CN109470887A - 一种地震仪表系统加速度计专用试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地震仪表系统加速度计专用试验装置及方法，所述装置包括：蓄电池供电模块、DA信号发生单元、AD采集单元、FPGA处理器单元、隔离转换器单元；采用输入输出信号同步采集同步分析的方法，获得加速度计工作频率范围内的频响曲线，阻尼系数、‑3db工作点等参数；相比传统的振动台架比对方式，本方式能够获得加速度计的固有频率，从而得出它的完整的幅频响应曲线；同时它的整体构件重量轻巧，便于携带和现场使用。

Description

一种地震仪表系统加速度计专用试验装置及方法

技术领域

本发明涉及核电站地震仪表系统领域，具体地，涉及一种地震仪表系统加速度计专用试验装置及方法。

背景技术

电站地震仪表系统采用的通常是GEOSIG公司的AC-63/73系列峰值加速度计，该加速度计工作频率在300Hz以下，体积较大，重量较重。核电站需要定期对地震仪表系统内的各节点加速度计单独进行工作状态的定性检测，传统的低频率振动台架因为体型较大无法携带到现场使用，而小型振动台架装置虽然便于携带，但精度不够，所以均不适用于核电站地震仪表系统的现场使用。

另外传统的采用标定传感器比对的方式，只能针对局部频率测点进行比对，无法精确获得峰值加速度计的完整的幅频响应曲线。

统的使用振动台架与标定传感器进行加速度计的比对试验，存在两点不足：

1、振动台架体积较大，不利于携带，现场使用较为繁琐，振动台架输出不稳定，难以得到稳定的加速度值，需要做进一步的数字滤波处理；

2、标定传感器往往频率响应区间和地震仪表系统中的峰值加速度计的幅频响应区间不一致，从而降低测量精度，影响测量结果等等；另外测量过程是离散分布的，难以得到完整的峰值加速度计的幅频响应曲线。

发明内容

本发明提供了一种地震仪表系统加速度计专用试验装置及方法，解决了现有峰值加速度计体积较大，重量较重，无法精确获得峰值加速度计的完整的幅频响应曲线的技术问题，本装置和方法能够获得加速度计的固有频率，从而得出它的完整的幅频响应曲线，同时装置整体构件重量轻巧，便于携带和现场使用。

为实现上述发明目的，本申请一方面提供了一种地震仪表系统加速度计专用试验装置，所述装置包括：

蓄电池供电模块、DA信号发生单元、AD采集单元、FPGA处理器单元、隔离转换器单元；

蓄电池供电模块用于对DA信号发生单元、AD采集单元、FPGA处理器单元、隔离转换器进行供电，同时对待测的峰值加速度计提供工作电压；DA信号发生单元用于基于FPGA处理器单元的指令产生两路标准的正弦波激励信号，一路输入到待测的峰值加速度计当中，进行信号激励，另一路输入到AD采集单元中做比对信号；待测的峰值加速度计输出电流正弦信号，经过隔离转换器单元转化为电压信号，转化后的电压信号再输送到AD采集单元中进行信号采集；AD采集单元同步采集产生的正弦波激励信号和转化后的电压信号波形，并将采集的信息传输给FPGA处理器单元，FPGA处理器单元将采集的信息传输给计算机，并控制计算机进行数字式波形分析。

本装置采用了DA信号发生单元来实现对加速度计激励信号的输入，AD采集单元实现激励信号与响应信号的同步采集，采集数据流传输给上位机，采用上位机软件方式进行数字分析，从而获取最终的加速度计各项性能参数。

本装置能够产生标准的正弦、脉冲波激励信号，输入到加速度计当中，进行信号激励；能够同步采集产生的正弦、脉冲波激励信号和加速度计响应的信号波形，采集数据流传输给上位机，上位机同步进行信号分析；采用上位机软件方式，进行数字式波形分析和数字信号处理，得到两路信号的频率、幅值、相位差，获取加速度计谐振频率、-3dB频率、阻尼常数等关键参数和加速度计的幅频响应曲线。

