专利名称：具有单个虚拟质心的振动传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及振动传感器领域，且更明确地说，涉及经布置以在多个轴中测量空间 振动的振动传感器。
背景技术：
在详细陈述本发明的背景技术之前，陈述下文将用到的某些术语的定义可能是有 帮助的。如本文在本申请案中所使用的术语“振动”可指代(例如)微粒或弹性固体或表 面越过中心位置的来回振荡，其中所述振荡可为或可不为周期性的。振动可尤其起源于机 械、水文或地质系统中。任何振动均可由展现可测量频率和振幅的变动等级的空间压力来 表征。如本文在本申请案中所使用的术语“换能器”可指代(例如)将从冲击或振动运 动的压力得出的能量转换成另一类型的信号(例如光学、机械、电信号，或任何其它信号) 使得经转换的信号与原始振动信号的一个或一个以上运动参数成比例的装置。如本文在本申请案中所使用的术语“换能元件”可指代(例如)换能器的将振动 运动的压力能量转换成不同类型的信号的部分。振动传感器的挑战之一是在各种环境下确定振动的方向和强度。关于振动的定量 时空信息在许多不同技术领域中是有价值的，例如地震的地震测绘、定位隧道活动以及侵 入事件检测。虽然各种振动传感器是此项技术中已知的，但此些振动传感器的特性且因此 局限性通常受用于实施振动传感器的换能器的特定技术支配。因此，提供一种实现振动信号的时空测量的技术独立振动传感器将是有利的。
发明内容
因此，本发明的主要目标是克服现有技术的缺点。本发明中通过实施在所揭示的 振动传感器的虚拟质心中感测振动时空信号的概念来提供此目标。此外，所揭示的振动传 感器的实施方案是关于所使用的换能器的类型独立的技术，且因此使得能够使用任何类型 的换能器，例如压力传感器、速度传感器、加速传感器等。在本发明的实施例中，提供一种在振动传感器的单个虚拟质心中测量振动信号的 方法，所述方法包括使腔表面以中心点为中心；以及从与腔表面并置的至少四个测量点 测量振动，其中至少两个测量点沿穿过中心点的第一轴定位，且至少两个测量点沿穿过中 心点的第二轴定位。在实施例中，进一步提供一种振动传感器，其使得能够在传感器的单个虚拟质心中测量振动信号。所述振动传感器包括位于外壳内的腔，其展现腔中心和腔表面，其中腔 表面的所有部分与腔中心大体上等距；以及至少两对振动敏感换能器，其中每一换能器具 有一主体，其包含第一末端部分、第二末端部分以及中心轴片段，所述中心轴片段在第一末 端部分与第二末端部分之间轴向穿过主体的中心；且其中第一末端部分操作上与腔表面相 关联，且包含换能元件接纳器部分；且其中第二末端部分与外壳以及所述两个或两个以上 换能器对中的每一换能器对操作相关联，且包含穿过第一换能器的中心片段、腔中心以及 第二换能器的中心片段的轴。
为了更好地理解本发明且展示可如何实现本发明，现在将纯粹以实例的方式参考 附图，在附图中相同标号始终表示对应的元件或部分。现在详细地具体参考图式，强调指出所展示的细节是作为实例，且仅用于说明性 地论述本发明的优选实施例的目的，且是为了提供相信是对本发明的原理和概念性方面的 最有用且容易理解的描述的内容而呈现。在这点上，并不试图相较于对本发明的基本理解 所必需更详细地来展示本发明的结构细节，结合图式进行的描述使所属领域的技术人员明 白可如何在实践中实施本发明的若干形式。在附图中图1是展示根据本发明一些实施例的测量振动信号的方法的高级流程图；图2是展示根据本发明一些实施例的用于测量振动信号的系统的高级示意性框 图；图3是展示根据本发明一些实施例的振动传感器的高级示意性机械图；以及图4是展示根据本发明一些实施例的传感器信号处理器的高级示意性框图。图式连同描述内容一起使所属领域的技术人员明白可如何在实践中实施本发明。
