CN106895904A - 一种高精度的外差式激光振动校准灵敏度相位测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高精度的外差式激光振动校准灵敏度相位测量方法，本方法主要包括：利用高分辨率示波器(HDO)与PUSAM实现模拟混频器与低通滤波器的时间延时测量；基于PUSAM与模拟混频器及低通滤波器实现数据采集卡的时间延时测量；基于PUSAM实现外差式激光多普勒信号的解调得到振动信号初相与基于SAM实现被校传感器及测量仪输出信号的初相测量；最后依据数据采集卡的时间延时修正被测振动信号的初相，实现被校振动传感器及测量仪的灵敏度相位测量。相比于现有的灵敏度相位测量方法，本方法考虑数据采集卡的时间延时对于振动灵敏度相位校准引入的相位延时，有效提高了灵敏度相位的测量精度。

Description

一种高精度的外差式激光振动校准灵敏度相位测量方法
技术领域
本发明属于振动校准领域，尤其适用于外差式激光绝对法振动校准中的灵敏度相位校准。
背景技术
振动传感器及测量仪相频特性是振动传感器及测量仪的一项重要性能参数，由于加工制造、长期投入使用等原因会导致振动传感器及测量仪的相频特性发生变化，导致其测量结果不可靠，因此需要定期校准振动传感器及测量仪的灵敏度相位，以保证振动传感器及测量仪的测量数据准确性。通常使用外差式激光干涉绝对法实现振动传感器及测量仪的灵敏度相位校准，振动传感器及测量仪的灵敏度相位振动校准具有非常重要的意义，其是保证振动传感器及测量仪所测数据有效、可靠、稳定的前提。
常用的外差式激光振动校准灵敏度相位测量方法有依据Nyquist采样定理的NS-PUSAM方法、使用模拟混频器与低通滤波器的MLPFS-PUSAM方法、基于欠采样定理的SubNS-PUSAM方法。NS-PUSAM方法使用高速数据采集卡直接采集外差式激光多普勒信号，基于PUSAM实现振动信号测量，其具有采样频率高、处理数据量大、数据采集卡延时小等特点；MLPFS-PUSAM方法采集经模拟混频器与低通滤波器调制的外差式激光多普勒信号，基于PUSAM实现振动信号测量，其具有采样频率低、处理数据量小、需要外部模拟器件、存在模拟器件引入的相位延时等特点；SubNS-PUSAM方法使用相对低速采集卡直接采集外差式激光多普勒信号，基于PUSAM实现振动信号测量，其具有采样频率低、处理数据量小、存在数据采集卡引入的相位延时等特点。
因此，针对目前外差式激光振动校准灵敏度相位测量方法存在所需采样频率高及实时性差、或需要外部模拟器件、存在一定的相位延时等不足，本发明提出一种所需采样频率低、处理数据量小、实时性好、不需外部模拟器件、精度高的外差式激光振动校准灵敏度相位测量方法。
发明内容
针对目前外差式激光振动校准灵敏度相位测量方法存在所需采样频率高与处理数据量大、或需要外部模拟器件、存在一定的相位延时等不足，本发明实施实例提供一种高精度灵敏度相位测量方法，包括：
模拟混频器与低通滤波器时间延时测量：用于确定模拟混频器与低通滤波器引入的时间延时，包括：HDO同步采集原始FM信号与经模拟混频器及低通滤波器调制后的FM信号，基于PUSAM实现模拟混频器与低通滤波器的时间延时测量；
数据采集卡时间延时测量：基于模拟混频器及低通滤波器的时间延时测量结果与PUSAM实现数据采集卡的时间延时测量；
振动信号与传感器及测量仪输出信号初相测量：其包括：基于PUSAM的外差式激光多普勒信号解调，得到振动信号初相测量，基于SAM的振动传感器及测量仪输出信号初相测量；
灵敏度相位测量：基于数据采集卡的时间延时测量结果修正振动信号的初相，依据修正后的振动信号初相与传感器及测量仪输出信号初相计算被校振动传感器及测量仪的灵敏度相位。
一种高精度的外差式激光振动校准灵敏度相位测量方法，该方法包括以下步骤，
S1：利用HDO同步采集原始FM与模拟混频器及低通滤波器调制的FM信号，通过PUSAM实现模拟混频器与低通滤波器的时间延时测量；
S2：基于PUSAM与模拟混频器及低通滤波器的时间延时测量结果实现数据采集卡的时间延时测量；
