外引电容式测量地面微量水平振动的装置

摘要

本发明公开了一种外引电容式测量地面微量水平振动的装置，由标准信号发生器（11）、外引电容式传感器（12）、负反馈运算放大器（13）和低通滤波器及显示系统（14）组成；所述外引电容式传感器包括地面上设置的外引铜柱（5），及其顶端设置的电容片（4），在铜柱的外围、方圆2m

说明书

技术领域

本发明涉及一种水平振动的测量装置，特别涉及一种外引电容式位移传感器及振动测 试，适用于地面微量振动的测量。

背景技术

高坝泄流结构在长期泄流荷载作用下极易发生疲劳或振动破坏，严重影响工程的正常 运行和效益的发挥。因此必须寻找有效的检测手段，以快速、准确地发现水工结构中存在 的隐患及病害，有效预报其安全状况，对其运行的可靠性进行评估。因此，如何精确、便 捷地获取结构的振动信息是水工结构运行状态监测的重要前提。现有的振动测试手段均是 对振动结构安装位移或加速度传感器，以获取结构的振动参数。有些大体积混凝土微量振 动时，水平向振动不能用位移或加速度传感器进行测量。

在结构的微量位移测试中存在一种非接触式电容型位移传感器，这种传感器一般结构 包括测量电极、屏蔽保护电极两部分组成。其进行位移测量的原理方法和仪器也很多。如： 电容运算法、电容谐振法等等，通过变换将被测位移转换为电量输出。以电容运算法测量 仪为例：该仪器的测量原理是以电容运算法的电压输出其中，V_b为仪器 电路的标准信号电压；C_b为仪器电路中的标准电容。由公式可以看出其电压输出与被测位 移成正比。非接触式电容型位移传感器具有很多优良的特性，应用十分广泛，但不适用于 大体积物体振动的测试。

发明内容

本发明的目的，是针对大坝安全监测中存在的大体积混凝土微量水平振动难以精确测 试的的不足，提供一种制作简便，能够便捷、精确地测量水工结构的微量振动的外引电容 式测量地面水平振动的装置。

本发明通过如下技术方案予以实现。

一种外引电容式测量地面微量水平振动的装置，由标准信号发生器11、外引电容式传 感器12、负反馈运算放大器13和低通滤波器及显示系统14组成；所述外引电容式传感器 12包括测量电极和屏蔽电极，其特征在于，在振动地面上设置有外引铜柱5，在外引铜柱5 顶端两个相互垂直的竖直面分别设置有电容片4，各自作为电容的一个电极；在铜柱5的外 围、方圆2m²的位置设置有隔振沟8，隔振沟8为封闭的长方形结构，其深度为1m，宽度 为0.2m；所述隔振沟8的外侧的对称位置设置有钢柱A6和钢柱B10，两钢柱的顶端设置有 钢梁7，在钢梁7的下面设置有测量电极1、屏蔽电极2和屏蔽电极壳3；屏蔽电极2呈90° 对折形状，屏蔽电极壳3的两端垂直位置设置有一对测量电极1，所述一对测量电极1与两 个电容片4相对应；在隔振沟8的封闭范围内具有激励源9；所述外引电容式传感器12的 前端与标准信号发生器11相连接，外引电容式传感器12的后端依次连接负反馈运算放大 器13和低通滤波器及显示系统14。

所述隔振沟8也可以是封闭的任意形状。

所述铜柱5的为高度5cm、直径0.5cm的圆柱体。

所述钢柱A6和钢柱B10为高度10cm、直径1cm的圆柱体。

本发明的有益效果是，不仅具备现有的电容型非接触式位移测量方法所具有的无接触测 量误差、摩擦热噪声和热损耗；还具备测量速度快、频率响应好、信噪比高和输入能量低 的特点。此外本发明结构简单、使用方便，改进了普通电容型位移传感器只能测试一个方 向位移的缺点，可以同时测试水平面上两个相互垂直方向的振动，因此可专门用于现有传 感器无法精确测试的地面微量的水平振动。

附图说明

图1为本发明外引电容式传感器的正视图；

图2为图1的外引电容式传感器的俯视图；

图3为一种外引电容式测量地面微量水平振动的装置的结构框图。

本发明的附图标记如下：

1———测量电极                2———屏蔽电极

3———屏蔽电极壳              4———电容片

5———外引铜柱                6———钢柱A

7———钢梁                    8———隔振沟

9———激励源                  10———钢柱B

11———标准信号发生器         12———外引电容式传感器

13———负反馈运算放大器       14———低通滤波器及显示系统

具体实施方式

本发明充分利用了结构振动的特点，对于竖直固定在地面上的小质量柱体，当地面的振 动频率远小于柱体的自振频率时，柱体的振动情况与地面的振动完全一致。此外本发明的 测试装置采用电容式传感器，可以同时测试水平面上两个垂直方向的振动。

外引电容式测量地面微量水平振动装置的工作原理是，电压输出通过 变换将被测位移转换为电压输出，电压输出与被测位移成正比。竖直固定在地面上的铜柱 的振动情况与地面的振动完全一致。因此，通过电压的变化与地面位移成正比，通过电压 的输出可以计算出地面位移的变化。

如图2所示，本发明由标准信号发生器11、外引电容式传感器12、负反馈运算放大器 13和低通滤波器及显示系统14组成。

图1是本发明外引电容式传感器的结构示意图，图2是图1的俯视图。由图中可以看 出，在振动地面上设置有外引铜柱5，在外引铜柱5顶端两个相互垂直的竖直面分别设置有 电容片4，各自作为电容的一个电极；在外引铜柱的外围、方圆2m²的位置设置有隔振沟8， 隔振沟8为封闭的圆形结构，也可以是封闭的任意形状，其深度为1m，宽度为0.2m；所述 隔振沟8的外侧的对称位置设置有钢柱A6和钢柱B10，其高度为10cm、直径1cm的圆柱 体；两钢柱的顶端设置有钢梁7，在钢梁7的下面设置有测量电极1、屏蔽电极2和屏蔽电 极壳3；屏蔽电极2呈90°对折形状，屏蔽电极壳3的两端垂直位置设置有一对测量电极1， 所述一对测量电极1与两个电容片4相对应；在隔振沟8的封闭范围内还设置有激励源9； 所述外引电容式传感器12的前端与标准信号发生器11相连接，外引电容式传感器12的后 端依次连接负反馈运算放大器13和低通滤波器及显示系统14。

下面以地面存在振幅为0.1μm、频率为1HZ的正弦振动为例说明本发明的使用情况。

将高度为5cm，直径为0.5cm的外引铜柱5竖直固定于地面上，此铜柱自振频率很高， 达到几十赫兹以上，远大于地面的振动频率，因此任一时刻铜柱的运动参数（位移、加速 度等）与地面的运动参数几乎完全相同。所以地面的振动可以通过测量铜柱的振动得出。 选取铜柱时一定要选取自振频率大的铜柱，铜柱的自振频率越大，铜柱反映地面振动的精 度越高。在外引铜柱顶端两个相互垂直的竖直面上固定有电容片，各自作为电容传感器的 一个极。在激励源9的作用下地面发生振动，振动地面周围有方圆2m²、宽0.2m、深1m的 隔振沟8，避免了周围大地振动对激励源作用下地面振动的干扰。钢梁7由竖立在隔振沟8 外侧的钢柱A6和钢柱B10支撑，电容型位移传感器12的测量电极1、屏蔽电极2安装在 钢梁7上。测量电极1与外引铜柱5上固定的电容片4分别组成电容的两对电极，形成电 容传感器。地面发生振动时，打开仪器开关，钢柱的振动导致电容传感器的电极之间距离 发生变化，标准信号发生器11产生的信号经过电容型位移传感器发生变化，变化的信号经 过负反馈运算放大器13和低通滤波器14后可以在显示系统14中显示出来。