具体实施例方式在详细阐释本发明的至少一个实施例之前，应理解，本发明的应用不限于以下描 述内容中所陈述或图式中所说明的组件的构造细节和布置。本发明可应用于其它实施例， 或以各种方式实践或实行。而且，应理解，本文所使用的措词和术语是出于描述的目的，且 不应被视为具有限制性。本发明的实施例提供一种用于从位于腔内的偶数个等距点测量振动的方法、装置 和系统。图1是展示根据本发明一些实施例的测量振动信号的方法的高级流程图。所述方 法的实施例可包括使腔表面以中心点为中心(100)；从与所述腔表面并置的至少四个测 量点测量振动，其中至少两个测量点沿穿过中心点的第一轴定位，且至少两个测量点沿穿 过中心点的第二轴定位(110)；任选地，放大从至少四个测量点中的两个或两个以上测量 点测量到的信号(120)；以及进一步任选地，对从至少四个测量点中的两个或两个以上测 量点测量到的信号进行相加和相减，以提取传感器的虚拟质心处的振动信号的频率和振幅 (130)。图2是说明根据本发明一些实施例的振动测量系统的高级框图。系统10包括耦 合到传感器信号处理器30的振动传感器20。
在操作中，系统10能够在单个虚拟点中测量时空振动信号的多个轴向分量，其中 测量是在接近虚拟点但并非在虚拟点处的若干点中进行的。这是通过测量沿多个(N>2 个)轴的振动且产生多个(2N个)输出来实现的。2N个输出可包含分别对应于N个轴的N 对输出。举例来说，对应于N个轴中的一个轴的一对输出可包含对应于沿所述轴的一对振 动测量值的一对值。传感器信号处理器30能够处理时空振动信号的轴向分量，且又产生振 动信号的表征参数，例如频率和振幅。具体地说，传感器信号处理器30可经布置以基于2N 个输出信号中的一者或一者以上来产生一个或一个以上振动输出结果。举例来说，所述结 果可包含对应于沿2N个轴中的一者或一者以上的振动的值(例如量值、频率和/或向量)。任选地，传感器信号处理器30提供对由至少两对换能器中的每一者产生的信号 进行相加和相减中的至少一者。图3是说明根据本发明一些实施例的振动传感器200的高级机械图。振动传感器 200经布置以使得可相对于单个虚拟质心测量大体上所有振动测量值。具体地说，振动传感 器200可大体上同时提供2N个输出。振动传感器200可在外壳220内包含腔210。腔210可包含中心230和表面240， 其中所述表面的所有部分与腔中心230大体上等距，例如如下文所述。振动传感器200还 可包含两对或两对以上振动敏感换能器250A到250D，其中所述两对或两对以上中的每一 对的每一换能器适于与至少一个信号解译器(未图示)通信。换能器250A到250D中的每 一者具有一主体，所述主体包含第一末端部分、第二末端部分以及中心轴片段，所述中心轴 片段在第一末端部分与第二末端部分之间轴向穿过主体的中心。第一末端部分操作上与腔表面240相关联，且包含换能元件接纳器部分。第二末 端部分与外壳操作相关联，且两个或两个以上换能器对250A-B和250C-D中的每一换能器 对包含穿过第一换能器的中心片段、腔中心以及第二换能器的中心片段的轴。在示范性实施例中，两个或两个以上换能器对250A-B和250C-D的轴是平面的，且 穿过至少一个第一换能器对的至少一个第一轴相对于穿过至少一个第二换能器对的至少 一个第二轴而成垂直和倾斜成角度中的至少一者。或者，所述至少两个换能器对250A-B和250C-D可包括至少三个换能器对，且至少 一个第三换能器对相对于至少两个平面换能器对的平面而成平面和倾斜中的至少一者，且 至少一个第三换能器对轴垂直于所述至少两个换能器对250A-B和250C-D的平面。任选地，所述至少三个换能器对可包括至少四个换能器对，且包含与两个或两个 以上平面轴成45度角的至少一个第四换能器对。任选地，至少一个换能器对中的每一换能器包含放大外壳。具体地说，如图2中所说明的振动传感器200说明能够测量分别沿N = 2个轴的 振动的振动传感器，所述轴表示为A和B。更明确地说，振动传感器200可在外壳220内包括腔210。腔210可受腔壁表面 240限制。振动传感器200可包含多个(2N个)换能器250A-D，其安装到腔壁表面240，使得 每一对换能器250A-D沿N个轴中的相应轴安装。举例来说，如图2中所示，振动传感器200 可包含第一对换能器250A-B，其沿轴A安装到腔表面壁240 ；以及第二对换能器250C-D， 其沿轴B安装到腔表面壁240。腔表面壁240可包含(例如)实质上刚性的壁，例如球形振 动传输腔壁。可使用任何合适的安装方法或元件将换能器安装到腔表面壁240。