进一步的，进行数字式波形分析和数字信号处理的方式，对两路信号进行频率、幅值、相位差进行计算，获取加速度计谐振频率、-3dB频率、阻尼常数。

进一步的，FPGA信号处理单元存储数字化后的数据值，并实时上传数据到计算机当中。

进一步的，计算机通过USB端口从FPGA处理器单元获得数据，获取两路信号的频率、幅值数据和相位差值。

另一方面，本申请还提供了一种地震仪表系统加速度计专用试验方法，所述方法包括：

阻尼常数：DA信号发生单元产生两路标准的10Hz、0-10V脉冲波激励信号，AD采集单元采集加速度计输出的信号波形，计算机进行数字式波形分析，读出波形最大电压y1和波形平台电压y2，阻尼常数D通过以下公式计算出来：

谐振频率：DA信号发生单元产生两路标准的1Hz、10Vpp正旋波激励信号，AD采集单元采集标准正旋波激励信号和加速度计输出的信号波形，按照1Hz步进增加激励信号频率，直到加速度计输出的信号与激励信号相位差90度，激励信号频率就是加速度计谐振频率。

幅频响应特性：DA信号发生单元产生两路标准的1Hz、10Vpp正旋波激励信号，AD采集单元采集标准正旋波激励信号和加速度计输出的信号波形，按照1Hz步进增加激励信号频率，记录在每个激励信号频率点的加速度计输出的信号峰值，得到幅频响应曲线并可以从幅频响应曲线得出-3dB频率。

本申请提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

从而规避了振动台架和标定传感器的使用，测量更加精确，不再受振动台架及标定传感器的性能影响；体积更加轻巧，结构更加简单，便携性能好；且能够获得加速度计的固有频率，从而得出它的完整的幅频响应曲线。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；

图1是本申请中峰值加速度计的试验检测装置的结构示意图。

具体实施方式

本发明提出了一种峰值加速度计的试验检测装置及试验方法，基于AC-63/73的电子学系统特性，采用输入输出信号同步采集同步分析的方法，获得加速度计工作频率范围内的频响曲线，阻尼系数、-3dB工作点等参数。相比传统的振动台架比对方式，本方式能够获得加速度计的固有频率，从而得出它的完整的幅频响应曲线。同时它的整体构件重量轻巧，便于携带和现场使用。

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

请参考图1，本申请提供了一种基于数字信号处理的试验装置及方法，从而规避了振动台架和标定传感器的使用。本申请提出的装置具体是实现方式为：

地震仪表专用试验装置包括：

A：蓄电池供电单元，为下位机设备提供工作电压，为峰值加速度计AC-63/73提供工作电压，从而可以避免交流220VAC供电方式引入的工频干扰，降低系统整体的噪声水平，提高测量灵敏度等等。

B：DA信号发生单元，能够根据上位机的指令来设定输出正弦信号的峰值、频率和直流偏置量等参数；

C：高速AD同步采集单元，它能够同步地采集来自信号发生单元和峰值加速度计的两路脉冲信号；

D：FPGA信号处理单元，它用于采集和存储信号波形，并通过USB接口将数据上传至上位机当中。

根据地震仪表系统当中的峰值加速度计的电子学特性，当输入一个0-10V的正弦信号时，峰值加速度计会输出相应的正弦响应曲线，不断改变输入信号的频率，而当输入输出信号的相位差为90度时，此时输入信号的频率就是峰值加速度计的谐振频率。而在根据远离谐振频率的低频段下加速度计输出的正弦响应线的峰峰值，与处于谐振频率下的输出的正弦响应曲线的峰峰值，即可获得峰值加速度计的阻尼系数。再由两者的数学关系，计算得到加速度计的固有频率，从而可以精确获得峰值加速度计的幅频响应数学函数式。

如图1所示，本装置可以采用一体化模具结构形式，将下位机的各功能构件封装到一个机械模具当中。其中的蓄电池供电模块用于对装置中的DA信号发生单元、AD采集单元、FPGA处理器单元、隔离转换器单元等部件进行供电，同时对外部待测的峰值加速度计提供工作电压。DA信号发生单元产生标准的正弦信号，一路输入到峰值加速度计当中，另一路输入到AD采集单元中做比对信号；峰值加速度计回应的是电流正弦信号，需要隔离转换器转化为电压信号，再输送到AD采集单元中进行信号采集；FPGA信号处理单元控制下位机的工作过程，存储数字化后的数据值，并负责实时上传数据到上位机当中。

上位机信号分析软件通过USB端口获得数据，并进行实时幅频变换，获取两路信号的频率、幅值数据，并计算相位差值。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种地震仪表系统加速度计专用试验装置，其特征在于，所述装置包括：

蓄电池供电模块、DA信号发生单元、AD采集单元、FPGA处理器单元、隔离转换器单元；

蓄电池供电模块用于对DA信号发生单元、AD采集单元、FPGA处理器单元、隔离转换器进行供电，同时对待测的峰值加速度计提供工作电压；DA信号发生单元用于基于FPGA处理器单元的指令产生两路标准的正弦波激励信号，一路输入到待测的峰值加速度计当中，进行信号激励，另一路输入到AD采集单元中做比对信号；待测的峰值加速度计输出电流正弦信号，经过隔离转换器单元转化为电压信号，转化后的电压信号再输送到AD采集单元中进行信号采集；AD采集单元同步采集产生的正弦波激励信号和转化后的电压信号波形，并将采集的信息传输给FPGA处理器单元，FPGA处理器单元将采集的信息传输给计算机，并控制计算机进行数字式波形分析。

2.根据权利要求1所述的地震仪表系统加速度计专用试验装置，其特征在于，FPGA处理器单元进行数字式波形分析，并进行数字信号处理，对两路信号进行频率、幅值、相位差进行计算，获取加速度计谐振频率、-3dB频率、阻尼常数、幅频响应特性。

3.根据权利要求1所述的地震仪表系统加速度计专用试验装置，其特征在于，FPGA信号处理单元控制计算机的工作过程，存储数字化后的数据值，并实时上传数据到计算机当中。

4.根据权利要求1所述的地震仪表系统加速度计专用试验装置，其特征在于，计算机通过USB端口从FPGA处理器单元获得采样数据，计算机根据采样波形获得两路信号的频率、幅值数据和相位差。

5.一种地震仪表系统加速度计专用试验方法，所述方法基于权利要求1-4中任意一个所述的实验装置，其特征在于，所述方法包括：

阻尼常数计算步骤：DA信号发生单元产生两路标准的10Hz、0-10V脉冲波激励信号，AD采集单元采集加速度计输出的信号波形，计算机进行数字式波形分析，读出波形最大电压y1和波形平台电压y2，基于读出的波形最大电压y1和波形平台电压y2，计算出阻尼常数D；

谐振频率获得步骤：DA信号发生单元产生两路标准的1Hz、10Vpp正旋波激励信号，AD采集单元采集标准正旋波激励信号和加速度计输出的信号波形，按照1Hz步进增加激励信号频率，直到加速度计输出的信号与激励信号相位差90度，此时激励信号频率为加速度计谐振频率；

幅频响应特性获得步骤：DA信号发生单元产生两路标准的1Hz、10Vpp正旋波激励信号，AD采集单元采集标准正旋波激励信号和加速度计输出的信号波形，按照1Hz步进增加激励信号频率，记录在每个激励信号频率点的加速度计输出的信号峰值，得到幅频响应曲线并可以从幅频响应曲线得出-3dB频率。

6.根据权利要求5所述的地震仪表系统加速度计专用试验方法，其特征在于，阻尼常数D通过以下公式计算出来：