TELKOM NIKA , Vol. 11, No. 5, May 2013, pp. 2502 ~ 2507   ISSN: 2302-4 046           2502      Re cei v ed  Jan uary 22, 201 3 ;  Revi sed Ma rch 1 0 , 2013;  Acce pted Ma rch 2 0 , 2013   Magnetoelectric Speed  Sensor to Detect Ultra-Low  Frequency Vibrations      Dong  Ke*, Qian Yuxia, Yuan Zhangy Dep a rtment of Mecha n ica l  an d Electron ic En gin eeri ng, Sha ndo ng W a ter P o l y t e ch nic   Rizha o 27 68 26 , China     *Corres pon di n g  author, e-ma i l : dongk e_ 199 8@1 63.com       A b st r a ct  Ultra-low  fre q u ency vi brati ons  are  ord i nary  p h ysical  p hen o m e na,  and  a b s olute  vibr ant  sensor s   are us ua lly  use d  to d e tect the m . T he  auth o prese n ts  met hod t hat us ing   ma gn etoel ectri c  spee d se nsor  to   detect ultra-l o w  frequency vi bratio ns. W i th cascad e  co rre cting circu i t, the low e st frequ ency that can  be   m e asur ed w ill  be less than 0.5H z  w h i l e the best dam p i ng is m a intained. The author  has systematicall y   ana ly z e d the c o rrectin g circui t, transfer function, t heory of oper ation, a n d  t he difference  betw een outp u t   character i stics before a nd afte r correcti ng to the ultra- low  freque ncy sens or.     Ke y w ords se nsor, ultra-l o w  freque ncy, vibr ation,  correcti n g circuit, transfer function         Copy right  ©  2013 Un ive r sita s Ah mad  Dah l an . All rig h t s r ese rved .       1. Introduc tion   Ultra - lo w freq uen cy vibrati ons  are  ordin a ry  physi cal  phen omen a, su ch a s  the v i bration s   of well hea dframes, hig h -ri s e buil d ing s , railway  and h i ghway bridg e s, dam s an d  the earthq u a k wave s. Th ese vibration s  have  the  chara c te ri sti c s of hi gh  a m plitude  (u p  to 1 0 mm),  low  freque ncy, ab unda nt of fre quen cie s  that  lowe than 1 H and hi gh  destroy po we r. They sel d o m   affect people’ s everyday li ves u nder normal condition,  but will  l e ad to  huge destroy  once they  excee d  allo wable limits. T herefo r e, the  measure and  research  of  ultra-l o w freq uen cy vibrati ons  is impo rtan ce  in engi nee rin g . There a r e t w o typical se nso r s i n  en gi neeri ng te st, magneto e le ctric  spe ed  sen s o r  an d pie z o e l e ctri c a c cele rometer. T he  piezoele c tri c   accele rom e te rs  ca n n o t b e   use d  in ultra - low fre quen cy vibration test becau se  of  their low  sen s itivity to ultr a-lo w freq uen cy   sign al, an d p i ezo e le ctric crystal  plate  d oes not  ada p t  to qu asi s tat e  test. T h e   magneto e le ctric  spe ed sen s ors have the a d vantage of anti interfere n ce a nd resi stance to imp a c t, but their low  limit of test is all over  13 Hz be ca use of  their  hi gh n a t ural fre que n c y, so th eir a c cura cy of ult r a- low frequ en cy test doe n o t adapt to  the ne ed s of   engin eeri ng [ 1 ]. The a u th or  system atically  resea r ched  the meth od s that u s ing  co rrectin g   circuit to  re duce the  te st fre que ncy  of  magneto e le ctric spee se n s ors.       2. Magnetoel ectric Spe e d  Sensor   Magneto e le ctric spee se nso r s (sp eed ometer s) h a ve the  adva n tage s of  high  outpu t   sign al, sim p le  su bsequ ent  circuit a nd  go od a n ti  interfe r en ce  ca pabil i ty, and a r e x tensively u s ed  in low frequ e n cy test. The y  belong to inertia se n s ors [2], and the mecha n ical model of inertia   sen s o r s i s  sh own in Fig u r e  1.     