换能器250A-D可包含任何合适类型的质量-弹簧换能器，其如此项技术中已知且 包括经由质量M耦合到阻尼器C的弹簧K。大体上所有2N个换能器250A-D可相对于虚拟质心230对称定位。举例来说，所 述换能器中的每一者的惯性质量的质心(表示为M)可定位在距虚拟质心210预定距离处。大体上所有2N个换能器可具有大体上相同的性质。在一个实例中，2N个换能器可 包含2N个相同换能器。如图3中所示，每一对换能器250A-B和250C-D可包含分别在轴A和B的相对侧 安装到腔表面壁240的两个换能器。在相对侧处用弹簧连接到共用固体框的质量围绕其质心振荡的虚拟质心可被分 成两个单独的质量，其将继续围绕同一虚拟质心振荡。因此，换能器对250A-B和250C-D中 的每一者可测量表示位于虚拟质心230处的信号质量的分别沿轴A和B的振动的振动。在一个实例中，所述换能器中的每一者可具有一主体，所述主体具有第一末端；第 二末端；以及位于第一末端与第二末端之间的中心轴片段，其穿过主体的中心，每一主体包 含适于与信号解译器通信的端口。每一第一换能器末端可在操作上与外壳相关联。每一第 二换能器末端包含在操作上与腔表面壁240相关联的换能元件。在示范性实施例中，换能器对250A-B和换能器对250C-D围绕腔210成对，使得第 一轴穿过每一对的第一换能器、腔的中心且穿过每一对的第二换能器；第一和第二换能器 对提供来自虚拟质心240的振动信息。在示范性实施例中，穿过第一和第二换能器对的轴是平面的且彼此垂直。如本文 所使用，平面轴可指代沿单个平坦平面放置的轴。所述换能器中的一者或一者以上可包含放大外壳以放大所述振动。换能器250A-B和250C-D可产生2*2 = 4个输出信号。例如对应于上文参考图2 所描述的输出信号。图2的传感器信号解译器可使用换能器250A-B和250C-D的输出信号， 例如以在量值、频率和/或向量方面表征沿轴A和/或B的振动。尽管上文的描述内容指代包含用以测量沿两个轴A和B的振动的两对换能器 250A-B和250C-D的振动传感器，但在其它实例中，传感器可包含任何其它合适数目的对和 换能器，以测量沿任何其它合适数目的轴的振动。举例来说，传感器可实施沿至少三个轴定 位的三对换能器，其可彼此垂直，且进而表征X、Y和Z轴中的振动。在上文所述的实例中，所述轴可彼此正交。在其它实例中，所述轴可包含两个或两 个以上非正交轴，例如如果N> 3。尽管图3说明球形腔表面壁240，但在其它实例中，腔壁可具有任何其它合适形 状。此外，换能器的位置无需必定相对于中心等距。而是，每一换能器因此可位于距中心某 一距离处，所述距离与每一特定换能器的质量成反比。这确保多个轴中的振动信号的差分测量。图4是展示根据本发明一些实施例的传感器信号处理器30的高级示意性框图。所 展示的信号处理器能够处理由振动传感器内的两对换能器测量的信号，每一对位于越过振 动传感器的中心的不同轴上。具体地说，传感器信号处理器30包括轴A模拟调节模块310 和轴B模拟调节模块320，每一模拟调节模块310和320包括差分放大器312到314，其由 两个换能器对150A-B和150C-D馈入；陷波滤波器330和332 ；以及低通滤波器350和352。轴A模拟调节模块310和轴B模拟调节模块320的输出被馈入到模/数转换器370，且又馈 入到数字信号处理器380。在操作中，每一差分放大器能够对从同一对到达的两个信号进行相减，且进一步 传递差分信号，以供数字信号处理器380进一步提取振动信号的频率和振幅。
