CN103063878A - 速度或加速度传感器动态特性的校验装置、系统及方法 - Google Patents

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本发明公开了一种速度或加速度传感器动态特性的校验装置、系统及方法，其中，该方法包括：同时对同步运动的位移传感器和速度或加速度传感器进行信号采集，获得位移信号、和第一速度信号或第一加速度信号；对位移信号、和第一速度信号或第一加速度信号进行滤波处理；对滤波处理后的位移信号进行转换以得到比对信号，并基于比对信号和滤波处理后的第一速度信号或第一加速度信号进行分析比较，以得到速度或加速度传感器的动态特性分析结果。从而确保速度或加速度传感器校验的实用性和可靠性。

Description

速度或加速度传感器动态特性的校验装置、系统及方法
技术领域
本发明涉及一种速度或加速度传感器动态特性的校验装置、系统及方法。
背景技术
速度或加速度传感器在现有技术中已经被广泛应用，其中加速度传感器通常可以测量两种加速度值，第一种是静态加速度，第二种是动态加速度。这样的加速度传感器通过在各种设备中应用，从而实现了诸如计步器、空中识别等功能。在使用过程中，速度或加速度传感器难免受到外界环境、使用时间等因素的影响而导致灵敏度度降低，因而需要对速度或加速度传感器进行校准。然而，在现有技术中，虽然开发出了一些校验设备，但是这类设备结构复杂，本身的标准性也较差，严重影响了校准精度。因此，目前需要一种结构简单、能够准确可靠地校验速度或加速度传感器的装置。
发明内容
本发明的目的是提供一种速度或加速度传感器动态特性的校验装置、系统及方法，该方法可以确保速度或加速度传感器校验的实用性和可靠性。
为了实现上述目的，本发明提供一种速度或加速度传感器动态特性的校验方法，该方法包括：同时对同步运动的位移传感器和速度或加速度传感器进行信号采集，获得位移信号、和第一速度信号或第一加速度信号；对位移信号、和第一速度信号或第一加速度信号进行滤波处理；对滤波处理后的位移信号进行转换以得到比对信号，并基于比对信号和滤波处理后的第一速度信号或第一加速度信号进行分析比较，以得到速度或加速度传感器的动态特性分析结果。
为了实现上述目的，本发明还提供一种速度或加速度传感器动态特性的校验装置，该装置包括：信号采集模块，用于同时对同步运动的位移传感器和速度或加速度传感器进行信号采集，获得位移信号、和第一速度信号或第一加速度信号；信号调理模块，用于对位移信号、和第一速度信号或第一加速度信号进行滤波处理；以及校准分析模块，用于对滤波处理后的位移信号进行转换以得到比对信号，并基于比对信号和滤波处理后的第一速度信号或第一加速度信号进行分析比较，以得到速度或加速度传感器的动态特性分析结果。
为了实现上述目的，本发明还提供一种速度或加速度传感器动态特性的校验系统，该系统包括：位移传感器；速度或加速度传感器；运动装置，位移传感器和速度或加速度传感器相邻布置在运动装置上，运动装置用于使位移传感器和速度或加速度传感器同步运动；以及上述的速度或加速度传感器动态特性的校验装置。
通过上述技术方案采集位移传感器和速度或加速度传感器的信号，利用位移与速度或加速度之间的换算关系，对位移信号和速度或加速度信号进行比较分析，从而验证速度或加速度传感器的动态特性，保证了校验的实用性和可靠性。
本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是根据本发明实施例的速度或加速度传感器动态特性的校验方法的流程图；
图2是根据本发明实施例的速度或加速度传感器动态特性的校验装置的方框图；
图3为根据本发明实施例的加速度传感器动态特性的校验装置与位移传感器和加速度传感器连接的示意图；
图4为图3中所示的传感器安装盒的示意图；
图5为加速度传感器在一低频段内幅频特性的曲线图；
图6为加速度传感器在一低频段内相频特性的曲线图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
图1是根据本发明实施例的速度或加速度传感器动态特性的校验方法的流程图。
如图1所示，该加速度传感器动态特性的校验方法包括：
S102，同时对同步运动的位移传感器和速度或加速度传感器进行信号采集，获得位移信号、和第一速度信号或第一加速度信号；
S104，对位移信号、和第一速度信号或第一加速度信号进行滤波处理；以及
S106，对滤波处理后的位移信号进行转换以得到比对信号，并基于比对信号和滤波处理后的第一速度信号或第一加速度信号进行分析比较，以得到速度或加速度传感器的动态特性分析结果。
其中，在步骤S106中：
当采集到的是位移信号和第一速度信号时，对滤波处理后的位移信号进行转换以得到比对信号包括：对位移信号进行一次求导，所得到的比对信号为第二速度信号；基于比对信号和滤波处理后的第一速度信号进行分析比较包括：对滤波处理后的第一速度信号进行频域分析，得到第一速度信号的频域特性曲线；对第二速度信号进行频域分析，得到第二速度信号的频域特性曲线；将第一速度信号的频域特性曲线与第二速度信号的频域特性曲线进行曲线对比，并执行曲线相关性评价。
当采集到的是位移信号和第一加速度信号时，对滤波处理后的位移信号进行转换以得到比对信号包括：对位移信号进行二次求导，所得到的比对信号为第二加速度信号；基于比对信号和滤波处理后的第一加速度信号进行分析比较包括：对滤波处理后的第一加速度信号进行频域分析，得到第一加速度信号的频域特性曲线；对第二加速度信号进行频域分析，得到第二加速度信号的频域特性曲线；将第一加速度信号的频域特性曲线与第二加速度信号的频域特性曲线进行曲线对比，并执行曲线相关性评价。
在本实施例中，频域特性曲线包括幅频特性曲线和相频特性曲线。
在步骤S106中，执行曲线相关性评价包括：将第二加速度信号和第一加速度信号进行比较，得到曲线相关性评价因子，如果曲线相关性评价因子大于0.9，则表示第二加速度信号的频域特性曲线与第一加速度的频域特性曲线一致。
在本实施例中，位移传感器和加速度传感器二者同步进行单摆运动，并且单摆运动的频率为可调节的。
图2是根据本发明实施例的速度或加速度传感器动态特性的校验装置的方框图。
如图2所示，该速度或加速度传感器动态特性的校验装置包括：
信号采集模块10，用于同时对同步运动的位移传感器和速度或加速度传感器进行信号采集，获得位移信号、和第一速度信号或第一加速度信号；
信号调理模块20，用于对位移信号、和第一速度信号或第一加速度信号进行滤波处理；以及
校准分析模块30，用于对滤波处理后的位移信号进行转换以得到比对信号，并基于比对信号和滤波处理后的第一速度信号或第一加速度信号进行分析比较，以得到速度或加速度传感器的动态特性分析结果。
在本实施例中，在采集到的是位移信号和第一速度信号时，校准分析模块30包括：第一转换单元，用于对位移信号进行一次求导，所得到的比对信号为第二速度信号；第一分析比较单元，用于对滤波处理后的第一速度信号进行频域分析，得到第一速度信号的频域特性曲线，对第二速度信号进行频域分析，得到第二速度信号的频域特性曲线，将第一速度信号的频域特性曲线与第二速度信号的频域特性曲线进行曲线对比，并执行曲线相关性评价。
在采集到的是位移信号和第一加速度信号时，校准分析模块包括：第二转换单元，用于在采集到的是位移信号和第一加速度信号时，对位移信号进行二次求导，所得到的比对信号为第二加速度信号；第二分析比较单元，用于对滤波处理后的第一加速度信号进行频域分析，得到第一加速度信号的频域特性曲线，对第二加速度信号进行频域分析，得到第二加速度信号的频域特性曲线，将第一加速度信号的频域特性曲线与第二加速度信号的频域特性曲线进行曲线对比，并执行曲线相关性评价。
本发明还提供了一种速度或加速度传感器动态特性的校验系统，该系统包括：位移传感器；速度或加速度传感器；运动装置，位移传感器和速度或加速度传感器相邻布置在运动装置上，运动装置用于使位移传感器和速度或加速度传感器同步运动；以及上述实施例中的速度或加速度传感器动态特性的校验装置。
在本实施例中，运动装置为单摆装置。该单摆装置包括摆绳以及连接在摆绳一端的安装板或安装盒，位移传感器和速度或加速度传感器相邻布置在安装板上或安装盒的一个面上。优选地，位移传感器和速度或加速度传感器布置在安装板或安装盒的同一水平面上。其中，速度或加速度传感器动态特性校验装置中的信号采集单元的输入端通过数据线与位移传感器和加速度传感器的信号输出端相连。
图3为根据本发明实施例的加速度传感器动态特性的校验装置与位移传感器和加速度传感器连接的示意图。
如图3所示，该加速度传感器动态特性的校验装置与单摆形式的位移传感器和加速度传感器连接。也就是，该校验装置中的信号采集模块10对单摆运动过程中的位移传感器和加速度传感器同时进行信号采集，得到单摆运动过程中的位移信号x和加速度信号α。信号调理模块20对采集的信号进行滤波处理，校准分析单元30对滤波处理后的信号进行计算分析。
在本实施例中，单摆的摆绳长度可调，根据
Figure BDA0000099836450000061
当l变大，对应的固有频率ω变小，调节一次l长度，测得一次数据进行对比分析，从而可以在一段低频范围内通过多组数据验证其动态特性，使得校验更精准。但是，本领域技术人员可以理解，本发明的位移传感器和加速度传感器进行单摆运动仅仅是示例性的，并非用于限定本发明。
在图3中，摆绳1与安装板2连接，传感器安装盒3固定在安装板2上。其中，传感器安装盒3中装有加速度传感器4和位移传感器5，且加速度传感器4和位移传感器5布置在同一水平面上，通过数据线与校验装置的信号采集模块10的输入端连接以进行信号传递(如图4所示)。
在本实施例中，位移信号用x表示，用表达式表示为：
Figure BDA0000099836450000062
对其求一次导数得到该处的速度表达式：
Figure BDA0000099836450000063
对x求二次导数得到该处的加速度信号表达式：
Figure BDA0000099836450000064
由加速度传感器采集到的加速度信号用α表示，其与
Figure BDA0000099836450000071
相等关系，由此可以得到
Figure BDA0000099836450000072
。其中，加速度α、频率ω、位移信号幅值A、时间t等参数可以通过执行步骤S106得到，从而可以对加速度传感器的相位
Figure BDA0000099836450000073
和幅值A进行校验。
单摆的固有频率可以通过公式
Figure BDA0000099836450000074
求得，通过调节摆绳1的长度，可以测得一段固有频率内的加速度信号和位移信号，通过校准分析单元30对采集的信号进行频域分析，得到幅频和相频曲线，取同一频段内幅频曲线和相频曲线进行曲线相关性评价。
由于位移传感器的特性验证简单且准确性高，本发明以位移传感器的位移信号为基准，理论上，得到的位移信号的相位与加速度信号的相位应该相差180度，加速度传感器的加速度信号幅值与位移传感器的位移信号幅值相差-ω2倍。
图3所示的校准分析单元30主要对采集的信号进行分析处理，对位移信号进行换算，并对换算后的位移信号和加速度信号分别进行频域分析，得到如图5所示的幅频特性曲线图和如图6所示的相频特性曲线图，从而验证加速度传感器动态特性。在图5中，实线为加速度信号(换算)
Figure BDA0000099836450000075
幅频特性曲线19，虚线为加速度信号(实测)α幅频特性曲线20，其中，ω和ω1-ω6表示频率，单位为rad/s；A(ω)表示幅值，单位可以为(m/s2)。在图6中，实线为加速度信号(换算)
Figure BDA0000099836450000076
相频特性曲线22，虚线为加速度信号(实测)α相频特性曲线21，其中，ω和ω1-ω6表示频率，单位可以为rad/s；
Figure BDA0000099836450000077
表示相位，单位可以为(°)。经由图5和图6的幅相曲线图进行曲线相关性评价得其曲线相关评价因子，校验动态特性。
具体地，对采集到的位移传感器的位移信号进行换算得到加速度信号
Figure BDA0000099836450000078
对得到的加速度信号(位移换算)进行频域分析，得到加速度信号(位移换算)频域特性曲线19和21。对采集到的加速度信号α进行频域分析，得到加速度信号(实测)频域特性曲线20和22。将换算后得到的加速度信号(位移换算)频域特性曲线19和21分别与信号采集模块从加速度传感器采集到的加速度信号(实测)频域特性曲线20和22进行曲线对比，并进行曲线相关性评价，根据评价结果来校验加速度传感器的动态特性。其中曲线相关性评价是对由位移信号换算得到的加速度信号
Figure BDA0000099836450000082
与对加速度传感器进行信号采集得到的加速度信号α比较，得到曲线相关性评价因子，若曲线相关性评价因子大于等于0.9，则表明两曲线有较好的一致性，从而可以实现通过位移传感器验证加速度传感器动态特性。其中，对信号的相位和幅值验证过程可以通过程序来实现，曲线相关性评价因子的获取可以通过采用现有技术中的曲线相关性评价方法实现。
在本实施例中，实现了加速度传感器的动态特性的校验。而对于速度传感器的动态特性的校验而言，与加速度传感器的动态特性的校验不同的是：对位移信号x求一次导数，从而得到该处的速度表达式：
Figure BDA0000099836450000083
其相位理论上相差为90度，幅值相差ω倍。其中，ω表示频率，单位可以为rad/s；A表示幅值，单位可以为(m/s)；
Figure BDA0000099836450000084
表示相位，单位可以为(°)。
从上述实施例可以看出，本发明通过采集位移传感器和速度或加速度传感器的信号，利用位移与速度或加速度之间的换算关系，通过校准分析模块对位移信号和速度或加速度信号进行时域分析和频域分析，得到其特征参数，并对其进行比较分析，从而验证速度或加速度传感器的动态特性，保证了校验的实用性和可靠性。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在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，可以通过任何合适的方式进行组合，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另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (13)

1.一种速度或加速度传感器动态特性的校验方法，其中，该方法包括：
同时对同步运动的位移传感器和速度或加速度传感器进行信号采集，获得位移信号、和第一速度信号或第一加速度信号；
对所述位移信号、和所述第一速度信号或第一加速度信号进行滤波处理；
对滤波处理后的所述位移信号进行转换以得到比对信号，并基于所述比对信号和滤波处理后的所述第一速度信号或第一加速度信号进行分析比较，以得到所述速度或加速度传感器的动态特性分析结果。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，采集到的是位移信号和第一速度信号，
对滤波处理后的所述位移信号进行转换以得到比对信号包括：对所述位移信号进行一次求导，所得到的比对信号为第二速度信号；
基于所述比对信号和滤波处理后的所述第一速度信号进行分析比较包括：
对滤波处理后的所述第一速度信号进行频域分析，得到所述第一速度信号的频域特性曲线；
对所述第二速度信号进行频域分析，得到所述第二速度信号的频域特性曲线；
将所述第一速度信号的频域特性曲线与所述第二速度信号的频域特性曲线进行曲线对比，并执行曲线相关性评价。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，采集到的是位移信号和第一加速度信号，
对滤波处理后的所述位移信号进行转换以得到比对信号包括：对所述位移信号进行二次求导，所得到的比对信号为第二加速度信号；
基于所述比对信号和滤波处理后的所述第一加速度信号进行分析比较包括：
对滤波处理后的所述第一加速度信号进行频域分析，得到所述第一加速度信号的频域特性曲线；
对所述第二加速度信号进行频域分析，得到所述第二加速度信号的频域特性曲线；
将所述第一加速度信号的频域特性曲线与所述第二加速度信号的频域特性曲线进行曲线对比，并执行曲线相关性评价。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述频域特性曲线包括幅频特性曲线和相频特性曲线。
5.根据权利要求3所述的方法，其中，执行所述曲线相关性评价包括：
将所述第二加速度信号和所述第一加速度信号进行比较，得到曲线相关性评价因子，如果所述曲线相关性评价因子大于0.9，则表示所述第二加速度信号的频域特性曲线与所述第一加速度的频域特性曲线一致。
6.根据权利要求3-5中任一项权利要求所述的方法，其中，所述位移传感器和所述加速度传感器二者同步进行单摆运动，并且单摆运动的频率为可调节的。
7.一种速度或加速度传感器动态特性的校验装置，其中，包括：
信号采集模块，用于同时对同步运动的位移传感器和速度或加速度传感器进行信号采集，获得位移信号、和第一速度信号或第一加速度信号；
信号调理模块，用于对所述位移信号、和所述第一速度信号或第一加速度信号进行滤波处理；以及
校准分析模块，用于对滤波处理后的所述位移信号进行转换以得到比对信号，并基于所述比对信号和滤波处理后的所述第一速度信号或第一加速度信号进行分析比较，以得到所述速度或加速度传感器的动态特性分析结果。
8.根据权利要求7所述的装置，其中，所述校准分析模块包括：
第一转换单元，用于在采集到的是位移信号和第一速度信号时，对所述位移信号进行一次求导，所得到的比对信号为第二速度信号；
第一分析比较单元，用于对滤波处理后的所述第一速度信号进行频域分析，得到所述第一速度信号的频域特性曲线，对所述第二速度信号进行频域分析，得到所述第二速度信号的频域特性曲线，将所述第一速度信号的频域特性曲线与所述第二速度信号的频域特性曲线进行曲线对比，并执行曲线相关性评价。
9.根据权利要求7所述的装置，其中，所述校准分析模块包括：
第二转换单元，用于在采集到的是位移信号和第一加速度信号时，对所述位移信号进行二次求导，所得到的比对信号为第二加速度信号；
第二分析比较单元，用于对滤波处理后的所述第一加速度信号进行频域分析，得到所述第一加速度信号的频域特性曲线，对所述第二加速度信号进行频域分析，得到所述第二加速度信号的频域特性曲线，将所述第一加速度信号的频域特性曲线与所述第二加速度信号的频域特性曲线进行曲线对比，并执行曲线相关性评价。
10.一种速度或加速度传感器动态特性的校验系统，其中，该系统包括：
位移传感器；
速度或加速度传感器；
运动装置，所述位移传感器和所述速度或加速度传感器相邻布置在所述运动装置上，所述运动装置用于使位移传感器和速度或加速度传感器同步运动；以及
根据权利要求7-9中任一项权利要求所述的速度或加速度传感器动态特性的校验装置。
11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述运动装置为单摆装置。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述单摆装置包括摆绳以及连接在摆绳一端的安装板或安装盒，所述位移传感器和所述速度或加速度传感器相邻布置在所述安装板上或安装盒的同一水平面上。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述速度或加速度传感器动态特性校验装置中的信号采集单元的输入端通过数据线与所述位移传感器和所述加速度传感器的信号输出端相连。
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