Speed se nso r s are   si ngle - degree -of-fre edom sy stem s, and  their freque ncy d o m a in ha s   the cha r a c teristic of seco n d  ord e r hig h -pass.  The n o r mali zation transfe r fun c tio n  betwe en th e   output voltag e and the inp u t vibration velocity is sho w n a s  follows:      Gs s ss 0 2 2 00 0 2 2 ()    (1)     whe r 0  is damping ratio, and  0  is inhe ren t  angular freq uen cy.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046     TELKOM NIKA  Vol. 11, No . 5, May 2013 : 2502 – 250 7   2503                      Figure 1. Mechani cal mod e l  of inertia se nso r       In gen eral, th e freq uen cy t hat can b e  te sted i s  hi ghe r than n a tural f r equ e n c y of  Speed  sen s o r s. At  pre s ent, the  natural f r e quen cie s  of  magneto ele c tri c  speed   sen s o r phy s ical  con s tru c tion  are g ene rally  not lowe r th an 4 H z, an the frequ en ci es that  can  b e  tested  by them  are u s ually hi gher tha n  13 Hz, so they do  not adapt to  the ultra-lo freque n cy test.      3. Design an d analy s is of  sensor   3.1. Theor y   of Oper ation  and Trans fe r Function.    In order to expand the  freque ncy re spo n se  of magneto e le ctric spee d se nso r s,   corre c ting ci rcuit is introd uce d . Corre c ting met hod s can be divided into two  forms, feed back  corre c ting  an d casca de  co rre cting  [3]. T o  second  o r d e high -pa s segm ent, fee dba ck corre c ting   redu ce s the  natural  fre q u ency  whil e th e da mp i s   al so  cut  do wn.  In o r de r to   kee p  a p p r op riate   damp  for corrected  sy stem  output  chara c teri stic, th damp  of o r igi nal dyn a mic  cha r a c teri stic is  often increa sed in  adva n ce [4]. For example a  resi stan ce  is co nne c ted  in parall e l  to  magneto e le ctric  spe ed se nso r , and th e sen s o r  da mp ca n increased by th e adju s tment  of  magneto e le ctric d a mp.  Bu t to a ce rtain  degree, this  correctin g   is a nother de cayi ng  to  fre q uen c comp one nt that has  alre ad y been atten u a ted a s  a resu lt of sen s o r s  freq uen cy chara c te risti c . So  an  a m plificati on seg m ent sho u ld be ad ded  i n   follo w- up  circuit, a n d  this will  aff e ct  sign al-n oi se  ratio. In additi on, for the  se con d  order  hi gh pa ss  se g m ent, the pha se of lo w fre q u en cy sig nal  will  distort, ph ase differen c nearby  ze ro -frequ en cy is  approximatel y 180º. This will lead to  low  freque ncy n e gative feedba ck tu rnin g int o  po sitive feedba ck, an d b e  pro ne to ch attering [5]. T h e   author u s e s   ca scade  correcting  ci rcuit  for ma gnet o e l ectri c  spe ed sen s o r an d has  de sig ned   comp en satio n  segm ent C(s) which ca n be impleme n ted in phys ic s .  Its  trans fer func tion is  s h own  as  follows :     2 1 1 1 2 2 0 0 0 2 2 2 ) ( s s s s s C  (2)     After the correcting by thi s   compensation segment, the inpu still has the  characteri stic  of second o r d e r high -p ass, and the no rm alizatio n tran sfer fun c tion i s  sh own as fo llows:    2 1 1 1 2 2 0 1 2 ) ( ) ( ) ( s s s s C s G s G  (3)     The comp en sation se gm ent  C(s)  ma ke   10  and   1 the best da mp. T he natu r al   freque ncy  of  sy stem o u tput cha r a c teristic th at  h a v e bee n   co rrecte d i s   de cre a sed. So  the  obje c tive that expandi ng t he lo we st fre quen cy   that  ca n be  test ed by  sen s o r s a n co rre ct ing  s e ns or ’s d y na mic   c h a r ac te r i s t ic is ach i eved. Rel a tively highe r m e cha n ical natu r al fre q ue ncy  of  origin al sen s or mai n tain unchan geabl ely, physical  con s tru c tion  i s  sta b le, a nd  sen s o r  h a g ood   perfo rman ce   on a n ti interf eren ce  an d resi stan ce to  i m pact.  