CN107064561B - 一种单轴加速度传感器的标定装置及标定方法 - Google Patents

一种单轴加速度传感器的标定装置及标定方法 Download PDF

Info

Publication number
CN107064561B
CN107064561B CN201710169274.7A CN201710169274A CN107064561B CN 107064561 B CN107064561 B CN 107064561B CN 201710169274 A CN201710169274 A CN 201710169274A CN 107064561 B CN107064561 B CN 107064561B
Authority
CN
China
Prior art keywords
acceleration
signal
sensor
acceleration sensor
piezoelectric
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201710169274.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN107064561A (zh
Inventor
邱志成
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
South China University of Technology SCUT
Original Assignee
South China University of Technology SCUT
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by South China University of Technology SCUT filed Critical South China University of Technology SCUT
Priority to CN201710169274.7A priority Critical patent/CN107064561B/zh
Publication of CN107064561A publication Critical patent/CN107064561A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN107064561B publication Critical patent/CN107064561B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P21/00—Testing or calibrating of apparatus or devices covered by the preceding groups
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation

Abstract

本发明公开了一种单轴加速度传感器的标定装置及标定方法，包括柔性悬臂梁、激光位移传感器、压电驱动器、加速度传感器、电荷放大器、压电放大器、信号发生器、A/D转换数据采集卡及计算机；通过信号发生器产生的激振信号经过压电放大器后输出到压电驱动器，激励柔性悬臂梁第一阶模态振动，将加速度传感器和激光位移传感器分别检测的振动信号经过运动控制卡进行A/D转换后输入计算机。根据位移和加速度的关系，解算得出加速度传感器测量的电压信号与实际加速度值之间的对应关系。

