CN101718679B - 在线标定微音器灵敏度的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在线标定微音器灵敏度的装置及方法，使用一标准声源，发出一定频率、预定强度的声信号，该信号被微音器接收后送入信号检测电路，检测得到的信号强度作为微音器灵敏度的表征，信号强度变化即代表微音器灵敏度的变化，微音器正常工作时测量得到的信号与微音器标定测量时得到的信号强度对比，从而得到不受微音器灵敏度影响的实际信号强度。本发明的优点是：充分考虑了气体湿度、成分、温度及固体微粒富集等环境因素对微音器灵敏度的影响，保证了微音器测量过程中的准确性，从而获得真实反映声信号强度的值，为微音器构成的系统提供了准确、可靠、有效的数据。

Description

在线标定微音器灵敏度的装置及方法

技术领域

本发明涉及传感器测试技术领域，特别是涉及一种在线标定微音器灵敏度的装置和方法。

背景技术

微音器是一种声电转换器件，电信号随声波变化而变化。按照换能原理，微音器可分为电动式，电容式，压电式以及电磁式、碳粒式、半导体式和硅微音器，此外还有液体微音器、激光微音器等。

驻极体电容式微音器(Electret Condenser Microphone)，简称ECM，就是在高分子的薄膜上聚积电荷，使其成为半永久性或临时性的电极长驻带电体。它由声电转换和阻抗变换两部分组成。利用PET薄膜与金属导电环结合制作成的振动板，中间以环状塑料绝缘垫圈隔开形成极小的间隙，并使驻极体与振动板相互平行，形成一个平板电容器。在此空隙间，形成一种静电电场，这种驻极体与振动板之间形成的电气静电容量，会随着音波振动的强弱产生距离变化，使它的电容量产生变化，构成电气讯号转换出来，使音波转换出电气信号。也就是说当音源由微音器的音孔进入后，振动板就会随着进来的音波开始振动，而振动的振动板越接近驻极体，静电的电荷量就会增大；相反的越远离驻极体，静电的电荷量就会减少。电荷量的变化导致电压的变化。

电容是表征电容器容纳电荷的本领的物理量，把电容器的两极板间的电势差增加1伏所需的电量，叫做电容器的电容。平行板结构电容器的电容量C为

$C=\frac{1}{U}\×\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_{r}S}{d}$

式中：U为极板间电压；

ε₀为真空介电常数；

ε_r为极板间物质的相对介电常数；

d为极板间距离。

ε_r与极板间物质相关的，极板间物质发生变化，其电容量C就会发生变化，相应的微音器的灵敏度也会发生变化。

高灵敏驻极体电容式微音器工作性能相当稳定，正常使用条件下，可以做到100年内漂移不超过1％。但在微音器的实际应用中，微音器的灵敏度受气体湿度、成分、温度及固体微粒富集等环境因素的影响较大，漂移可达50％。由于这些漂移的不确定性，严重影响了气体浓度的定量分析，导致整个测量系统不稳定，给微音器的应用带来了难以克服的困难。气体湿度、成分、温度及固体微粒富集等环境因素对微音器灵敏度的影响需要消除，微音器的灵敏度需要标定。

株式会社堀场制作所的中国专利85104620中描述了一种“光声效应式分析器”。85104620专利中通过在装有待测气体，能产生光声信号的腔体上加工出一个孔将微音器的声接收端连接到腔体的内壁上。采用任何含有少量水份且不含有腐蚀微音器物质的气体，如干燥空气流过微音器的声接收端，使得待测气体无法与微音器的声接收端直接接触，但待测气体产生的光声信号依然能够被微音器接收。流过微音器声接收端的气体如干燥空气的流量由毛细管和压力控制阀控制，整个装置能定量地测量待测气体的浓度。

85104620专利中的整个系统使用干燥且不含腐蚀物质的气体吹扫微音器声接收端，消除了气体湿度、成分等对微音器灵敏度的影响。但由于采用气体如干燥空气阻止待测气体与微音器声接收端直接接触，测量时必须携带气体如干燥空气，并采用毛细管和压力控制阀控制流量，使得这种消除微音器灵敏度影响的测量方法过于繁琐，结构过于复杂，体积过于庞大，在现场应用中有诸多不便。