Natu ral freq uen cy  of syste m  out put  cha r a c teri stic that ha s be e n  co rrecte comple tely  d e p end on  th e corre c ting ci rcuit conn ecte in   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Magneto e le ctric Spe ed Se nso r  to Dete ct Ultra-L o w F r eque ncy Vibrations (Do ng  Ke)  2504 seri es. So th e co rre cted  sensor mai n tai n s the adv a n tage s of orgin a l sen o r a s  well as imp r ov es  low freq uen cy output characteri stic.    The tran sfer functio n   of   the  com pen sa tion  segm ent exp r e s se d by Eq.  (1 ) ca be  expand ed a s  follows:    2 1 1 1 2 1 2 2 1 1 1 2 2 1 1 2 2 1 ) ( s s s K s s K s C  (4)     whe r KK 1 0 2 1 2 2 00 1 1 1 1 2   , ()     whe n   10  and  11 0 0 K1 and K2  wi ll all be g r eat er than  zero.  So co rre cting   segm ent ca n  be realized  by parallelin g  low pass se gment, band  pass seg m e n t and all pa ss   segm ent. By adjustin g  proportio nal rel a tion betwe e n  three  seg m ents’ g a in, the ze ro poi nt of  corre c ting  se gment will counteract wit h  the pol e of  original sensor,  and system  o u tp ut  characteri stic will  be t he f o rm  of  second order  hi gh-pass express ed by E q . (3). The functional  block dia g ra m is sh own in  Figure 2.       1 2 s 2 + 2 1 1 s + 1 2 1 s 2 + 2 1 1 s + 1 2 s U ( s ) K 3 K 1 K 2 + + + Y ( s )     Figure 2. Fun c tional bl ock  di agram of co rre cting  segm ent      After corre c ting, the natural frequ en cy  decre ases,  and the normali zatio n  transfe function  bet ween vib r ation  velocity inp u t  and  sy stem  voltage o u tp ut ca still expre s sed  by Eq.  (1).   The vibration  displ a ceme n t  is often i n te reste d  in  eng ineeri ng  ultra - low freq uen cy test.  The voltag output shoul d  be integ r ate d  on ce. But simple integ r al  will lea d  to t he a c cumulat i on  of ze ro  shifti ng, therefore  it is  difficult t o  re alize. So  the integ r al segment  i s  re placed by  f i rst  orde i nertia  segm ent.  In addition, stop ping dire ct  cu rre nt segm en t is al so  ad de d in  ci rcuit. T he  function al  bl o c dia g ra m whi c h usi ng output  Y(s)  t o  exp r e s s co rre cted  am plitude i s   sho w n in  Figure 3.          Figure 3. Fun c tional bl ock  diagram of  ultra-l o w fre que ncy displa ce ment   G(s)  magn eto  electric sp eed  sensor   integr al  segme n freque n c y  c har a c teristic   correcting segment  stoppi ng d i rect   current segm ent    X(s )   Y(s)   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046     TELKOM NIKA  Vol. 11, No . 5, May 2013 : 2502 – 250 7   2505 3.2. Correc t i ng Circuit an d Trans f er F unction.   The sig nal a d justme nt circuit of ultra-l o w fr eq uen cy  displa cem e n t  sensor that has b een   corre c ted  in cl ude s inte gral,  low fre que ncy com pen sati on a n d  stop pi ng di re ct  cu rrent segm ents.  It is shown in Figure 4.    