于底座1并位于配重2、支撑杆3的侧面。第二指示盘11安装于第三支架14并竖直放置，其指示面11-1朝向配重2、支撑杆3。光束发射装置12的发射的光束指向水平方向。除此之外，其他均匀与图14、15所示的实施例相同。

本发明中，光束发射装置12可以但不限于为激光笔。

图1-8所示的实施例中，支撑杆3所支撑的物体为位移传感器4。图14-17所示的实施例中，支撑杆3所支撑的物体为光束发射装置12。

当接收振动信号时，底座1开始运动，配重2、支撑杆3在惯性作用下，没有位移；然后，在支撑面1-1与配重2的曲面2-1之间摩擦作用力下，带动配重2和支撑杆3或配重2和支撑杆3及其支撑的物体所构成结构运动，对振动的位移信号进行放大。振动信号的放大倍数K由振动感应配重2、支撑杆3与其支撑的物体结合体的重心与支撑面1-1的距离、支撑杆3的长度、光束发射装置12与第二指示盘11的距离等等共同决定。阻尼***耗散配重2、支撑杆3及其支撑的物体的动能，抑制本发明的噪声信号。

本发明中，配重2的曲面2-1与支撑面1-1的相切点为支点，或者配重2的曲面最低点为支点(适用于图7、8所呈现的实施例)。支撑杆3由轻质结构材料加工制备得到。支撑杆3长度越长，其位移放大倍数越大。支撑杆3的位移放大倍数为K；支撑杆3上端端部、位移传感器4或光束发射装置12到支点的距离为L；配重2和支撑杆3或配重2和支撑杆3及其支撑的物体所构成结构的重心到支点的距离为L₀；则位移放大倍数K＝L/L₀。将光束发射装置12的光束放大倍数为K’；光束发射装置12到第二指示盘11的距离为L’，则光束放大倍数为K’＝K(L+L’)/L。

外罩6大致呈一端封闭的筒状结构，其未封闭端朝向盖合于底座1，将配重3、支撑杆3、位移传感器4、第一指示盘8、第二指示盘11、光束发射装置12、第一、二、三支架等核心部件纳入其内进行保护。当计算单元5与位移传感器4通过无线连接时，外罩6采用不会屏蔽射频信号的材料制成。当计算单元5与位移传感器4通过有线连接时，计算单元5可以与位移传感器4制成一体，也可以通过柔性轻质通信线连接，等等。

需要说明的是，上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何适合的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再进行描述。

上面参照实施例对本发明进行了详细描述，是说明性的而不是限制性的，在不脱离本发明总体构思下的变化和修改，均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种自稳定阻尼振动监测仪，包括：

底座，其包括朝向上方的支撑面；

配重，其置放于该支撑面，其下表面为向下凸起的曲面，其中，该曲面与该支撑面接触；

支撑杆，其下端与该配重的上表面固定连接，其上端向上延伸，其摆动幅度表征监测位置的振动强度，其摆动方向的水平分量的方向为震源方向的水平分量的方向；

其中，所述配重的曲面与所述支撑面构成阻尼***；当所述支撑杆设有其所支撑的物体时，所述支撑杆及其支撑的物体和配重所构成结构的重心位于该配重内；当所述支撑杆上没有其所支撑的物体时，支撑杆和配重所构成结构的重心位于该配重内；所述配重静止时，所述曲面与所述支撑面之间的切点为支点。

2.根据权利要求1所述的自稳定阻尼振动监测仪，其特征在于，所述支撑面为平面、内凹的曲面或盛装于所述底座凹腔内液体的液面。

3.根据权利要求1所述的自稳定阻尼振动监测仪，其特征在于，对所述支撑面进行增大摩擦力处理或在所述支撑面上铺设增大摩擦力的材料。

4.根据权利要求2所述的自稳定阻尼振动监测仪，其特征在于，当所述内凹的曲面为球面时，该内凹的曲面设有凸起的定位凸台，所述配重的曲面设有与该定位凸台相活动适配的定位凹槽。

5.根据权利要求1所述的自稳定阻尼振动监测仪，其特征在于，所述配重的曲面为球面、椭圆曲面或抛物曲面。

6.根据权利要求1-5任一项所述的自稳定阻尼振动监测仪，其特征在于，还包括：

监测指示单元，其用于基于该支撑杆或该支撑杆所支撑的物体相对于该支撑杆或该支撑杆所支撑的物体静止时的位置所摆动的位移参量和方向指示监测位置的振动强度的数值和震源方向的水平分量方向的数值。

7.根据权利要求6所述的自稳定阻尼振动监测仪，其特征在于，所述监测指示单元包括：

位移传感器，其设置于所述支撑杆，其用于该支撑杆摆动时获取自身的位移参量，其作为所述支撑杆所支撑的物体；

计算单元，其基于该支撑杆的位移放大倍数K、所述阻尼***的阻尼参数及所获取的位移参量计算出监测位置的振动强度的数值和震源方向的水平分量方向的数值；

其中，所述位移传感器到所述支点的距离为L，所述配重、支撑杆和位移传感器所构成结构的重心到该支点的距离为L₀，则K＝L/L₀。

8.根据权利要求7所述的自稳定阻尼振动监测仪，其特征在于，所述计算单元基于该支撑杆的位移放大倍数、所述阻尼***的阻尼参数及所获取的位移参量计算出监测位置的振动强度的数值和震源方向的水平分量方向的数值的算法为噪声滤波算法。

9.根据权利要求6所述的自稳定阻尼振动监测仪，其特征在于，所述监测指示单元包括：

第一指示盘，其设置于所述支撑杆上方，其包括沿其径向延伸并横向布置的第一标识及环绕其周向并沿上下方向延伸的第二标识；

指针，其由所述支撑杆上端形成，其与所述第一标识配合用于指示所述震源方向的水平分量方向的数值并与所述第二标识配合指示所述震源的振动强度的数值。

10.根据权利要求6所述的自稳定阻尼振动监测仪，其特征在于，所述监测指示单元包括：

第二指示盘，其包括指示面、设置于该指示面的由一个圆或多个同心圆构成的第三标识及设置于该指示面的沿该圆径向延伸的第四标识；

光束发射装置，其设置于所述支撑杆，其发射的光束指向水平方向或竖直方向，其作为所述支撑杆所支撑的物体；

其中，所述支撑杆静止时，该光束发射装置发射的光束指向所述圆的圆心；所述光束与所述第三标识配合指示所述监测位置的振动强度的数值并与所述第四标识配合用于指示所述震源方向的水平分量方向的数值。