S3：基于PUSAM与SAM实现已采集外差式激光多普勒信号解调与被校传感器及测量仪输出信号拟合，得到振动信号与输出信号的初相；
S4：最后依据数据采集卡的时间延时测量结果修正振动信号的初相，确定被校振动传感器及测量仪的灵敏度相位。
HDO与PUSAM是用于确定模拟混频器与低通滤波器对FM信号的时间延时，具体包括：
(1)HDO同步采集；
使用函数信号发生器即FSG产生与实际外差式激光多普勒信号相同载波频率与频偏的FM信号，HDO同步采集第一路高载波频率FM的信号与第二路经模拟混频器与低通滤波器调制的低载波频率FM信号；
(2)确定模拟混频器与低通滤波器的时间延时；
对于HDO采集的两路FM信号如下：
其中，us(t)与umlp(t)分别为HDO采集的第一路原始FM信号与第二路调制后的FM信号，与分别为第一路FM信号与第二路FM信号的相位信息；基于PU获取第一路FM信号和第二路FM信号的相位信息；基于PU获取FM第一路信号和FM第二路信号的相位信息与最后使用SAM拟合对相位信息进行如下拟合：
式(2)中，ω为调制信号角频率；A1与B1决定第一路调制信号的幅值与初相，A2与B2决定第一路调制信号的幅值与初相；C1、C2分别为第一路信号的载波频率偏移系数和第二路信号的载波频率偏移系数；D1、D2分别为第一路信号的直流偏移和第二路信号的直流偏移。
两路FM信号的调制信号初相分别为arctan(B1/A1)与arctan(B2/A2)，模拟混频器与低通滤波器的时间延时计算如下：
tmlp＝(arctan(B2/A2)-arctan(B1/A1))/(2πfm) (3)
其中，tmlp为模拟混频器与低通滤波器的时间延时，fm为调制信号频率。
模拟混频器与低通滤波器的时间延时测量，数据采集卡同步采集原始FM信号与经模拟混频器及低通滤波器调制的FM信号，基于PUSAM实现数据采集卡的两路FM信号的调制频率初相测量，依据模拟混频器与低通滤波器的时间延时测量结果修正经模拟混频器与低通滤波器的调制信号初相，数据采集卡的时间延时计算如下：
其中，tDAQ为数据采集卡的时间延时，为经模拟混频器与低通滤波器调制后FM信号的调制信号修正后初相，为数据采集卡直接采集FM信号的调制信号初相。
当完成所述数据采集卡时间延时测量后，数据采集卡采集的外差式激光多普勒信号如下：
其中，us(t)与up分别为外差式激光多普勒信号与多普勒信号幅值，与fc分别为激光多普勒信号初相与载波频率，λ与vp分别为激光波长与被测振动速度峰值，fv与分别为被测振动频率与初相；
基于PUSAM实现采集外差式激光多普勒信号解调，得到被测振动信号初相为基于SAM拟合被校传感器及测量仪输出信号，得到输出信号初相为
被测振动信号初相包含数据采集卡引入的相位延时，修正后的振动信号初相如下：
其中为修正数据采集卡时间延时后的被测振动信号初相。
所述灵敏度相位计算如下：
其中为被校振动传感器及测量仪的灵敏度相位。
本发明灵敏度相位测量方法具有如下优势：
⑴本发明方法实现外差式激光振动校准中的模拟混频器与低通滤波器时间延时测量。
⑵本发明方法实现外差式激光振动校准中的数据采集卡时间延时测量。
⑶本发明方法所需采样频率低、实时性好、不需要外部模拟器件、修正后的灵敏度相位不包含相位延时。
⑷本发明方法适用于不同规格及尺寸的振动传感器及测量仪灵敏度相位校准。
附图说明
图1为本发明方法具体实施实例垂直安装装置示意图；
图2为本发明方法具体实施实例水平安装装置示意图；
图3为一种高精度的外差式激光振动校准灵敏度相位测量方法流程图；
图4为数据采集卡时间延时测量流程图；
图5为振动传感器及测量仪灵敏度相位测量流程图；
图6-7为本发明方法具体实施实例的数据采集卡时间延时测量结果图；
图8-9为本发明方法与修正的MLPFS-PUSAM测量方法具体实施实例的振动传感器灵敏度相位测量结果图。
具体实施方式
为了解决目前的外差式激光振动校准灵敏度相位存在一定的相位延时、测量精度有限等问题，本发明提供了一种有效的外差式激光振动校准灵敏度相位测量方法，下面结合附图和具体的实施实例对本发明做出详细描述。