Figure 4. Signal adju s tme n t circuit of correcte d displ a cem ent se n s or       In figure 4, the low p a ss  amplifying ci rcuit  is con s tituted by IC2, C21, etc. a nd its   trans fer func tion is  shown as  follows :     RR RR R C C s RC R C R RR C s RRC C 23 24 21 22 23 21 22 2 21 21 22 21 24 22 23 22 21 22 21 22 11 1  ()  (5)     IC3 co nstitut e  a band  pa ss a m plifying  circuit, and i t s tran sfer fu nction i s  sh o w n a s   follows   RR RRC s s RC R C R C R RR C s RR RR R C C 34 35 31 34 31 2 31 31 33 31 33 32 35 32 34 31 31 32 31 32 33 31 32 11 1  ()  (6)     The expe cte d  ratio of natural fre quen cy to damping  depend s on  the denomi n ator of  above two tra n sfer fu nction s, i.e. co rresp ondin g  re sist ances in  circu i t.  The summing  amplifier ci rcuit is con s tituted  by IC4, R44, etc. The  adju s tment of R41,   R42  an R4 2 will  chan ge  the e n large m ent fa ctor  o f  circuit to  th e outp u t si gn als  of lo w-p a ss,  band -pa s s a nd all-p a ss  segment s. Th erefo r e, the  cou n tera ction  of corre c ting  segm ent’s  zero   point to origin al sen s o r ’s pole is realized.  The inte gral   segm ent i s  re alize d  by inte gr ating  amplif ying ci rcuit which  co nstitut ed by  IC1 a nd  R11,  R1 2, R13, C11. Becau s the integ r al  segment i s   critical i n stabl e, i t  is repla c e d   by  an in ertia  seg m ent in  p r acti ce. T he t r an sf er fu nctio n  of  this  seg m ent  is  s C R R R 11 12 11 12 1 1 , and   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Magneto e le ctric Spe ed Se nso r  to Dete ct Ultra-L o w F r eque ncy Vibrations (Do ng  Ke)  2506 the integral time co nsta nt is  i RC 12 11 . In addition, two first orde r sto ppi ng direct  current   segm ents a r e  added to re st rain the affect  of low freque ncy noi se an d deviation.   The no rmali z ation tran sfer fun c tion  betwe en out put Y(s) of corre c ted ult r a-l o freque ncy se nso r  and vib r ation displa ce ment is shown as follo ws:     2 2 1 1 1 2 2 1 1 2 ) ( ) ( ) ( s s s s s s s s X s Y s H d d i i  (7)       4. Outpu t  Ch arac teris t ic Comparis on Before an d After Corre c t ing   The  curve s  o f  amplitude -freque ncy  cha r acte ri stic and  pha se-f req u ency  cha r a c t e risti c   (no r mali zatio n ) befo r e an d  after corre c ti ng that pl otting in acco rdan ce with Eq. (7) are sh own  in   Fig.5. Cu rves named 1  are norm a lization amplitu d e - freq uen cy c hara c te risti c  curve  and p h a se - freque ncy ch ara c teri stic  curve of low freque ncy di sp lacem ent se n s or b e fore  co rre cting. Cu rv e s   named 2  are norm a lization amplitud e - freq uen cy  chara c te risti c  curve  and p hase-frequ en cy  cha r a c teri stic cu rve  of u l tra-lo w f r eq uen cy di spla ceme nt sen s or after co rrecting   (natural   freque ncy of output cha r a c teri stic after corre c ting  is 0.5Hz, dam ping ratio is  0.65, integral  and   stoppi ng dire ct cu rre nt time con s t ant is  2.2s).  We ca n find from  Fi g.5 that the lowe st freq ue ncy  before  co rre cting is gre a ter than 15Hz, a nd the lowe st  frequen cy after co rrectin g  is abo ut 0.6Hz.        0. 1   1 10 - 180   -9 0   0   90   180   ) .   F r e q uen cy f /Hz   0. 1   1 10 0. 0   0. 3   0. 6   0. 