CN109613303A - 两分量重力场法加速度计动态校准装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了两分量重力场法低频加速度计动态校准装置，双轴转台为被校低频加速度计提供峰值为当地重力加速度的激励信号；运动控制卡用于双轴转台的实际运动信号的采集和位置反馈控制；伺服驱动器及编码器用于双轴转台电机驱动及速度反馈控制；靶标和铅锤用于被校低频加速度计在双轴转台回零位置时灵敏轴方向与地球重力场方向的夹角检测；成像及图像采集设备用于采集靶标与铅锤线的图像；数据采集卡用于被校加速度计输出电压信号的采集；数据处理及显示设备用于处理采集的输出电压信号及双轴转台的实际运动信号，以实现动态校准。本发明成本低、可实现自动校准、精度高，可有效满足不同类型的低频加速度计的校准。
Description
技术领域
本发明属于振动校准领域，尤其适用于低频、高加速度的多分量加速度计的高精度校准。
背景技术
低频加速度计广泛用于桥梁与建筑、航空航天、风力发电等领域的实时振动测量与监测。低频加速度计由于生产制造误差或使用一段时间后设备老化等原因导致其灵敏度等性能指标发生变化，降低所测振动数据的准确性和可靠性。因此，需要对这些加速度计进行定期校准。
典型的低频加速度计的校准方法有激光干涉绝对法校准、地球重力场法静态校准、比较法校准等。通常，激光干涉绝对法校准是在低频振动台上进行的。其在较低频率或中频范围内校准结果较好，但是在超低频校准时，低频振动台能提供的激励加速度很小，信噪比较低，且激光干涉绝对法在超低频、大振幅时会出现散斑噪声，校准精度较低。此外，激光干涉法校准装置成本较高；比较法校准需使用标准加速度计作为参考，但在超低频时其自身精度有限，导致整体校准精度不高；目前，国际标准只规定了地球重力场法静态校准的校准规范，通过定位装置使被校低频加速度计灵敏轴方向所受激励加速度最大或最小，测量这两个位置其输出电压可实现静态校准，但校准精度受限于定位装置的精度，且无法校准低频加速度计的动态特性。
因此，针对目前激光干涉绝对法、比较法及地球重力场静态法对于低频、高加速度的加速度计校准的不足，本发明提供一种校准系统价格低、校准环境要求低，且操作简单、可实现全自动校准的高精度低频加速度计校准装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种校准系统成本低、校准环境要求低、在整个低频范围内可同时对低频加速度计的多个轴向灵敏度自动校准的动态校准装置。
本发明提供了两分量重力场法加速度计动态校准装置，包括：
双轴转台，为被校低频加速度计提供峰值为当地重力加速度的激励信号；
运动控制卡用于双轴转台的实际运动信号的采集和位置反馈控制；
伺服驱动器及编码器用于双轴转台电机驱动及速度反馈控制，其中编码器Z相信号用于双轴转台的初始回零和数据采集卡的数字触发；
靶标和铅锤用于被校低频加速度计在双轴转台回零位置时灵敏轴方向与地球重力场方向的夹角检测；
成像及图像采集设备用于采集靶标与铅锤线的图像；
数据采集卡用于被校加速度计输出电压信号的采集；
数据处理及显示设备用于处理采集的输出电压信号及双轴转台的实际运动信号，以实现基于两分量重力场法的低频加速度计动态校准。
该装置由双轴转台、运动控制卡、伺服驱动器及编码器、被校加速度计、铅锤、靶标、成像及图像采集设备、数据采集卡、数据处理及显示设备组成；被校低频加速度计被紧固于靶标的卡具平面上；双轴转台、铅锤和成像及图像采集设备安放在隔振基础上且处于同一平面内；成像及图像采集设备的光轴与双轴转台的转动台面和铅锤相垂直；用于控制双轴转台的运动控制卡、伺服驱动器和用于采集被校加速度计输出信号的采集卡集成于电控柜内，这些设备和成像及图像采集设备与数据处理及显示设备连接。