发明内容

本发明克服了现有技术中的缺点，提供了一种在线标定微音器灵敏度的装置及方法，能消除气体湿度、成分、温度及固体微粒富集等环境因素对微音器灵敏度的影响，对微音器灵敏度进行在线标定。

本发明的技术方案如下：一种在线标定微音器灵敏度的装置，包括光源和光声腔，在光源和光声腔之间设置准直器，光源通过传输线路与驱动控制电路连接，在光声腔中设置微音器，微音器通过传输线路依次与信号处理电路和总控端连接，总控端通过传输线路依次与驱动控制电路和信号处理电路连接，总控端还通过传输线路与安装在光声腔中的标准声源连接。

所述的标准声源为扬声器。

所述的标准声源为受话器。

所述微音器是电容式微音器。

本发明还公开了一种利用所述的在线标定微音器灵敏度的装置在线标定微音器灵敏度的方法，包括如下步骤：

第一步，通过总控端设置光源的驱动控制电路的控制参数，驱动控制电路的输出驱动光源发出强度受到调制的光，通过准直器准直并耦合至光声腔中；

第二步，安装在光声腔中的微音器接收到光声腔中产生的光声信号P后，送入信号处理电路进行处理，获得没有经过校正的，受环境因素等影响的光声信号的幅值V，并将该幅值送入总控端；

第三步，总控端接收到信号处理电路送来的光声信号后，发出指令控制安装在光声腔中的标准声源发声；

第四步，微音器接收到标准声源发出的声信号P_cons后送入信号处理电路进行处理，获得标准声源的幅值V′，并将该幅值送入总控端；

第五步，总控端按照公式t＝V/V′进行运算，求出t，最后利用参数t直接进行气体浓度定量分析。

所述的标准声源发出的声信号频率范围在100KHz以下。

所述的标准声源发出的声信号可以是一个固定值，也可以是多个预先设定的值。

与现有技术相比，本发明的优点是：使用一标准声源，发出一定频率、预定强度的声信号，该信号被微音器接收后送入信号检测电路，检测得到的信号强度作为微音器灵敏度的表征。信号强度变化即代表微音器灵敏度的变化。此测量过程称为微音器的标定测量。微音器正常工作时测量得到的信号与微音器标定测量时得到的信号强度对比，从而得到不受微音器灵敏度影响的实际信号强度。

克服了现有技术中消除微音器灵敏度影响的测量方法过于繁琐，结构过于复杂，体积过于庞大，现场应用不便的缺陷，实现微音器灵敏度的快速、简便、准确、可靠的在线标定。

本发明充分考虑了气体湿度、成分、温度及固体微粒富集等环境因素对微音器灵敏度的影响，保证了微音器测量过程中的准确性，从而获得真实反映声信号强度的值，为微音器构成的系统提供了准确、可靠、有效的数据。

本发明不需要外部提供干燥气体，不需要使用毛细管和压力控制阀控制，整个测量系统使用的器件少，体积小，有利于测量系统小型化。

本发明中微音器测量得到的标准声源发出的声信号的大小直接代表微音器的灵敏度，微音器正常工作时测量得到的信号与微音器标定测量时得到的信号强度对比，从而得到不受微音器灵敏度影响的实际信号强度，微音器灵敏度标定方法快速、简便。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明的示意图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

如图1所示，一种在线标定微音器灵敏度的装置，包括光源1和光声腔3，在光源1和光声腔3之间设置准直器2，光源1通过传输线路与驱动控制电路6连接，微音器4设置在光声腔3中，微音器4通过传输线路依次与信号处理电路5和总控端7连接，总控端7通过传输线路依次与驱动控制电路6和信号处理电路5连接，总控端7还通过传输线路与安装在光声腔3中的标准声源8连接。

利用上述在线标定微音器灵敏度的装置在线标定微音器灵敏度的方法，包括以下步骤：

第一步，通过总控端7设置光源1的驱动控制电路6的控制参数，驱动控制电路6的输出驱动光源1发出被调制过后的光，通过准直器2准直并耦合至光声腔3中；

第二步，安装在光声腔3中的微音器4接收到光声腔3中产生的光声信号P后，送入信号处理电路5进行处理，获得没有经过校正的，受环境因素等影响的光声信号的幅值V，并将该幅值送入总控端7；