参考图1与图2为本发明方法的实施实例装置示意图，该装置主要包括：振动台1、振动台工作台面2、被校振动传感器及测量仪3、外差式激光干涉仪4、隔振台5、线缆6、信号处理及显示设备7。被校振动传感器及测量仪3刚性固定于振动台1的工作台面2，隔振台5用于固定外差式激光干涉仪4并垂直于被校传感器及测量仪3；外差式激光干涉仪4与信号处理及显示设备7通过线缆6交互，线缆6用于实时传输外差式激光多普勒信号与被校传感器及测量仪输出信号；信号处理及显示设备7用于处理及显示已采集的激光多普勒信号与被校传感器及测量仪输出信号、灵敏度相位测量结果。
外差式激光干涉仪4与工作台面2之间为沿竖直方向垂直或者沿水平方向垂直。
参考图3为一种高精度的外差式激光振动校准灵敏度相位测量方法流程图。本发明灵敏度相位测量方法主要包括以下步骤：
步骤S20：数据采集卡时间延时测量，包括：基于HDO与PUSAM的模拟混频器与低通滤波器的时间延时确定，基于PUSAM的数据采集卡时间延时测量；
步骤S40：以满足欠采样定理的采样频率同步采集外差式激光多普勒信号与振动传感器及测量仪的输出信号；
步骤S60：振动信号与输出信号初相测量及振动信号初相修正，其包括：基于PUSAM的外差式激光多普勒信号解调，实现振动信号初相测量，基于SAM的输出信号初相测量；通过数据采集卡的时间延时测量结果，修正被测振动信号的初相；
步骤S80：输出被校振动传感器及测量仪的灵敏度相位。
参考图4为数据采集卡时间延时测量流程图。本发明数据采集卡时间延时测量包括如下步骤：
步骤S21：使用FSG产生与实际外差式激光多普勒信号相同载波频率与频偏的FM信号；
步骤S22：使用模拟混频器与低通滤波器将原始FM信号调制到低载波频率FM信号；
步骤S23：HDO同步采集原始高载波频率FM信号与调制后的低载波频率FM信号；
步骤S24：基于PUSAM实现两路已采集FM信号的调制信号测量，得到两路FM信号的调制信号初相；
步骤S25：依据两调制信号的初相计算模拟混频器与低通滤波器时间延时；
步骤S26：FSG产生与步骤S21相同载波频率与频偏的FM信号；
步骤S27：数据采集卡同步采集原始FM信号与经模拟混频器与低通滤波器调制后的FM信号；
步骤S28：基于PUSAM实现数据采集卡采集的两路FM信号的调制信号初相测量；
步骤S29：通过两路调制信号的初相计算数据采集卡的时间延时；
步骤30：输出数据采集卡的时间延时测量结果。
参考图5为振动传感器及测量仪灵敏度相位测量流程图。本发明灵敏度相位测量包括如下步骤：
步骤S61：读入已采集外差式激光多普勒信号与被校传感器及测量仪的输出信号；
步骤S62：基于PU获取已采集激光多普勒信号的相位信息；
步骤S63：基于SAM实现多普勒信号的相位信息拟合，得到被测振动信号的初相；
步骤S64：基于SAM实现被测振动传感器及测量仪的输出信号拟合，得到被测振动传感器及测量仪的输出信号初相；
步骤S65：依据数据采集卡的时间延时测量结果，实现被测振动信号的初相修正；
步骤S66：计算传感器及测量仪的输出信号初相与修正后的被测振动初相之差；
步骤S67：存储及显示被校振动传感器及测量仪的灵敏度相位。
参考图6-7为本发明方法具体实施实例的数据采集卡时间延时测量结果图。本实施实例的具体参数为：1GHz采样频率200MHz通带的HDO 6104高分辨率示波器，Mini-Circuits ZAD-1H+混频器与截止频率为2.5MHz的Mini-Circuits低通滤波器，10MHz凌华9816数据采集卡。10次数据采集卡时间延时的均值与标准差测量结果图表明，数据采集卡引入的时间延时大约为13.6us，在振动交越频点附近的时间延时有所增加。