所述双轴转台为被校低频加速度计提供峰值为当地重力加速度的激励信号。
所述运动控制卡和伺服驱动器用于控制双轴转台转动并获取其实际运动信号，数据采集卡用于被校低频加速度计输出电压信号的采集，且它们被集成于电控柜内。
所述成像及图像采集设备包括视觉装置、图像采集卡及隔振台，隔振台用于固定视觉装置，并使其光轴垂直于双轴转台工作平面。
所述靶标由四个大小相等的圆和一个矩形组成，紧固于卡具上，使其矩形长边所在直线与被校低频加速度计的灵敏轴平行。
所述铅锤线放置于防风管内，以减少空气扰动对铅垂线位置的影响。
所述数据处理及显示设备用于控制双轴转台转动、处理获得的靶标和铅垂线图像及采集的输出信号和双轴转台实际运动信号，从而获得校准结果。
所述的地球重力场法动态校准适用于各种类型的低频加速度计。
本发明校准装置具有如下有益效果：
(1)传统的地球重力场法校准装置只能校准加速度计的静态特性，且校准精度依赖于所使用的定位装置的精度，无法校准低频加速度计的动态特性。
(2)本发明校准装置中最为核心的部分为双轴转台，通过控制其高精度的匀速旋转，使被校加速度计在超低频范围内仍能获得峰值为1g的激励信号，且成本较低。
(3)本发明校准装置可有效满足不同类型的低频加速度计的静态与动态特性校准，可实现多轴低频加速度计多个轴向灵敏度的同时校准及多个低频加速度计的同时校准。
(4)本发明装置能够有效保障低频加速度计在低频范围内的高精度校准需求。
附图说明
图1为两分量重力场法加速度计动态校准装置示意图；
图2为两分量重力场法加速度计动态校准装置工作原理图；
图3为校准系统参数设置界面；
图4为本发明装置在校准过程中的系统界面；
图5为本发明装置的具体实施实例的低频加速度计的校准结果图。
图中标号:
1-双轴转台；2-靶标；3-被校低频加速度计；4-电控柜；5-铅锤及防风管；6-成像及图像采集设备；7-数据处理及显示设备。
具体实施方式
为了解决目前低频、高加速度振动校准在整个测量范围内校准精度有限及校准系统成本高的问题，本发明提供了两分量重力场法加速度计动态校准装置，下面结合附图和具体实例对本发明做详细描述。
参考图1为两分量重力场法加速度计动态校准装置示意图。本校准装置由双轴转台1、靶标2、被校低频加速度计3、电控柜4、铅锤及防风管5、成像及图像采集设备6和数据处理及显示设备7组成。被校低频加速度计3被紧固于靶标2的卡具平面上。双轴转台1、铅锤5和成像及图像采集设备6安放在隔振基础上且处于同一平面内。成像及图像采集设备6的光轴与双轴转台1的转动台面和铅锤5相垂直。用于控制双轴转台的运动控制卡、伺服驱动器和用于采集被校加速度计输出信号的采集卡集成于电控柜4内，运动控制卡、采集卡和成像及图像采集设备6均与数据处理及显示设备7连接。
参考图2为两分量重力场法加速度计动态校准装置在低频校准过程中的工作原理图。本发明低频校准的工作原理包括：
步骤S180：数据处理及显示设备发送回零指令，使双轴转台通过编码器的Z相信号回到初始零位；
步骤S190：利用成像及图像采集设备采集铅锤线和双轴转台工作平面上的靶标图像；
步骤S200：通过数据处理设备检测铅垂线与靶标上矩形长边所在直线之间的夹角。
步骤S210：在数据处理及显示设备上打开基于LabVIEW的双轴转台校准系统程序界面，设置需要校准的频率点，各频率点的采集周期以及重复次数等，如参考图3所示。
步骤S220：设置完成后可以自动校准或者手动校准，校准结果如参考图4，可获得被校加速度计各频率点的输出电压幅值、相位及灵敏度。
步骤S230：根据步骤S200获得的夹角可以计算获得其相位差。
