CN106872017A - 一种磁电式低频振动传感器的幅相补偿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种磁电式低频振动传感器的幅相补偿方法：获取低频振动传感器的预标定幅频特性和预标定相频特性，对低频振动传感器输出信号进行离散采样；对预标定幅频特性和预标定相频特性进行三次Hermite插值计算；对低频振动传感器的采样结果进行快速傅里叶变换，分别求出其幅度谱和相位谱；对幅度谱和相位谱进行补偿，得到补偿后的幅度谱和相位谱；对补偿后的幅度谱和相位谱进行逆傅里叶变换得到经补偿矫正后的真实振动信号。本发明矫正由于传感器自身特性造成的信号失真，为结构振动分析提供真实可靠的原始数据，适用于用于磁电式低频振动传感器的幅相补偿。
Description
技术领域
本发明属于测量技术领域，更具体的说，是涉及一种磁电式低频振动传感器的幅相补偿方法。
背景技术
现有的低频振动传感器，其前端磁电式拾振器通过磁铁振动对电磁线圈的切割将振动速度信号转化为电信号，后端积分补偿电路将振动速度成分补偿后输出为速度信号或积分为振动位移信号并进行输出，由于拾振器惯性摆原理，小于其自振频率的信号幅值会急剧下降，因此后端积分补偿电路需要对拾振器小于自振频率的信号进行低频补偿以保证输出信号的一致性，由于低频补偿电路自身的幅频特性，会导致传感器最终输出电信号超低频成分幅相失真，进而造成由传感器拾取的振动信号发生畸变，不能反映结构的真实振动情况。
由于结构实际振动情况较为复杂，科研人员很难直观地发现传感器采集到的信号事实上是已经发生了畸变的信号，对信号进行各种分析时没有对采集到的原始信号进行预处理，分析结果不能真实反映结构的振动情况，故急需一种针对这种磁电式低频振动传感器采集到的畸变信号进行矫正的信号处理方法。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种针对以磁电式拾振器为传感核心的磁电式低频振动传感器的幅相补偿方法，可有效的矫正畸变信号。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
本发明的一种磁电式低频振动传感器的幅相补偿方法，包括以下步骤：
步骤一，对低频振动传感器进行预标定，获取低频振动传感器的预标定幅频特性和预标定相频特性，对低频振动传感器输出信号进行离散采样；
步骤二，根据低频振动传感器输出信号离散采样点数，分别对预标定幅频特性和预标定相频特性进行三次Hermite插值计算，得到插值后的预标定幅频特性和预标定相频特性；
步骤三，对低频振动传感器的采样结果进行快速傅里叶变换，分别求出其幅度谱和相位谱；
步骤四，根据步骤二中插值后的预标定幅频特性和预标定相频特性，对步骤三中的幅度谱和相位谱进行补偿，得到补偿后的幅度谱和相位谱；
步骤五，对步骤四中补偿后的幅度谱和相位谱进行逆傅里叶变换得到经补偿矫正后的真实振动信号。
所述步骤二中插值后的预标定幅频特性和预标定相频特性分别表示为：
A(fN)＝hermite(A(fx),N)
P(fN)＝hermite(P(fx),N)
其中，A(fN)表示插值后的预标定幅频特性，A(fx)表示预标定幅频特性，P(fN)表示插值后的预标定相频特性，P(fx)表示预标定相频特性，N表示低频振动传感器输出信号离散采样点数。
所述步骤三中幅度谱和相位谱按以下公式计算：
FFT(fN)＝fft(signal(n))
其中，fft表示快速傅里叶变换变换，signal(n)表示低频振动传感器的采样结果，n表示采样点，MAG(fN)表示幅度谱,PHA(fN)表示相位谱，real表示求实数部分，imag表示求虚数部分。
所述步骤四中补偿后的幅度谱和相位谱按以下公式计算：
MAG′(fN)＝MAG(fN)/A(fN)
PHA′(fN)＝PHA(fN)-P(fN)
其中，MAG′(fN)表示补偿后的幅度谱，A(fN)表示插值后的预标定幅频特性，PHA′(fN)表示补偿后的相位谱，P(fN)表示插值后的预标定相频特性。
所述步骤五中的补偿矫正后的真实振动信号按以下公式计算：
FFT′(fN)＝MAG′(fN)·sin(PHA′(fN))+i·MAG′(fN)*cos(PHA′(fN))
signal′(n)＝real(ifft(FFT′(fN)))
其中，signal′(n)表示补偿矫正后的真实振动信号，ifft表示逆快速傅里叶变换变换。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