Description

一种单轴加速度传感器的标定装置及标定方法
技术领域
本发明涉及柔性结构振动分析领域，具体涉及一种单轴加速度传感器的标定装置及标定方法。
背景技术
加速度传感器在柔性结构的振动测量与控制，结构动力学分析等领域应用广泛。采用加速度传感器测量信号进行反馈控制和动力学分析的情况非常普遍。在反馈控制和动态分析中，采用的加速度传感器有压电式，压阻式，电容式等等。他们检测信号要么经过电荷放大器放大，要么经过内置或外延放大电路放大后得到的是模拟量电压信号。
如果需要精确知道电压信号对应实际加速度的测量值，现有技术需要专门的加速度传感器标定装置，这样就需要专门购买加速度传感器的标定装置。标定装置应用的情况不多，把加速度传感器标定后就不用了，还需要存放、维护和保养等。所以一般购买加速度传感器进行实验研究的单位不购买加速度传感器标定装置。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种单轴加速度传感器的标定装置及标定方法。
本发明采用如下技术方案：
一种单轴加速度传感器的标定装置，包括柔性悬臂梁、激光位移传感器、压电驱动器、加速度传感器、电荷放大器、压电放大器、信号发生器、A/D转换数据采集卡及计算机；
所述柔性悬臂梁一端与基座固定称为固定端，另一端为自由端，所述加速度传感器及激光位移传感器安装在柔性梁相对的两个侧面上，所述压电驱动器粘贴在柔性悬臂梁靠近固定端的位置，将信号发生器的激励信号通过压电放大器输出到压电驱动器上，所述加速度传感器测量的柔性悬臂梁的加速度信号经过电荷放大器放大后输出到A/D转换数据采集卡转换后输入计算机，所述激光位移传感器检测柔性悬臂梁相应点的横向振动位移信号经过A/D转换数据采集卡转换后输入计算机。
激光位移传感器的安装初始位置对准加速度传感器的测量轴线，即测量方向的几何中心。
所述加速度传感器为压电式传感器或电容式传感器。
所述压电驱动器至少由两片压电陶瓷片构成。
一种应用单轴加速度传感器的标定装置的标定方法，包括如下步骤：
第一步，辨识得到该柔性悬臂梁的第一阶振动模态频率；
第二步，信号发生器产生信号频率与第一阶振动模态频率相同，经过压电放大器后驱动压电驱动器，激励柔性悬臂梁的第一阶模态的振动；
第三步，加速度传感器检测柔性悬臂梁振动的加速度信息经过电荷放大器及A/D转换数据采集卡进行转换后输入计算机，同时激光位移传感器检测柔性悬臂梁相应点的横向振动位移信息经过A/D转换数据采集卡输入计算机；
第四步，根据柔性悬臂梁测量点的横向位移和加速度信号之间的关系，得到加速度信号的电压值与测量加速度之间的对应关系，从而完成加速度传感器的标定。
所述第四步中根据柔性悬臂梁测量点的横向位移和加速度信号之间的关系，得到加速度信号的电压值与测量加速度之间的对应关系，具体为：
激光位移传感器测量的振动横向位移信号：
Figure BDA0001250684750000021
式中t代表时间变量，
Figure BDA0001250684750000022
代表相位角，ω1是柔性梁的第一阶振动模态频率，A1是横向振动位移信号的幅值，单位是“米(m)”；
加速度传感器测量的振动加速度信号：
Figure BDA0001250684750000023
式中t代表时间变量，
Figure BDA0001250684750000024
代表相位角，ω1是柔性梁的第一阶振动模态频率，A2是横向振动加速度信号的幅值，模拟电压信号，单位是“伏特(V)”；
由于测量的柔性悬臂梁上同一个点的位移和加速度信息，频率ω1都是柔性梁的第一阶振动模态频率；位移和加速度信号二者是二阶微分关系，所以
Figure BDA0001250684750000025
也就是说，
Figure BDA0001250684750000026
单位是“伏特(V)”；
对位移信号两次微分处理得到的加速度信号：
Figure BDA0001250684750000027
则
Figure BDA0001250684750000028
系数KAV就是单位电压对应时间的加速度信息，从而对加速度传感器的测量值进行标定。
本发明的有益效果：
(1)不需要专门购买加速度传感器的标定装置，节省了成本和存放及维护加速度传感器标定装置的花费；
(2)该装置仅仅需要一个简单的压电柔性悬臂梁装置，激光位移传感器、加速度传感器和计算机采集控制系统就可以对加速度传感器进行标定，装置简单，容易搭建；
(3)通过激励柔性梁模态振动，测量加速度传感器检测的模拟量信号和激光位移传感器检测的横向位移信号，根据位移和加速度之间的二次微分关节，建立方程式，就可以很容易得到加速度传感器测量的电压值对应的实际的加速度信息了。
附图说明
图1是本发明的一种单轴加速度传感器的标定装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1所示，一种单轴加速度传感器的标定装置，包括柔性悬臂梁4、激光位移传感器3、压电驱动器1、加速度传感器2、电荷放大器9、压电放大器5、信号发生器6、A/D转换数据采集卡8及计算机7；