9    Ph as spe c t ru p / deg     ).F re q u enc y f /Hz 3   2 1 1   2 3   b ( a ( A m pl i t ude  s p e c t r um     ( a ). am plitude -freq uen cy ch ara c teri stic    ( b ). ph ase-fre quen cy ch ara c teri stic    Figure 5. Amplitude-f r eq ue ncy ch ara c te ristic  an d pha se-fre que ncy chara c te risti c  of spee sen s o r  befo r e  and after correctin g       Curve s  n a me d 3 a r e am pli t ude-frequ en cy ch aracte ri stic  cu rve an d pha se -fre q uen cy  cha r a c teri stic curve of second  orde r hig h  pass segm ent whi c h co ntains  stoppi ng dire ct current  segm ent.  Comp ari ng  curve  2 a nd  cu rve 3  in  Figu re 5  (a ),   we  ca n find  that b e c au se  of th affect  of time con s tant of first  orde r in ertia  se gment a nd stoppin g   dire ct curre n se gment,   the   amplitude  of  curve  2  de ca ys a little g r e a ter th a n   curve 3 at the  freque ncy  ran g e  nea 0.5Hz  and  lowe r than 0 . 5Hz. In co rresp ondi ng p hase freq u e n cy cu rve, the pha se  a ngle of wo rking   freque ncy ra n ge whi c h nat ural freq uen cy is greater  th an 0.5Hz is -180º, the 0.5 H z p hase shif t o f   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046     TELKOM NIKA  Vol. 11, No . 5, May 2013 : 2502 – 250 7   2507 curve  3 is  -9 0 º , and the 0.5 H pha se  shif t of curve  2 re ach e -65 º  (A fter 180º  reve rse  pha se, th pha se an gle  of working fre quen cy ran g e  of correcte d sen s o r  is 0º.).   If the require ment of mea s ureme n t sig nal to  pha se  is not hig h , the affect by i n tegral  and stop ping  dire ct  current   se gment s wil l   be not  o b vio u s. But if th sign al  with hi gh requi rem e n t   on pha se  distortion is te st ed, for exam ple ultra - lo freque ncy tra n sie n t sign al, wave shap will  be disto r ted  becau se of the affect  by integral a nd stopping di re ct  current se g m ents. The r e f ore,  time con s tant  of integral an d stoppi ng direct  cu rrent se gments  sho u l d  be sel e cte d  a little bigger.      5. Conclusio n   (1) Ma gneto e lectri c vibration sp eed se nso r  ha s the  characte ri stic of se con d  orde high p a ss, a nd ha s th e a d vantage s of  stable  phy si cal  con s tructi on, goo d p e rf orma nce on   anti  interferen ce a nd re si stan ce  to impact. But the lo we st freque ncy tha t  can be te ste d  by it depen ds  on the physi cal natural freq uen cy of sen s or, an d it  is often several times to natural freque ncy.   (2) Ba sed   on the   simi larity of el e c trom echani cal sy stem,  we  ca de sign  comp en satio n  network  with anal og  circuit to co rre ct the  output ch ara c teri stic of  magneto e le ctric  vibration  spe ed sen s or. T he corre c ted  magneto e le ctric  vib r ation speed se nso r  become s   second   orde r hig h  p a ss syste m  whi c h ha s th e sam e  type transfe r fun c tion of origi n a l  sen s o r , and  its  natural frequ ency of outp u t characte ri stic is u s u a ll y reduced to  1/20-1/50 of  original  sen s or’ s   physi cal natu r al freq uen cy.      Referen ces   [1]   B T ang,  HL  La ng.  Deve lo pme n t & Innovatio n  of Machinery  & Electrical . 20 08; 21(3): 3 9 -4 1.  [2]    Y Fan, XH Sui.  Measuri ng T e chn i qu es &  Data Proc essi ng . Ch ina M e trolo g y  Pub licat ions, C h in a.   200 6.  [3]    Y F an, H Liu,  N W ang, G Z h ou.  Journ a l of Shan do ng Un i v ersity of Science an d T e ch nol ogy . 200 1;   20(3): 41- 43.   [4]   Yu.  Journal  of Electronic M easur e m ent a n d  Instrument . 1998; 12( 2): 7-1 2 [5]    J Niu, Y Liu, R Huo, K Song.  Journ a l of Sha n don g Univ ersit y  of T e chnolo g y . 2000; 30( 2): 111- 115.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.