第三步，总控端7接收到信号处理电路5送来的光声信号后，发出指令控制安装在光声腔3中的标准声源8发声；

第四步，微音器4接收到标准声源8发出的声信号P_cons后送入信号处理电路5进行处理，获得标准声源的幅值V′，并将该幅值送入总控端7；

第五步，总控端7按照公式t＝V/V′进行运算，求出一个与微音器灵敏度无关的参数t，t与微音器正常工作时接收到的声强P成正比，并反映声强P的大小，最后利用参数t直接进行气体浓度定量分析。

本发明的工作原理是：

微音器正常工作时，将接收到的声强P转换成电信号V，用公式表示为：

V＝fP               (2)

式中：f为微音器的灵敏度。

由于微音器的灵敏度受气体湿度、成分、温度及固体微粒富集的影响，f不是一个常数，而是一个随环境因素变化的量，则微音器灵敏度又可表示为环境因素的函数f＝f(e)，这样微音器的声电转换公式(2)又可表示为

V(e)＝f(e)P                 (3)

采用标准声源发出一定频率的预定强度的声信号P_cons，微音器接收后得到的信号强度V′为

V′＝f′(e)P_cons    (4)

由于环境因素(气体湿度、成分、温度及固体微粒富集等)都是缓变量，微音器正常工作时的灵敏度与测量标准声源发出预定声强的声信号的灵敏度在短时间内(一般为秒)几乎不变，则f(e)＝f′(e)。由公式(3)(4)可知，P_cons为一已知量，则可用信号强度V′表示微音器的灵敏度f(e)，即可在线标定微音器的灵敏度。

$t=\frac{V\left(e\right)}{V^{\′}\left(e\right)}=\frac{f\left(e\right)P}{f^{\′}\left(e\right)P_{\mathrm{cons}}}=\frac{P}{P_{\mathrm{cons}}}---\left(5\right)$

式(5)中的t是一个与微音器灵敏度无关的量，与微音器正常工作时接收到的声强P成正比，并反映声强P的大小。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (8)

1.一种在线标定微音器灵敏度的装置，其特征在于：包括光源和光声腔，在光源和光声腔之间设置准直器，光源通过传输线路与驱动控制电路连接，在光声腔中设置微音器，微音器通过传输线路依次与信号处理电路和总控端连接，总控端通过传输线路依次与驱动控制电路和信号处理电路连接，总控端还通过传输线路与安装在光声腔中的标准声源连接。

2.根据权利要求1所述的在线标定微音器灵敏度的装置，其特征在于：所述的标准声源为扬声器。

3.根据权利要求1所述的在线标定微音器灵敏度的装置，其特征在于：所述的标准声源为受话器。

4.根据权利要求1所述的在线标定微音器灵敏度的装置，其特征在于：所述微音器是电容式微音器。

5.一种利用权利要求1所述的在线标定微音器灵敏度的装置在线标定微音器灵敏度的方法，其特征在于：包括如下步骤：

第一步，通过总控端设置光源的驱动控制电路的控制参数，驱动控制电路的输出驱动光源发出强度受调制的光，通过准直器准直并耦合至光声腔中；

第二步，安装在光声腔中的微音器接收到光声腔中产生的光声信号P后，送入信号处理电路进行处理，获得没有经过校正的，受环境因素影响的光声信号的幅值V，并将该幅值送入总控端；

第三步，总控端接收到信号处理电路送来的光声信号后，发出指令控制安装在光声腔中的标准声源发声；

第四步，微音器接收到标准声源发出的声信号P_cons后送入信号处理电路进行处理，获得标准声源的幅值V′，并将该幅值送入总控端；

第五步，总控端按照公式t＝V/V′进行运算，求出t，最后利用参数t直接进行气体浓度定量分析。

6.根据权利要求5所述的在线标定微音器灵敏度的方法，其特征在于：所述的标准声源发出的声信号频率范围在100KHz以下。

7.根据权利要求5所述的在线标定微音器灵敏度的方法，其特征在于：所述的标准声源发出的声信号为一个固定值。

8.根据权利要求5所述的在线标定微音器灵敏度的方法，其特征在于：所述的标准声源发出的声信号为多个预先设定的值。

Images