根据本发明的一些实施例，传感器信号处理器30可在数字电子电路中或在计算 机硬件、固件、软件中或在其组合中实施。传感器信号处理器30可有利地在一个或一个以上计算机程序中实施，所述计算 机程序可在可编程系统上执行，所述可编程系统包含至少一个可编程处理器，其经耦合以 从数据存储系统接收数据和指令以及将数据和指令传输到数据存储系统；至少一个输入装 置；以及至少一个输出装置。计算机程序为可直接或间接地在计算机中使用以执行某一活 动或产生某一结果的一组指令。计算机程序可以任何形式的编程语言(包含经编译或经解 译的语言)书写，且计算机程序可以任何形式部署，包含部署为独立程序，或部署为模块、 组件、子例行程序或适合在计算环境中使用的其它单元。用于执行用于处理时空振动信号的指令程序的合适处理器包含(例如)数字信号 处理器(DSP)以及通用微处理器，以及任何种类的计算机的唯一处理器或多个处理器中的 一者。一般来说，处理器将从只读存储器或随机存取存储器或两者接收指令和数据。计算 机的基本元件是用于执行指令的处理器，以及用于存储指令和数据的一个或一个以上存储 器。处理器和存储器可由ASIC(专用集成电路)补充或并入ASIC中。在上文的描述中，实施例是本发明的实例或实施方案。“一个实施例”、“实施例”或 “一些实施例”的各种表现不必全部指代相同的实施例。尽管可在单个实施例的上下文中描述本发明的各种特征，但所述特征也可单独或 以任意合适组合提供。相反，尽管本文可能为了清楚起见而在多个单独实施例的上下文中 描述本发明，但本发明也可在单个实施例中实施。说明书中对“一些实施例”、“实施例”、“一个实施例”或“其它实施例”的参考意味 着结合实施例而描述的特定特征、结构或特性包含在本发明的至少一些实施例中，但不一 定是所有实施例。应理解，本文所使用的措词和术语不应被解释为具有限制性，而是仅用于描述性 目的。可参考所附的描述、图和实例更好地理解本发明的教示的原理和使用。应理解，本文所陈述的细节并不解释对本发明的应用的限制。此外，应理解，本发明可以各种方式实行或实践，且本发明可在不同于以上描述中 所概述的实施例的实施例中实施。应理解，术语“包含”、“包括”、“由...组成”及其语法变型不排除添加一个或一 个以上组件、特征、步骤或整数或其群组，且所述术语应被解释为指定组件、特征、步骤或整数。如果说明书或权利要求书提到“额外”元件，那么其不排除存在一个以上所述额外 元件。应理解，在权利要求书或说明书提到“一”元件的情况下，不应将此参考解释为仅 存在一个所述元件。
应理解，在说明书陈述“可”或“可能”包含组件、特征、结构或特性的情况下，不要 求包含所述特定组件、特征、结构或特性。在适用的情况下，尽管可使用状态图、流程图或两者来描述实施例，但本发明不限 于那些图或对应描述。举例来说，流程无需移动穿过每一所说明的框或状态，或具有与所说 明和描述的次序完全相同的次序。可通过手动、自动或其组合执行或完成选定步骤或任务来实施本发明的方法。术语“方法”可指代用于实现给定任务的方式、手段、技术和程序，包含(但不限 于)本发明所属领域的技术人员已知或由所属领域的技术人员从已知方式、手段、技术和 程序容易地开发的那些方式、途径、技术和程序。权利要求书和说明书中所呈现的描述、实例、方法和材料不应被解释为具有限制 性，而是应被解释为仅具有说明性。本文所使用的技术和科学术语的意义应为如本发明所属领域的一般技术人员通 常所理解的那样，除非另有定义。在测试或实践中，可用与本文所描述的那些方法和材料等效或类似的方法和材料 来实施本发明。本说明书中参考或提及的任何公开案(包含专利、专利申请案和文章)在此全文 并入本说明书中，达到如同每一个别公开案被特定且个别地指示以并入在本文中相同的程 度。另外，本发明的一些实施例的描述中的任何参考的引用或识别不应被解释为承认此参 考可用作本发明的现有技术。虽然已相对于有限数目的实施例描述了本发明，但这些实施例不应被解释为对本发明的范围的限制，而是应被解释为一些优选实施例的范例。其它可能变化、修改和应用也 在本发明的范围内。因此，本发明的范围不应受至此已描述的内容限制，而是应受所附权利 要求书及其合法均等物限制。
权利要求