本发明可对现有以磁电式拾振器为核心的低频振动速度传感器和低频振动位移传感器进行幅值和相位补偿，矫正由于传感器自身特性造成的信号失真，为结构振动分析提供真实可靠的原始数据，促进该学科的发展。
附图说明
图1是本发明的流程图；
图2是低频振动传感器幅频特性曲线；
图3是低频振动传感器相频特性曲线；
图4是原始振动信号时程图；
图5是低频振动传感器拾取到的振动信号时程图；
图6是补偿矫正后的振动信号时程图；
图7是原始信号幅频特性曲线；
图8是低频振动传感器拾取到的信号幅频特性曲线；
图9是补偿矫正后的信号幅频特性曲线；
图10是原始信号相频特性曲线；
图11是低频振动传感器拾取到的相频特性曲线；
图12是补偿矫正后的信号相频特性曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
本发明涉及关于磁电式低频振动传感器信号补偿的内容，具体地说是一种针对以磁电式拾振器为传感核心的低频振动传感器超低频信号部分的幅值与相位失真补偿方法，如图1所示，主要用于磁电式低频振动传感器的幅相补偿。
本发明的一种磁电式低频振动传感器的幅相补偿方法，具体过程如下：
针对一个低端响应频率0.2Hz，高端响应频率200Hz的低频振动传感器进行预标定，获取低频振动传感器的预标定幅频特性和预标定相频特性数据，在图2和图3中用空心圆圈表示。该数据可以从低频振动传感器生产厂家获得，或者通过低频振动台检测得到。如使用低频振动台获取低频振动传感器特性曲线，则获取步骤为：将低频振动传感器固定在低频振动台上，在0.1Hz～0.9Hz(间隔0.1Hz)，1Hz～9Hz(间隔1Hz)，10Hz～90Hz(间隔10Hz)上共取27个频点控制低频振动台进行正弦波振动；采用涡流传感器作为标定器对振动波形进行测绘；采用模拟量采集卡对低频振动传感器输出数据进行采集，并通过与涡流传感器输出数据进行比对，获取当前频点的灵敏度值与相位差值作为预标定幅频特性和预标定相频特性。
结构振动的原始信号是由1个振动频率0.2Hz，振动幅值0.5，初始相位0.628弧度的正弦曲线和1个振动频率3Hz，振动幅值0.5，初始相位1.57弧度的正弦曲线叠加而成。其时程图如图4所示，幅频特性曲线如图7所示，相频特性曲线如图所10示。
由于信号的相位失真存在时延偏移性，因此需要对信号进行采集后处理。低频振动传感器投入工作后，将通过模拟量采集卡对低频振动传感器输出信号进行离散采样，根据采样定理，其采样频率需大于低频振动传感器最高响应频率2倍以上，采集到结构振动的离散信号，其时程图如图5所示，可以看到，其时程图相较于真实的振动信号，有了较大的畸变。采集信号的幅频特性曲线如图8所示，可以看到信号在低频部分(0.2Hz)幅值有较大的衰减。采集信号的相频特性曲线如图11所示，其在低频部分也有一定的畸变。
设模拟量采集卡采样率为fs，低频振动传感器输出信号离散采样点数为N，其采样结果为signal(n)，低频振动传感器预标定频率点数为x，预标定幅频特性为A(fx)，预标定相频特性为P(fx)，传感器有效工作频率范围上下限为(fmin，fmin)。
将低频振动传感器采集到的离散信号数据导入到电脑端进行处理。由于N点傅里叶变化后的频谱分辨率为1/N*fs，因此需要对预标定幅频特性和预标定相频特性进行三次Hermite插值，保证插值后结果与傅里叶变化结果点数相同并可进行计算。
根据低频振动传感器输出信号离散采样点数N，分别对预标定幅频特性A(fx)和预标定相频特性P(fx)进行三次Hermite插值计算，其插值结果在图2和图3中以实曲线表示，得到插值后的预标定幅频特性A(fN)和预标定相频特性P(fN)：
A(fN)＝hermite(A(fx),N) (1)
P(fN)＝hermite(P(fx),N) (2)
对低频振动传感器的采样结果signal(n)进行N点快速傅里叶变换获取其幅频特性和相频特性曲线，如图8和图11所示，分别求出其幅度谱MAG(fN)和相位谱PHA(fN)：
FFT(fN)＝fft(signal(n)) (3)
其中，fft表示快速傅里叶变换变换，n表示采样点，real表示求实数部分，imag表示求虚数部分。
根据插值后的预标定幅频特性A(fN)和预标定相频特性P(fN)，对幅度谱MAG(fN)和相位谱PHA(fN)进行补偿，得到补偿后的幅度谱MAG′(fN)和相位谱PHA′(fN)：