参考图8-9为本发明方法与修正的MLPFS-PUSAM测量方法具体实施实例的振动传感器灵敏度相位测量图。本实施实例装置的具体参数为：德国保利泰克OFV-5000外差式激光干涉仪，振动频率为10Hz-10kHz的PCB 396C11振动台，隔振台为一级光学隔振平台。本次测量使用垂直安装方式装置对在正弦激励输入下的振动台工作台面实现振动台内装振动传感器灵敏度相位测量，从10次测量结果的均值与标准差结果图中可以看出，本发明灵敏度相位测量方法与修正模拟器件时间延时的MLPFS-PUSAM测量方法的灵敏度相位测量精度相当，在10Hz-10kHz频率范围内的相位灵敏度误差小于0.2°。
上述描述为本发明方法一个具体实施实例的详细介绍，并非用以限定本发明的使用范围。应当说明的是，本领域相关技术人员可以在未脱离本发明技术原理下做出若干改进与优化、修改或有效实施，这些改进与优化、修改或有效实施均应包含于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高精度的外差式激光振动校准灵敏度相位测量方法，其特征在于：该方法包括以下步骤，
S1：利用HDO同步采集原始FM信号与模拟混频器及低通滤波器调制的FM信号，通过PUSAM实现模拟混频器与低通滤波器的时间延时测量；
S2：基于PUSAM与模拟混频器及低通滤波器的时间延时测量结果实现数据采集卡的时间延时测量；
S3：基于PUSAM与SAM实现已采集外差式激光多普勒信号解调与被校传感器及测量仪输出信号拟合，得到振动信号与输出信号的初相；
S4：最后依据数据采集卡的时间延时测量结果修正振动信号的初相，确定被校振动传感器及测量仪的灵敏度相位。
2.根据权利要求1所述的一种高精度的外差式激光振动校准灵敏度相位测量方法，其特征在于：HDO与PUSAM是用于确定模拟混频器与低通滤波器对FM信号的时间延时，具体包括：
(1)HDO同步采集；
使用函数信号发生器即FSG产生与实际外差式激光多普勒信号相同载波频率与频偏的FM信号，HDO同步采集第一路高载波频率FM信号与第二路经模拟混频器与低通滤波器调制的低载波频率FM信号；
(2)确定模拟混频器与低通滤波器的时间延时；
对于HDO采集的两路FM信号如下：
其中，us(t)与umlp(t)分别为HDO采集的第一路原始FM信号与第二路调制后的FM信号，与分别为第一路FM信号与第二路FM信号的相位信息；基于PU获取第一路FM信号和第二路FM信号的相位信息与最后使用SAM拟合对相位信息进行如下拟合：
式(2)中，ω为调制信号角频率；A1与B1决定第一路调制信号的幅值与初相，A2与B2决定第一路调制信号的幅值与初相；C1、C2分别为第一路信号的载波频率偏移系数和第二路信号的载波频率偏移系数；D1、D2分别为第一路信号的直流偏移和第二路信号的直流偏移；
两路FM信号的调制信号初相分别为arctan(B1/A1)与arctan(B2/A2)，模拟混频器与低通滤波器的时间延时计算如下：
tmlp＝(arctan(B2/A2)-arctan(B1/A1))/(2πfm) (3)
其中，tmlp为模拟混频器与低通滤波器的时间延时，fm为调制信号频率。
3.根据权利要求1所述的一种高精度的外差式激光振动校准灵敏度相位测量方法，其特征在于：模拟混频器与低通滤波器的时间延时测量，数据采集卡同步采集原始FM信号与经模拟混频器及低通滤波器调制的FM信号，基于PUSAM实现数据采集卡的两路FM信号的调制频率初相测量，依据模拟混频器与低通滤波器的时间延时测量结果修正经模拟混频器与低通滤波器的调制信号初相，数据采集卡的时间延时计算如下：
其中，tDAQ为数据采集卡的时间延时，为经模拟混频器与低通滤波器调制后FM信号的调制信号修正后初相，为数据采集卡直接采集FM信号的调制信号初相。
4.根据权利要求1所述的一种高精度的外差式激光振动校准灵敏度相位测量方法，其特征在于：当完成所述数据采集卡时间延时测量后，数据采集卡采集的外差式激光多普勒信号如下：
其中，us(t)与up分别为外差式激光多普勒信号与多普勒信号幅值，与fc分别为激光多普勒信号初相与载波频率，λ与vp分别为激光波长与被测振动速度峰值，fv与分别为被测振动频率与初相；
基于PUSAM实现采集外差式激光多普勒信号解调，得到被测振动信号初相为基于SAM拟合被校传感器及测量仪输出信号，得到输出信号初相为