所述柔性悬臂梁4的一端与基座固定称为固定端，另一端自由振动称为自由端。压电驱动器1至少由两片压电陶瓷片构成，对称粘贴在柔性悬臂梁靠近固定端的位置，在柔性悬臂梁中间的某个位置的表面安装一个加速度传感器2，在其相对的一侧安装激光位移传感器3，调整安装激光位移传感器，保证其测量距离与测量点，用于测量加速度传感器测量加速度的几何中心点处的振动横向位移，具体是激光位移传感器的安装初始位置对准加速度传感器的测量轴线，即测量方向的几何中心，测量横向振动位移正好是测量振动加速度的位置，这样就会精确地标定加速度传感器测量的电压与实际加速度之间的关系。
将信号发生器的激励信号通过压电放大器输出到压电驱动器上，所述加速度传感器测量的柔性悬臂梁的加速度信号经过电荷放大器放大后输出到A/D转换数据采集卡转换后输入计算机，所述激光位移传感器检测柔性悬臂梁相应点的横向振动位移信号经过A/D转换数据采集卡转换后输入计算机。
所述加速度传感器为压电式传感器或电容式传感器或其他传感器都可以。
一种单轴加速度传感器的标定方法，包括：
先辨识得到建立的柔性悬臂梁的第一阶模态振动的频率ω1，将信号发生器的激励信号设定为频率为ω1的正弦输出信号，振动幅值调整到适当即可；信号发生器输出信号经过压电放大器放大后输出到压电驱动器，通过压电驱动器激励柔性悬臂梁的第一阶模态的振动，通过加速度传感器检测柔性悬臂梁振动的加速度信息经过电荷放大器后输出到A/D转换数据采集卡经过转换后输入计算机，同时将激光位移传感器检测柔性梁相应点的横向振动位移信息经过A/D转换后输入计算机；
激光位移传感器测量的横向振动位移信号是模拟量电压信号，激光位移传感器输出的模拟量信号很容易对应出实际位移的测量值；而加速度传感器经过电荷放大器后，输出得到的也是模拟量电压信号，而加速度模拟量信号很难对应实际的加速度，所以通过如下标定方法得到：
装置中激光位移传感器测量的振动横向位移信号：
Figure BDA0001250684750000041
式中t代表时间变量，
Figure BDA0001250684750000042
代表相位角，ω1是柔性梁的第一阶振动模态频率，A1是横向振动位移信号的幅值，单位是“米(m)”；
装置中加速度传感器测量的振动加速度信号：
Figure BDA0001250684750000043
式中t代表时间变量，
Figure BDA0001250684750000044
代表相位角，ω1是柔性梁的第一阶振动模态频率，A2是横向振动加速度信号的幅值，模拟电压信号，单位是“伏特(V)”；
由于测量的是柔性梁上一个点的位移和加速度信息，频率ω1都是柔性梁的第一阶振动模态频率；位移和加速度信号二者是二阶微分关系，所以
Figure BDA0001250684750000045
也就是说，
Figure BDA0001250684750000046
单位是“伏特(V)”；
对位移信号两次微分处理得到的加速度信号：
Figure BDA0001250684750000047
振动幅值的单位是“米/秒2(m/s2)”；
所以有，
Figure BDA0001250684750000048
系数KAV就是单位电压对应时间的加速度信息，单位是
Figure BDA0001250684750000049
这样，就可以通过加速度传感器测量的信号经过电荷放大器放大后，经过A/D采集得到的电压信号，得到其实际测量的加速度信号，从而对加速度传感器的测量值进行了标定。
本实施例A/D转换数据采集卡8选用由固高公司生产的型号为GTS系统的多轴运动控制卡，计算机7选用的CPU型号为core76650U2.2GHz，内存4G，主板中有PCI-e插槽，可以安装运动控制卡8。
加速度传感器2可选用江苏联能公司生产的CA-YD-127压电式加速度传感器，电荷放大器9可选用江苏联能公司生产的YE5850型超低频电荷放大器。激光位移传感器3可选日本基恩士(KEYENCE)公司生产，每套激光位移传感器分别由一个激光探头、一个激光位移传感器控制器和一根延长电缆组成，其型号分别为LK-500、LK-2500和LK-C2。激光位移传感器采用24V直流电源供电，重复精度为10um，激光探头和被测表面的基准距离为350mm，测量量程为-100mm～+100mm，对应的模拟输出电压为-10V～+10V，线性度为±0.1％，采样周期为1024us，当被测表面与激光探头之间的距离超过测量范围时，其模拟输出电压都将保持为12V。
信号发生器6选用南京盛普SPF20型DDS数字合成函数/任意波信号发生器。压电放大器5可选用型号为APEX-PA241DW或APEX-PA240CX的压电放大器，放大倍数可达到52倍，即将-5V～+5V放大到-260～+260V，其研制单位为华南理工大学，在申请人申请的名称为“太空帆板弯曲和扭转模态振动模拟主动控制装置与方法”，申请号为200810027186.4的专利中有详细介绍。
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所述实施例的限制，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 (4)