MAG′(fN)＝MAG(fN)/A(fN) (6)
PHA′(fN)＝PHA(fN)-P(fN) (7)
对补偿后的幅度谱MAG′(fN)和相位谱PHA′(fN)进行逆傅里叶变换得到经补偿矫正后的真实振动信号signal′(n)：
FFT′(fN)＝MAG′(fN)·sin(PHA′(fN))+i·MAG′(fN)*cos(PHA′(fN)) (8)
signal′(n)＝real(ifft(FFT′(fN))) (9)
其中，ifft表示逆快速傅里叶变换变换，信号signal′(n)即为对原始信号signal(n)进行补偿矫正后的真实振动信号。
通过插值后的预标定幅频特性A(fN)和预标定相频特性P(fN)对传感器输出信号曲线进行补偿得到补偿后的傅里叶变化结果如图9和图12所示；从图9可以看到，通过补偿后，得到的振动信号的幅频特性曲线与原始信号吻合很好，从图12可以看到，补偿后，除了在低端响应频率处相频特性值有较大差异，其他频率对应点处吻合均较好，实际上，原始信号的相位和补偿后的相位在0.2Hz处相差360度，对于正余弦信号来说，正好相差一个周期，故两个信号实际是相同的。对补偿后的傅里叶变化结果进行逆傅里叶变化获取到补偿后的信号结果，补偿结果时程线见图6。
尽管上面结合附图对本发明的功能及工作过程进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体功能和工作过程，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (5)
1.一种磁电式低频振动传感器的幅相补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，对低频振动传感器进行预标定，获取低频振动传感器的预标定幅频特性和预标定相频特性，对低频振动传感器输出信号进行离散采样；
步骤二，根据低频振动传感器输出信号离散采样点数，分别对预标定幅频特性和预标定相频特性进行三次Hermite插值计算，得到插值后的预标定幅频特性和预标定相频特性；
步骤三，对低频振动传感器的采样结果进行快速傅里叶变换，分别求出其幅度谱和相位谱；
步骤四，根据步骤二中插值后的预标定幅频特性和预标定相频特性，对步骤三中的幅度谱和相位谱进行补偿，得到补偿后的幅度谱和相位谱；
步骤五，对步骤四中补偿后的幅度谱和相位谱进行逆傅里叶变换得到经补偿矫正后的真实振动信号。
2.根据权利要求1所述的一种磁电式低频振动传感器的幅相补偿方法，其特征在于，所述步骤二中插值后的预标定幅频特性和预标定相频特性分别表示为：
A(fN)＝hermite(A(fx),N)
P(fN)＝hermite(P(fx),N)
其中，A(fN)表示插值后的预标定幅频特性，A(fx)表示预标定幅频特性，P(fN)表示插值后的预标定相频特性，P(fx)表示预标定相频特性，N表示低频振动传感器输出信号离散采样点数。
3.根据权利要求1所述的一种磁电式低频振动传感器的幅相补偿方法，其特征在于，所述步骤三中幅度谱和相位谱按以下公式计算：
FFT(fN)＝fft(signal(n))
其中，fft表示快速傅里叶变换变换，signal(n)表示低频振动传感器的采样结果，n表示采样点，MAG(fN)表示幅度谱,PHA(fN)表示相位谱，real表示求实数部分，imag表示求虚数部分。
4.根据权利要求1所述的一种磁电式低频振动传感器的幅相补偿方法，其特征在于，所述步骤四中补偿后的幅度谱和相位谱按以下公式计算：
MAG′(fN)＝MAG(fN)/A(fN)
PHA′(fN)＝PHA(fN)-P(fN)
其中，MAG′(fN)表示补偿后的幅度谱，A(fN)表示插值后的预标定幅频特性，PHA′(fN)表示补偿后的相位谱，P(fN)表示插值后的预标定相频特性。
5.根据权利要求1所述的一种磁电式低频振动传感器的幅相补偿方法，其特征在于，所述步骤五中的补偿矫正后的真实振动信号按以下公式计算：
FFT′(fN)＝MAG′(fN)·sin(PHA′(fN))+i·MAG′(fN)*cos(PHA′(fN))
signal′(n)＝real(ifft(FFT′(fN)))
其中，signal′(n)表示补偿矫正后的真实振动信号，ifft表示逆快速傅里叶变换变换。
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