5.根据权利要求1所述的一种高精度的外差式激光振动校准灵敏度相位测量方法，其特征在于：被测振动信号初相包含数据采集卡引入的相位延时，修正后的振动信号初相如下：
其中为修正数据采集卡时间延时后的被测振动信号初相；
所述灵敏度相位计算如下：
其中为被校振动传感器及测量仪的灵敏度相位。
6.根据权利要求1所述的一种高精度的外差式激光振动校准灵敏度相位测量方法，其特征在于：
灵敏度相位测量方法包括如下步骤：
步骤S20：数据采集卡时间延时测量，包括基于HDO与PUSAM的模拟混频器与低通滤波器的时间延时确定，基于PUSAM的数据采集卡时间延时测量；
步骤S40：以满足欠采样定理的采样频率同步采集外差式激光多普勒信号与振动传感器及测量仪的输出信号；
步骤S60：振动信号与输出信号初相测量及振动信号初相修正，其包括：基于PUSAM的外差式激光多普勒信号解调，实现振动信号初相测量，基于SAM的输出信号初相测量；通过数据采集卡的时间延时测量结果，修正被测振动信号的初相；
步骤S80：输出被校振动传感器及测量仪的灵敏度相位。
7.根据权利要求6所述的一种高精度的外差式激光振动校准灵敏度相位测量方法，其特征在于：
数据采集卡时间延时测量包括如下步骤：
步骤S21：使用FSG产生与实际外差式激光多普勒信号相同载波频率与频偏的FM信号；
步骤S22：使用模拟混频器与低通滤波器将原始FM信号调制到低载波频率FM信号；
步骤S23：HDO同步采集原始高载波频率FM信号与调制后的低载波频率FM信号；
步骤S24：基于PUSAM实现两路已采集FM信号的调制信号测量，得到两路FM信号的调制信号初相；
步骤S25：依据两调制信号的初相计算模拟混频器与低通滤波器时间延时；
步骤S26：FSG产生与步骤S21相同载波频率与频偏的FM信号；
步骤S27：数据采集卡同步采集原始FM信号与经模拟混频器与低通滤波器调制后的FM信号；
步骤S28：基于PUSAM实现数据采集卡采集的两路FM信号的调制信号初相测量；
步骤S29：通过两路调制信号的初相计算数据采集卡的时间延时；
步骤30：输出数据采集卡的时间延时测量结果。
8.根据权利要求6所述的一种高精度的外差式激光振动校准灵敏度相位测量方法，其特征在于：
灵敏度相位测量包括如下步骤：
步骤S61：读入已采集外差式激光多普勒信号与被校传感器及测量仪的输出信号；
步骤S62：基于PU获取已采集激光多普勒信号的相位信息；
步骤S63：基于SAM实现多普勒信号的相位信息拟合，得到被测振动信号的初相；
步骤S64：基于SAM实现被测振动传感器及测量仪的输出信号拟合，得到被测振动传感器及测量仪的输出信号初相；
步骤S65：依据数据采集卡的时间延时测量结果，实现被测振动信号的初相修正；
步骤S66：计算传感器及测量仪的输出信号初相与修正后的被测振动初相之差；
步骤S67：存储及显示被校振动传感器及测量仪的灵敏度相位。
9.实现权利要求1所述方法的一种高精度的外差式激光振动校准灵敏度相位测量装置，其特征在于：该装置主要包括振动台(1)、振动台工作台面(2)、被校振动传感器及测量仪(3)、外差式激光干涉仪(4)、隔振台(5)、线缆(6)、信号处理及显示设备(7)；被校振动传感器及测量仪(3)刚性固定于振动台(1)的工作台面(2)，隔振台(5)用于固定外差式激光干涉仪(4)并垂直于被校传感器及测量仪(3)；外差式激光干涉仪(4)与信号处理及显示设备(7)通过线缆(6)交互，线缆(6)用于实时传输外差式激光多普勒信号与被校传感器及测量仪输出信号；信号处理及显示设备(7)用于处理及显示已采集的激光多普勒信号与被校传感器及测量仪输出信号、灵敏度相位测量结果。
10.根据权利要求9所述的一种高精度的外差式激光振动校准灵敏度相位测量装置，其特征在于：外差式激光干涉仪(4)与工作台面(2)之间为沿竖直方向垂直或者沿水平方向垂直。
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