1.一种单轴加速度传感器的标定装置，其特征在于，包括柔性悬臂梁、激光位移传感器、压电驱动器、加速度传感器、电荷放大器、压电放大器、信号发生器、A/D转换数据采集卡及计算机；
所述柔性悬臂梁一端与基座固定称为固定端，另一端为自由端，所述加速度传感器及激光位移传感器安装在柔性梁相对的两个侧面上，所述压电驱动器粘贴在柔性悬臂梁靠近固定端的位置，将信号发生器的激励信号通过压电放大器输出到压电驱动器上，所述加速度传感器测量的柔性悬臂梁的加速度信号经过电荷放大器放大后输出到A/D转换数据采集卡转换后输入计算机，所述激光位移传感器检测柔性悬臂梁相应点的横向振动位移信号经过A/D转换数据采集卡转换后输入计算机；
激光位移传感器的安装初始位置对准加速度传感器的测量轴线，即测量方向的几何中心；
加速度传感器为压电式传感器或电容式传感器。
2.根据权利要求1所述的一种单轴加速度传感器的标定装置，其特征在于，所述压电驱动器至少由两片压电陶瓷片构成。
3.一种应用权利要求1-2任一项所述的单轴加速度传感器的标定装置的标定方法，其特征在于，包括如下步骤：
第一步，辨识得到该柔性悬臂梁的第一阶振动模态频率；
第二步，信号发生器产生信号频率与第一阶振动模态频率相同，经过压电放大器后驱动压电驱动器，激励柔性悬臂梁的第一阶模态的振动；
第三步，加速度传感器检测柔性悬臂梁振动的加速度信息经过电荷放大器及A/D转换数据采集卡进行转换后输入计算机，同时激光位移传感器检测柔性悬臂梁相应点的横向振动位移信息经过A/D转换数据采集卡输入计算机；
第四步，根据柔性悬臂梁测量点的横向位移和加速度信号之间的关系，得到加速度信号的电压值与测量加速度之间的对应关系，从而完成加速度传感器的标定。
4.根据权利要求3所述的标定方法，其特征在于，所述第四步中根据柔性悬臂梁测量点的横向位移和加速度信号之间的关系，得到加速度信号的电压值与测量加速度之间的对应关系，具体为：
激光位移传感器测量的振动横向位移信号：
Figure FDA0004071734150000011
式中t代表时间变量，
Figure FDA0004071734150000021
代表相位角，ω1是柔性梁的第一阶振动模态频率，A1是横向振动位移信号的幅值，单位是“米(m)”；
加速度传感器测量的振动加速度信号：
Figure FDA0004071734150000022
式中t代表时间变量，
Figure FDA0004071734150000023
代表相位角，ω1是柔性梁的第一阶振动模态频率，A2是横向振动加速度信号的幅值，模拟电压信号，单位是“伏特(V)”；
由于测量的柔性悬臂梁上同一个点的位移和加速度信息，频率ω1都是柔性梁的第一阶振动模态频率；位移和加速度信号二者是二阶微分关系，所以
Figure FDA0004071734150000024
也就是说，
Figure FDA0004071734150000025
单位是“伏特(V)”；
对位移信号两次微分处理得到的加速度信号：
Figure FDA0004071734150000026
则
Figure FDA0004071734150000027
系数KAV就是单位电压对应时间的加速度信息，从而对加速度传感器的测量值进行标定。
CN201710169274.7A 2017-03-21 2017-03-21 一种单轴加速度传感器的标定装置及标定方法 Active CN107064561B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710169274.7A CN107064561B (zh) 2017-03-21 2017-03-21 一种单轴加速度传感器的标定装置及标定方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710169274.7A CN107064561B (zh) 2017-03-21 2017-03-21 一种单轴加速度传感器的标定装置及标定方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN107064561A CN107064561A (zh) 2017-08-18
CN107064561B true CN107064561B (zh) 2023-04-21

