CN103759814A - 用于测振传感器多频混合校准的方法 - Google Patents

Abstract

用于测振传感器多频混合校准的方法包括以下步骤：将标准传感器和被测传感器固定在振动台，并使两传感器的轴向和振动台的主振方向一致；信号发生模块产生多频信号；将多频信号经功率放大器驱动振动台；采集标准传感器和被校传感器的输出信号，将标准传感器输出信号变换得到振动台的幅值谱；被校传感器的输出信号变换得到对应的幅值谱；用被校传感器的幅值谱除以振动台的幅值谱，所得的一组商为被校传感器在合成多频信号的各个频率点下的灵敏度。本发明具有能够实现对测振传感器进行快速、准确校准的优点。

Description

用于测振传感器多频混合校准的方法

技术领域

本发明涉及一种用于测振传感器多频混合校准的方法。

技术背景

随着现代工业快速发展，传感器已成为现代工业测试中不可或缺的重要工具。测振传感器作为测量振动量的传感器，在工业测试以及计量领域得到了广泛的应用。传感器灵敏度是传感器输出电压信号的量值与输入给传感器机械信号量值的比值。在实际测量中，通过传感器的输出电压信号量值与传感器灵敏度便可以确定输入到传感器的被测机械振动信号量值，因此传感器灵敏度是衡量传感器性能的重要指标。由于生产过程存在着差异，每个传感器的灵敏度不可能完全一致，因此需要对传感器的灵敏度进行校准。传统的测振传感器校准主要是定频校准，采用正弦信号激励传感器，每次校准时，都必须经过频率设置、振级调整和测试三个步骤，而且只能进行一个频率的校准，因此，校准过程相当费时，对环境的稳定性有较高要求。为解决这一问题，有人提出了随机振动校准的方法，即使用一个随机信号，如白噪声或限带白噪声信号，通过功率放大器后驱动振动台，那么固定在振动台上的传感器也受到了一个随机振动激励。由于随机信号的频谱是一个频率区间，所以随机振动校准只需经过一次激励就能完成一个频带范围上的校准。但随机信号的频谱区间中的部分频率分量容易和夹具、被校传感器的固有频率相一致，从而激发共振，甚至会损坏被校传感器，同时也要考虑随机信号时域截断引起的频域的泄露误差以及激励带宽的控制等问题。和定频校准相比，随机校准的精度较低，控制技术复杂，所需的仪器设备也昂贵。 

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提出了一种用于测振传感器多频混合校准的方法，能够实现对测振传感器进行多频混合校准，是一种快速、准确校准测振传感器的方法。

用于测振传感器多频混合校准的方法，主要包括以下步骤：

1、高精度传感器作为校准用标准传感器，将标准传感器和被校传感器固定在振动台上，并使两传感器的轴向和振动台的主振方向一致；

2、通过信号发生模块，产生一组由频率不同、相位随机的正弦信号叠加成的多频信号，为了获得传感器信号的准确频谱，必须对传感器信号进行整周期采样，那么多频信号必须为周期信号。在合成多频信号时，保证任意两个正弦信号频率的比值为有理数，此时生成的信号为周期信号。将生成的多频信号接到功率放大器上驱动振动台，并将振动台调整到预先设定的振级，功率放大器的输出信号驱动振动台对传感器进行激振；

3、采集标准传感器和被校传感器的输出信号，将标准传感器输出信号除以其轴向灵敏度后进行FFT变换得到标准传感器输出信号对应的幅值谱；被校传感器的输出信号进行FFT变换，得到被校传感器输出信号对应的幅值谱；判断标准传感器类型是否与被校传感器类型一致，若是，则标准传感器的输出信号对应的幅值谱作为振动台的幅值谱；若否，则将标准传感器输出信号对应的的幅值谱类型变换为与被校传感器的幅值谱类型一致，类型变换后的幅值谱作为振动台的幅值谱；

4、用被校传感器的幅值谱除以振动台的幅值谱，所得的一组商为被校传感器在合成多频校准信号的各个频率点下的灵敏度。

进一步，步骤2）中将振动台调整到预定振级包括以下步骤：

（2.1）给振动台一个初始激励信号，让它产生初始振动，通过标准传感器输出信号测量此时激励的大小；因为标准传感器输出的是多频信号，测量实际振级要通过频谱分析的方法，得到各频率分量下的振级大小；