一种振动传感器，其使得能够在所述传感器的单个虚拟质心中测量振动信号，所述传感器包括外壳；在所述外壳内的腔，所述腔展现腔中心和腔表面，其中所述腔表面的所有部分大体上与所述腔中心等距；以及至少两对振动敏感换能器，每一对包括第一和第二换能器，其中每一换能器具有一主体，所述主体包含第一末端部分、第二末端部分和中心轴片段，所述中心轴片段在所述第一末端部分与所述第二末端部分之间轴向穿过所述主体的中心；且其中所述第一末端部分操作上与所述腔表面相关联，且包含换能元件接纳器部分；且其中所述第二末端部分与所述外壳以及两个或两个以上换能器对中的每一换能器对操作相关联；且其中第一换能器的中心片段、所述腔中心和第二换能器的中心片段位于共用轴上。
2.根据权利要求1所述的振动传感器，其中所述两个或两个以上换能器对的轴是平面 的，且穿过至少一个第一换能器对的至少一个第一轴相对于穿过至少一个第二换能器对的 至少一个第二轴而成垂直和倾斜成角度中的至少一者。
3.根据权利要求1所述的振动传感器，其中所述至少两个换能器对包括至少三个换能 器对，且至少一个第三换能器对相对于所述至少两个平面换能器对的平面而成平面和倾斜 中的至少一者，且至少一个第三换能器对轴垂直于所述至少两个换能器对的所述平面。
4.根据权利要求3所述的振动传感器，其中所述至少三个换能器对包括至少四个换能 器对，且包含与所述两个或两个以上平面轴成45度角的至少一个第四换能器对。
5.根据权利要求1所述的振动传感器，其中至少一个换能器对的每一换能器进一步包 含放大外壳。
6.根据权利要求1所述的振动传感器，其中所述换能器包括质量-弹簧换能器，其包括 经由质量耦合到阻尼器的弹簧。
7.根据权利要求1所述的振动传感器，其中大体上所有2N个换能器均相对于虚拟质心 对称定位。
8.根据权利要求7所述的振动传感器，其中所述换能器定位在距所述虚拟质心预定距 离处。
9.根据权利要求7所述的振动传感器，其中所述换能器对围绕所述腔成对，使得第一 轴穿过每一对的第一换能器、所述腔的中心且穿过每一对的第二换能器；所述第一和第二 换能器对提供来自所述虚拟质心的振动信息。
10.根据权利要求7所述的振动传感器，其中穿过所述第一和第二换能器对的所述轴 是平面的且彼此垂直。
11.根据权利要求1所述的振动传感器，其进一步包括传感器信号处理器，所述传感器 信号处理器包括差分放大功能性且经布置以对从所述每一对换能器到达的两个信号进行 相减；且处理差分信号，以提取所述传感器的所述虚拟质心处的所述振动信号的频率和振 幅。
12.—种在振动传感器的单个虚拟质心中测量振动信号的方法，所述方法包括使腔 表面以中心点为中心；以及从与所述腔表面并置的至少四个测量点测量振动，其中至少两 个测量点沿穿过所述中心点的第一轴定位，且至少两个测量点沿穿过所述中心点的第二轴 定位。
13.根据权利要求12所述的方法，其进一步包括放大从至少四个测量点中的两个或两个以上测量点测量到的信号。
14.根据权利要求12所述的方法，其进一步包括对来自每一对点的每两个测得信号应 用差分放大，从而产生差分信号。
15.根据权利要求14所述的方法，其进一步包括处理来自所述对点的所述差分信号， 以提取所述传感器的所述虚拟质心处的所述振动信号的频率和振幅。
全文摘要
本发明提供一种振动传感器，其使得能够在所述传感器的单个虚拟质心230中测量振动信号，所述传感器包含在外壳220内的腔210，所述腔210展现腔中心230和腔表面240，其中所述腔表面240的所有部分大体上与腔中心230等距；以及两对振动敏感换能器250A-D，其中每一换能器250A-D具有一主体，所述主体包含第一末端部分、第二末端部分和中心轴片段A、B，所述中心轴片段A、B在所述第一末端部分与所述第二末端部分之间轴向穿过所述主体的中心；且其中所述第一末端部分包含换能元件接纳器部分；且其中所述第二末端部分与所述外壳220以及两个或两个以上换能器对250A-D中的每一换能器对操作相关联，且包含穿过第一换能器的中心片段、腔中心230和第二换能器的中心片段的轴。
文档编号G01H1/00GK101815930SQ200880110128
公开日2010年8月25日 申请日期2008年10月7日 优先权日2007年10月9日
发明者利尔·纳出姆, 利温·甘, 赛沃-尤恩·米坎 申请人:蜘蛛科技安全有限公司