CN106768282A - 一种用于磁电式传感器的现场校准系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于磁电式传感器的现场校准系统，包括数字采集仪、校准电路和信号处理装置；所述数字采集仪设有电压信号输出端、第一信号输入端、第二信号输入端；所述校准电路设有激励信号输出端和校准信号输出端；所述数字采集仪的电压信号输出端用于与所述驱动校准电路的激励信号输出端连接，所述校准电路的激励信号输出端，用于与待校准的磁电式传感器连接；所述校准电路校准信号输出端与所述数字采集仪的第一信号输入端连接；所述数字采集仪的第二信号输入端用于与待校准的磁电式传感器连接，并接收磁电式传感器的振动信号；所述信号处理装置与所述数字采集仪连接，用于接收处理所述数字采集仪的两路信号。
Description
技术领域
本发明涉及振动计量校准领域，特别是一种磁电式传感器校准系统。
背景技术
在地震检测和工程测振领域中，常需要大量的测振传感器对地面，工程结构，机械设备进行长期监测。比如在强震观测方面，全球用于地震动观测的数据超过3万台，结构健康监测和环境振动监测中所布设的传感器更是远高于这个数字，而且这些传感器往往要持续工作数年，因此其现场校准技术具有大量的现实需求。目前存在的可用于磁电式传感器的校准的技术存在着一下问题：
1.高频部分抗干扰能力差，无论是使用阶跃信号还是单位脉冲信号，都无法保证高频段的信噪比，只适合于长周期的校准；
2.传统的使用正弦信号进行校准时，尽管可以调节输入信号保证高频段的信噪比，但实际的测试结果在高频段的误差可达30％，无法用来作为判断传感器是否损坏的依据；
3.白噪声和伪随机二进制信号抗干扰强，但是需要知道传感器的频率特性或传递函数完成卷积运算。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供了一种磁电式传感器校准系统。
本发明通过以下的方案实现：一种用于磁电式传感器的现场校准系统，包括数字采集仪、校准电路和信号处理装置；
所述数字采集仪设有电压信号输出端、第一信号输入端、第二信号输入端；所述校准电路设有激励信号输出端和校准信号输出端；
所述数字采集仪的电压信号输出端用于与所述驱动校准电路的激励信号输出端连接，所述校准电路的激励信号输出端，用于与待校准的磁电式传感器连接；所述校准电路校准信号输出端与所述数字采集仪的第一信号输入端连接；
所述数字采集仪的第二信号输入端用于与待校准的磁电式传感器连接，并接收磁电式传感器的振动信号；
所述信号处理装置与所述数字采集仪连接，用于接收处理所述数字采集仪的两路信号。
作为本发明的进一步改进，所述数字采集仪包括信号源，用于产生电压信号。
作为本发明的进一步改进，所述校准电路包括一个电阻，该电阻的一端为接地端，与所述信号源的接地端共地；所述电阻的另一端为非接地端，与所述信号源的正端共同构成校准电路的激励信号输出端口；所述电阻的接地端和非接地端共同构成校准信号输出端口，并与所述数字采集仪连接。
作为本发明的进一步改进，所述信号处理装置包括：
数字滤波模块，用于对数字采集仪的两路信号进行滤波处理；
峰值检测模块，用于检测信号的峰值；
灵敏度计算模块，用于计算磁电式传感器的灵敏度大小。
作为本发明的进一步改进，所述电阻为金属膜电阻。
综上所述，通过本发明的校准系统实现了以下技术效果：
1、校准系统结构简单，携带方便，并可用于传感器的在线校准；
2、本发明成功解决了磁电式传感器在使用正弦稳态法校准时，高频段精度低的问题，从原理上消除了校准误差，从实际操作上减小了误差。
为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。
附图说明
图1是本发明的磁电式传感器校准系统的连接框图。
图2是本发明的校准电路的电路图。
具体实施方式
以下结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
请参阅图1，其为本发明的磁电式传感器校准系统的连接框图。
本发明提供了一种用于磁电式传感器的现场校准系统，包括数字采集仪1、校准电路2、信号处理装置3和待校准的磁电式传感器4。所述数字采集仪1分别与校准电路2、磁电式传感器4和信号处理装置连接。所述数字采集仪1通过采集校准电路2和磁电式传感器4的信号，并将其发送至信号处理装置3中进行处理，最终计算出磁电式传感器的电灵敏度。以下具体介绍本发明的电磁式传感器校准系统的电路连接示意图。
本发明采用的数字采集仪1设有电压信号输出端P1、第一信号输入端CH1、第二信号输入端CH2；所述校准电路2设有电压信号输入端P2、激励信号输出端P3和校准信号输出端P4。所述信号处理装置3通过USB接口与数字采集仪连接。所述磁电式传感器4设有校准线圈端口P7和主线圈端口P8。
所述数字采集仪1内设有信号源，用于产生电压信号，并通过所述电压信号输出端P1与所述驱动校准电路2的电压信号输入端P2连接，所述校准电路的激励信号输出端P3与磁电式传感器4的校准线圈端P7连接。所述校准电路校准信号输出端P4与所述数字采集仪1的第一信号输入端CH1连接。所述数字采集仪的第二信号输入端CH2与磁电式传感器4的主线圈端P8连接，并接收磁电式传感器的振动信号。