（2.2）分别比较各频率分量下实测振级与设定振级的差值，将所有差值组成一个序列，进行第一次线性逼近；逼近时，各频率分量独立同步的趋向目标幅值，即把得到的差值序列中的每个值都分成相同的等分，以相同的步数逐渐增大各频率分量的幅值，然后用这个幅值合成多频信号供信号发生模块输出，每次输出多频信号后都延时10ms，以便振动台能够响应；

（2.3）第一次线性逼近结束后，再进行一次线性逼近，这次逼近的目标幅值为计算的目标幅值。

进一步，将标准传感器输出信号的幅值谱类型变换为与被校传感器的幅值谱类型一致的变换处理的方法如下：

被校传感器为速度传感器，标准传感器为位移传感器时，变换公式为：，其中，

表示速度，

表示标准传感器输出信号位移幅值，

表示合成多频信号中各频率点值； 

被校传感器为加速度传感器，标准传感器为速度传感器或者位移传感器时，变换公式为：

；其中，

表示加速度；

被校传感器为速度传感器，标准传感器为加速度传感器时，变换公式为：

；

被校传感器为位移传感器，标准传感器为速度传感器或加速度传感器时，变换公式为：

。

本发明的有益效果：1)本发明将一组频率不同、相位随机的正弦信号在时域进行叠加，得到一组包含多个频率分量的多频信号，属于多频校准，不再属于传统的定频校准。

2）本发明利用多频信号经功率放大后驱动振动台，对传感器进行激励，可以对多个频率点下的灵敏度值同时进行校准，提高校准的效率。

3) 本发明中激励信号为多频信号，在频率设置时，可以选择性的设置频率，避开被校传感器以及夹具的固有频率，避免共振对实验的影响，并能够实现在所需的频率点下进行校准。相比随机校准，多频混合校准的控制技术相对简单，更易控制与实现，且由于采集到的信号仍然是周期信号，在信号处理时，可以获得精确的频谱值，避免时域截断引起的泄露误差，因此多频混合校准的精度要比随机校准的精度高。

附图说明

图1多频混合校准的硬件结构。

图2传感器垂直向安装示意图。

具体实施方式

实施例1

图1为测振传感器多频混合校准的硬件结构组成图，本实施例以标准传感器和被校传感器均是加速度传感器为例，测试方法包括以下步骤：

1、选择一只标准加速度传感器，参照图2的安装方法，把标准加速度传感器2和被校加速度传感器3固定在垂直振动台1上，并保证标准加速度传感器2与被校加速度传感器3的轴向与振动台的主振方向一致；

2、通过信号发生模块产生由一组频率不同、相位随机的正弦信号叠加而成的多频信号。在合成多频信号时，设置各个正弦信号频率的比值为有理数，此时生成的信号为周期信号。将多频信号接到功率放大器上驱动振动台，并将振动台调整到预先设定的振级；

将振动台调整到预定振级包括以下步骤：

（2.1）给振动台一个初始激励信号，让它产生初始振动，通过标准传感器输出信号测量此时激励的大小；因为标准传感器输出的是多频信号，测量实际振级要通过频谱分析的方法，得到各频率分量下的振级大小；

（2.2）分别比较各频率分量下实测振级与设定振级的差值，将所有差值组成一个序列，进行第一次线性逼近；逼近时，各频率分量独立同步的趋向目标幅值，即把得到的差值序列中的每个值都分成相同的等分，以相同的步数逐渐增大各频率分量的幅值，然后用这个幅值合成多频信号供信号发生模块输出，每次输出多频信号后都延时10ms，以便振动台能够响应；

（2.2）第一次线性逼近结束后，再进行一次线性逼近，这次逼近的目标幅值为计算的目标幅值。

3、采集标准加速度传感器和被校加速度传感器的输出信号，将标准加速度传感器的输出信号除以其轴向灵敏度后进行FFT变换得到振动台的幅值谱；被校传感器进行FFT变换，得到被校传感器的幅值谱； 

4、用被校加速度传感器的幅值谱除以振动台的幅值谱，所得的一组商为被校加速度传感器在合成多频校准信号的各个频率点下的灵敏度。

实施例2

本实施例以标准传感器是加速度传感器、被测传感器是速度传感器为例，测试方法中除步骤3中的幅值谱变换与实施例1不同，其余步骤都与实施例1相同。步骤3的具体内容如下：

采集标准加速度传感器和被校速度传感器的输出信号，将标准加速度传感器的输出信号除以其轴向灵敏度后进行FFT变换得到振动台的加速度的幅值谱，按照公式

变换得到振动台的幅值谱；被校传感器进行FFT变换，得到被校传感器的幅值谱； 

用被校速度传感器的幅值谱除以振动台的幅值谱，所得的一组商为被校速度传感器在合成多频校准信号的各个频率点下的灵敏度。

当被校传感器为速度传感器，标准传感器为位移传感器时，按变换公式

将振动台的位移幅值谱转换为速度幅值谱，其中，

表示速度，

表示标准传感器输出信号位移幅值，

表示合成多频信号中各个频率点值。

当被校传感器为加速度传感器，标准传感器为速度传感器或者位移传感器时，按变换公式

将振动台的位移幅值谱或速度幅值谱转换为加速度幅值谱；其中，

表示加速度。

当被校传感器为位移传感器，标准传感器为速度传感器或加速度传感器时，按变换公式

将振动台的速度幅值谱或加速度幅值谱转换为位移幅值谱。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (3)

1.用于测振传感器多频混合校准的方法，主要包括以下步骤：

1）、高精度传感器作为校准用标准传感器，将标准传感器和被校传感器固定在振动台上，并使两传感器的轴向和振动台的主振方向一致；

2）、通过信号发生模块，产生一组由频率不同、相位随机的正弦信号叠加成的多频信号，该多频信号为周期信号；将多频信号接到功率放大器上驱动振动台，并将振动台调整到预先设定的振级，功率放大器的输出信号驱动振动台对传感器进行激振；

3）、采集标准传感器和被校传感器的输出信号，将标准传感器输出信号除以其轴向灵敏度后进行FFT变换得到标准传感器输出信号对应的幅值谱；被校传感器的输出信号进行FFT变换，得到被校传感器输出信号对应的幅值谱；判断标准传感器类型是否与被校传感器类型一致，若是，则标准传感器的输出信号对应的幅值谱作为振动台的幅值谱；若否，则将标准传感器输出信号对应的的幅值谱类型变换为与被校传感器的幅值谱类型一致，类型变换后的幅值谱作为振动台的幅值谱；

4）、用被校传感器的幅值谱除以振动台的幅值谱，所得的一组商为被校传感器在合成多频信号的各个频率点下的灵敏度。

2.如权利要求1所述的用于测振传感器多频混合校准的方法，其特征在于：步骤2）中将振动台调整到预定振级包括以下步骤：

（2.1）给振动台一个初始激励信号，让它产生初始振动，通过标准传感器输出信号测量此时激励的大小；因为标准传感器输出的是多频信号，测量实际振级要通过频谱分析的方法，得到各频率分量下的振级大小；

（2.2）分别比较各频率分量下实测振级与设定振级的差值，将所有差值组成一个序列，进行第一次线性逼近；逼近时，各频率分量独立同步的趋向目标幅值，即把得到的差值序列中的每个值都分成相同的等分，以相同的步数逐渐增大各频率分量的幅值，然后用这个幅值合成多频信号供信号发生模块输出，每次输出多频信号后都延时10ms，以便振动台能够响应；

（2.3）第一次线性逼近结束后，再进行一次线性逼近，这次逼近的目标幅值为计算的目标幅值。

3.如权利要求2所述的用于测振传感器多频混合校准的方法，其特征在于：将标准传感器输出信号的幅值谱类型变换为与被校传感器的幅值谱类型一致的变换处理的方法如下：

被校传感器为速度传感器，标准传感器为位移传感器时，变换公式为：

，其中，

表示速度，

表示标准传感器输出信号位移幅值，

表示合成多频信号中各频率点值； 

被校传感器为加速度传感器，标准传感器为速度传感器或者位移传感器时，变换公式为：

；其中，

表示加速度；

被校传感器为速度传感器，标准传感器为加速度传感器时，变换公式为：

；

被校传感器为位移传感器，标准传感器为速度传感器或加速度传感器时：

。

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