参考图4为本发明装置的具体实施实例的低频振动校准灵敏度幅值结果图，本次校准中的激光干涉绝对法校准结果在0.2～2Hz的低频范围符合低频加速度计校准要求，该方法测得该频段被校加速度计的灵敏度为102.014[mV/(m/s2)]，本发明装置的校准结果为102.3788[mV/(m/s2)]，相对误差小于1％。而在0.2Hz以下超低频范围，激光干涉绝对法校准结果已不符合校准要求，但本发明装置的校准结果很稳定，与0.2～2Hz的校准结果接近，说明本发明装置在0.01～2Hz频率段都符合低频加速度计的校准要求。因此，本发明装置可有效避免目前低频、高加速度的加速度计的校准系统成本高、校准环境要求高，且操作复杂，在整个测量范围内校准精度有限的问题。
以上所述详细说明是针对本发明有效可行实施实例的具体说明，并非用以对本发明作任何形式上的限定。应当指出的是，本领域技术人员可以在未脱离本发明技术原理下做出若干改进、变更或有效实施，这些改进、变更或有效实施均应包含于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.两分量重力场法加速度计动态校准装置，其特征在于：该装置由双轴转台、运动控制卡、伺服驱动器及编码器、被校加速度计、铅锤、靶标、成像及图像采集设备、数据采集卡、数据处理及显示设备组成；被校低频加速度计被紧固于靶标的卡具平面上；双轴转台、铅锤和成像及图像采集设备安放在隔振基础上且处于同一平面内；成像及图像采集设备的光轴与双轴转台的转动台面和铅锤相垂直；用于控制双轴转台的运动控制卡、伺服驱动器和用于采集被校加速度计输出信号的采集卡集成于电控柜内，运动控制卡、采集卡均和成像及图像采集设备与数据处理及显示设备连接。
2.根据权利要求1所述的两分量重力场法加速度计动态校准装置，其特征在于：双轴转台为被校低频加速度计提供峰值为当地重力加速度的激励信号。
3.根据权利要求1所述的两分量重力场法加速度计动态校准装置，其特征在于：运动控制卡和伺服驱动器用于控制双轴转台转动并获取其实际运动信号，数据采集卡用于被校低频加速度计输出电压信号的采集，且它们被集成于电控柜内。
4.根据权利要求1所述的两分量重力场法加速度计动态校准装置，其特征在于：成像及图像采集设备包括视觉装置、图像采集卡及隔振台，隔振台用于固定视觉装置，并使其光轴垂直于双轴转台工作平面。
5.根据权利要求1所述的两分量重力场法加速度计动态校准装置，其特征在于：靶标由四个大小相等的圆和一个矩形组成，紧固于卡具上，使其矩形长边所在直线与被校低频加速度计的灵敏轴平行。
6.根据权利要求1所述的两分量重力场法加速度计动态校准装置，其特征在于：所述铅锤线放置于防风管内，以减少空气扰动对铅垂线位置的影响。
7.根据权利要求1所述的两分量重力场法加速度计动态校准装置，其特征在于：数据处理及显示设备用于控制双轴转台转动、处理获得的靶标和铅垂线图像及采集的输出信号和双轴转台实际运动信号，从而获得校准结果。
8.根据权利要求1所述的两分量重力场法加速度计动态校准装置，其特征在于：所述的地球重力场法动态校准适用于各种类型的低频加速度计。
9.根据权利要求1所述的两分量重力场法加速度计动态校准装置，其特征在于：低频校准的工作过程如下，
步骤S180：数据处理及显示设备发送回零指令，使双轴转台通过编码器的Z相信号回到初始零位；
步骤S190：利用成像及图像采集设备采集铅锤线和双轴转台工作平面上的靶标图像；
步骤S200：通过数据处理设备检测铅垂线与靶标上矩形长边所在直线之间的夹角；
步骤S210：在数据处理及显示设备上打开基于LabVIEW的双轴转台校准系统程序界面，设置需要校准的频率点，各频率点的采集周期以及重复次数；
步骤S220：设置完成后自动校准或者手动校准，获得被校加速度计各频率点的输出电压幅值、相位及灵敏度；
步骤S230：根据步骤S200获得的夹角计算获得其相位差。
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