所述信号处理装置3通过USB接口与所述数字采集仪1连接，用于接收处理所述数字采集仪的CH1和CH2两路信号。其中，所述信号处理装置3可以是一个安装有信号处理软件的终端设备，比如：电脑等。
具体的，所述信号处理装置包括以下功能模块：数字滤波模块、峰值检测模块和灵敏度计算模块。
所述数字滤波模块，用于对数字采集仪的两路信号进行滤波处理。具体的，本发明的软件滤波的频率一般选择传感器上限频率的两倍。
所述峰值检测模块，用于检测信号的峰值。
所述灵敏度计算模块，用于计算磁电式传感器的灵敏度大小。
本发明中具体通过软件调整信号发生器的频率和幅值，用以测量不同频率下的传感器灵敏度。
请同时参阅图2，其为本发明的校准电路的电路图。进一步具体介绍本发明所采用的校准电路的具体构成。本发明的所述校准电路只包括一个电阻，该电阻的一端为接地端，与所述信号源的接地端共地。所述电阻的另一端为非接地端，与所述信号源的正端共同构成校准电路的激励信号输出端口。所述电阻的接地端和非接地端共同构成校准信号输出端口，并与所述数字采集仪连接。
其中，校准电路的电阻要使用温度系数较小的电阻，如金属膜电阻。
通过上述校准系统，将校准电路电压输出信号和传感器电压输出信号传输至电脑中的处理软件，从而计算传感器在选定频率下的电灵敏度，得到传感器的幅频特性响应曲线，可以不再将传感器卸下后校准，并解决了磁电式传感器现场校准技术中存在的高频段校准结果误差大的问题。
下面结合以下公式推导来进一步阐述本发明的原理及优点。
首先，一般无源磁电式振动传感器的传递函数为：
其中，
式(1)与式(2)中各参数的意义如下：
y——振动台可动部分运动位移；
e——传感器电压输出信号；
G——传感器主线圈机电耦合系数，磁场强度与漆包线绕线长度的乘积；
m——传感器可动部分质量；
R——传感器采集设备输入内阻；
Rs——线圈内阻
C——传感器反馈电容；
k——弹性元件刚度；
c——空气阻尼系数；
s——拉普拉斯算子。
令：
则，式(1)可简化为：
而一般的校准方法，是直接将电压信号供给校准线圈，这样做会又与线圈电感的影响使得流过线圈的电流与电压信号的比值随频率变化，众所周知，通电导线在磁场中的受力与电流成正比，线圈两端的电压便无法正确的反应线圈所受到的磁场力，就会导致校准结果在高频段的误差逐渐加大。以下是传感器的恒压校准的传递函数表达式：
其中：
W4＝m[R2+L2s] (6)
u为信号源输出端的电压，其中R2为校准线圈内阻，G2为校准线圈机电耦合系数，L2为校准线圈电感，(6)式与(4)式相比，比值不是一个常数，因此这样的方法理论上存在误差。
本发明通过测量校准电路(参考附图2)中一个与校准线圈串联的电阻两端的电压值，得到与校准线圈电流成正比的，可以反应校准线圈实际加速度的电压信号，从而使得传感器的校准结果准确性大大提高。该校准系统的传递函数为：
其中Rc为校准电路内阻。式(7)与式(4)相比只相差一个常系数，因此本发明从理论上杜绝了校准误差。
综上所述，通过本发明的校准系统实现了以下技术效果：
1、校准系统结构简单，携带方便，并可用于传感器的在线校准；
2、本发明成功解决了磁电式传感器在使用正弦稳态法校准时，高频段精度低的问题，从原理上消除了校准误差，从实际操作上减小了误差。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种用于磁电式传感器的现场校准系统，其特征在于：包括数字采集仪、校准电路和信号处理装置；
所述数字采集仪设有电压信号输出端、第一信号输入端、第二信号输入端；所述校准电路设有电压信号输入端、激励信号输出端和校准信号输出端；
所述数字采集仪的电压信号输出端用于与所述驱动校准电路的电压信号输入端连接，所述校准电路的激励信号输出端，用于与待校准的磁电式传感器连接；所述校准电路校准信号输出端与所述数字采集仪的第一信号输入端连接；
所述数字采集仪的第二信号输入端用于与待校准的磁电式传感器连接，并接收磁电式传感器的振动信号；
所述信号处理装置与所述数字采集仪连接，用于接收处理所述数字采集仪的两路信号。
2.根据权利要求1所述用于磁电式传感器的现场校准系统，其特征在于：所述数字采集仪包括信号源，用于产生电压信号。
3.根据权利要求2所述用于磁电式传感器的现场校准系统，其特征在于：所述校准电路包括一个电阻，该电阻的一端为接地端，与所述信号源的接地端共地；所述电阻的另一端为非接地端，与所述信号源的正端共同构成校准电路的激励信号输出端口；所述电阻的接地端和非接地端共同构成校准信号输出端口，并与所述数字采集仪连接。
4.根据权利要求1所述用于磁电式传感器的现场校准系统，其特征在于：所述信号处理装置包括
数字滤波模块，用于对数字采集仪的两路信号进行滤波处理；
峰值检测模块，用于检测信号的峰值；
灵敏度计算模块，用于计算磁电式传感器的灵敏度大小。
5.根据权利要求3所述用于磁电式传感器的现场校准系统，其特征在于：所述电阻为金属膜电阻。
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