Family

ID=59617847

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201710169274.7A Active CN107064561B (zh) 2017-03-21 2017-03-21 一种单轴加速度传感器的标定装置及标定方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN107064561B (zh)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107345786A (zh) * 2017-08-29 2017-11-14 华南理工大学 一种测量柔性梁横向振动位移和应变关系的装置及方法
CN107356391B (zh) * 2017-08-29 2023-04-21 华南理工大学 一种可直线伸缩柔性结构振动测量装置与方法
CN108398099B (zh) * 2017-11-09 2020-03-20 中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所 一种单点激光应变标定误差的修正方法
CN110243462B (zh) * 2019-07-01 2021-08-06 四川瞭望工业自动化控制技术有限公司 运输测振仪振动检测方法
CN110531119A (zh) * 2019-08-17 2019-12-03 歌尔股份有限公司 一种加速度传感器灵敏度确认的方法
CN112976060B (zh) * 2021-02-04 2022-07-12 东南大学 一种用于柔性机器人驱动器的自动标定系统及标定方法
CN114878859B (zh) * 2022-02-18 2023-03-24 太原理工大学 三轴加速度计灵敏度矩阵协同修正动态标定系统及方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4381672A (en) * 1981-03-04 1983-05-03 The Bendix Corporation Vibrating beam rotation sensor
JPH0627134A (ja) * 1992-07-08 1994-02-04 Murata Mfg Co Ltd 加速度センサ
CN104142125A (zh) * 2014-07-23 2014-11-12 华南理工大学 基于激光位移传感器的压电板振动检测控制装置与方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4381672A (en) * 1981-03-04 1983-05-03 The Bendix Corporation Vibrating beam rotation sensor
JPH0627134A (ja) * 1992-07-08 1994-02-04 Murata Mfg Co Ltd 加速度センサ
CN104142125A (zh) * 2014-07-23 2014-11-12 华南理工大学 基于激光位移传感器的压电板振动检测控制装置与方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN107064561A (zh) 2017-08-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107064561B (zh) 一种单轴加速度传感器的标定装置及标定方法
Zou et al. A high-resolution micro-electro-mechanical resonant tilt sensor
EP2329238B1 (en) Oscillating element sensor for detecting boundary layer transition
Tian et al. The novel structural design for pressure sensors
CN108398099A (zh) 一种单点激光应变标定误差的修正方法
Albarbar et al. MEMS accelerometers: testing and practical approach for smart sensing and machinery diagnostics
Bera et al. Study of a pressure transmitter using an improved inductance bridge network and bourdon tube as transducer
US20090150029A1 (en) Capacitive integrated mems multi-sensor
CN103245819A (zh) 采用磁激励谐振压阻式悬臂梁测量直流电流或直流电压的方法
US20080106275A1 (en) Sensor and Method for Measuring a Variable Affecting a Capacitive Component
Sujan et al. Design and testing of piezoelectric resonant pressure sensor
Takahashi et al. Highly sensitive and low-crosstalk angular acceleration sensor using mirror-symmetric liquid ring channels and MEMS piezoresistive cantilevers
Paralı et al. A digital measurement system based on laser displacement sensor for piezoelectric ceramic discs vibration characterization
CN107860403B (zh) 一种模态局部化传感器的线性化输出方法
CN101925936B (zh) 检测设备
Hu et al. An airflow sensor array based on polyvinylidene fluoride cantilevers for synchronously measuring airflow direction and velocity
Kamble et al. Overview of load cells
Novák Introduction to sensors for electrical and mechanical engineers
Ran et al. The estimation and compensation of the loop-parameter-drifting in the digital close-loop quartz flexible accelerometers
CN103760046B (zh) 一种幅值和相位自校准的低频岩石物理测量方法及系统
Alblalaihid et al. Fabrication and characterisation of a novel smart suspension for micro-CMM probes
Seshia Mode-localized sensing in micro-and nano-mechanical resonator arrays
Gao et al. Micromachined microsensors for manufacturing
Piat et al. Nanoforce estimation based on Kalman filtering and applied to a force sensor using diamagnetic levitation
RU2566655C1 (ru) Способ измерения кажущегося ускорения и пьезоэлектронный акселерометр для его реализации

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant