CN109781140B - 低频惯性传感器校准系统的协作测量装置及方法 - Google Patents

低频惯性传感器校准系统的协作测量装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低频惯性传感器校准系统的协作测量装置及方法，包括加速度信号输入电路、位移信号输入电路、FPGA模块、处理器DSP模块、控制信号输出电路、ARM嵌入式模块和PC机；FPGA模块分别与加速度信号输入电路、位移信号输入电路、控制信号输出电路和处理器DSP模块电连接，ARM嵌入式模块分别与处理器DSP模块和PC机电连接。本发明具有测量精度高，误差小，校准频率范围宽的特点。

Description

低频惯性传感器校准系统的协作测量装置及方法
技术领域
本发明涉及传感器校准设备技术领域，尤其是涉及一种测量精度高，误差小，校准频率范围宽的低频惯性传感器校准系统的协作测量装置及方法。
背景技术
低频惯性传感器校准系统主要包括控制器，功率放大器，振动台，传感器，夹具等，其中控制器具有核心地位。在低频惯性传感器校准系统中，对振动信号的采集最常见的是采用位移传感器、速度传感器和加速度传感器。从理论上看，只要用其中一类传感器测出相应的运动量，根据振动位移、速度、加速度之间存在的微分或积分关系便可求得另外两种运动量。然而，在实际测量工作中，由于位移、速度或加速度传感器及其后续仪表、微分或积分电路特性等方面的差别，引起的误差是不同的。
在低频惯性传感器校准试验中，当振动频率很小的时候，加速度传感器无法满足振动测量，反之，位移传感器可以很好地满足测量需求。当振动频率变高之后，位移传感器无法实现精准测量，而加速度传感器又变得有优势。单独使用一个传感器，导致校准系统工作频率范围窄，无法满足低频惯性传感器的校准日益增长的需求且容易引起误差。
发明内容
本发明的发明目的是为了克服现有技术中的低频惯性传感器校准系统中只用一类传感器容易引入误差和工作频率范围窄的不足，提供了一种测量精度高，误差小，校准频率范围宽的低频惯性传感器校准系统的协作测量装置及方法。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种低频惯性传感器校准系统的协作测量装置，包括加速度信号输入电路、位移信号输入电路、FPGA模块、处理器DSP模块、控制信号输出电路、ARM嵌入式模块和PC机；FPGA模块分别与加速度信号输入电路、位移信号输入电路、控制信号输出电路和处理器DSP模块电连接，ARM嵌入式模块分别与处理器DSP模块和PC机电连接。
加速度信号输入电路和位移信号输入电路将各自的数据经由FPGA模块传输至处理器DSP模块，针对校准测试系统的不同校准测试频率，将两组振动数据转化后按不同的权重进行加权计算，经过后续的运算得到数字式的控制信号，经模拟信号输出电路输出模拟式的控制信号，完成不同校准测试频率下的加权控制。本发明具有测量精度高，误差小，校准频率范围宽的特点。
作为优选，所述加速度信号输入电路包括依次电连接的加速度传感器、保护滤波电路、调理电路和ADC模块；ADC模块与FPGA模块电连接。
作为优选，所述位移信号输入电路包括位移传感器和调理电路；调理电路与FPGA模块电连接。
作为优选，控制信号输出电路包括DAC模块和调理电路；DAC模块与FPGA模块电连接。
作为优选，位移传感器为光栅传感器。
一种低频惯性传感器校准系统的协作测量装置的方法，包括如下步骤：
当振动测试系统的测试频率f＜5Hz时，FPGA模块通过位移传感器测量的位移信号，得到当前的振动数据；
当5Hz≤测试频率f＜10Hz时，FPGA模块采集位移传感器与加速度传感器的测量信号，经过加权计算，得到当前的振动数据；
当测试频率f≥10Hz时，FPGA模块通过加速度传感器检测的加速度信号，得到当前的振动数据。
作为优选，加权计算包括如下步骤：
(7-1)设Oa(t)是加速度传感器采集到的正弦加速度信号，Oa(t)＝Aa’sin(a’t+b)，已知Oa(t)的理论频率为a，计算Oa(t)×sin(at)和Oa(t)×cos(at)；
(7-2)将Oa(t)×sin(at)和Oa(t)×cos(at)的计算结果经过低通滤波后，得到0.5Aa’cos(b)和0.5Aa’sin(b)；
(7-3)得到0.5Aa’cos(b)和0.5Aa’sin(b)的平方和后，计算出正弦加速度信号的幅值Aa’：
(0.5Aa’cos(b))2+(0.5Aa’sin(b))2＝0.25Aa’2；
同理，利用上述步骤得到位移传感器采集到的正弦位移信号Ox(t)的幅值Ax’；
(7-4)利用如下公式计算加速度幅值实际值Aaend：
Figure BDA0001862350470000041
wa+wx＝1；
利用如下公式计算位移幅值实际值Axend：
Figure BDA0001862350470000042
wa+wx＝1
其中wa为正弦加速度信号幅值所占权重，wx为正弦位移信号幅值所占权重；
(7-5)FPGA模块将加速度幅值实际值Aaend或位移幅值实际值Axend作为当前振动数据。
因此，本发明具有如下有益效果：测量精度高，误差小，校准频率范围宽。
附图说明
图1是本发明的一种原理框图。
图中：加速度信号输入电路1、位移信号输入电路2、FPGA模块3、处理器DSP模块4、控制信号输出电路5、ARM嵌入式模块6、PC机7。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述。
如图1所示的实施例是一种低频惯性传感器校准系统的协作测量装置，包括加速度信号输入电路1、位移信号输入电路2、FPGA模块3、处理器DSP模块4、控制信号输出电路5、ARM嵌入式模块6和PC机7；FPGA模块分别与加速度信号输入电路、位移信号输入电路、控制信号输出电路和处理器DSP模块电连接，ARM嵌入式模块分别与处理器DSP模块和PC机电连接。
加速度信号输入电路包括依次电连接的加速度传感器、保护滤波电路、调理电路和ADC模块；ADC模块与FPGA模块电连接。
位移信号输入电路包括位移传感器和调理电路；调理电路与FPGA模块电连接。
控制信号输出电路包括DAC模块和调理电路；DAC模块与FPGA模块电连接。本实施例中的位移传感器为光栅传感器。
一种低频惯性传感器校准系统的协作测量装置的方法，包括如下步骤：
当5Hz≤测试频率f＜10Hz时，FPGA模块采集位移传感器与加速度传感器的测量信号，经过加权计算，得到当前的振动数据；
其中，加权计算包括如下步骤：
步骤100，设Oa(t)是加速度传感器采集到的正弦加速度信号，Oa(t)＝Aa’sin(a’t+b)，已知Oa(t)的理论频率为a，计算Oa(t)×sin(at)和Oa(t)×cos(at)；
Oa(t)×sin(at)＝Aa’sin(a’t+b)×sin(at)
＝-0.5Aa’[cos(a’t+at+b)-cos(a’t-at+b)]
≈0.5Aa’[cos(b)-cos(2at+b)]
Oa(t)×cos(at)＝Aa’sin(a’t+b)×cos(at)
＝0.5Aa’[sin(a’t+at+b)+sin(a’t-at+b)]
≈0.5Aa’[sin(2at+b)+sin(b)]
步骤200，将Oa(t)×sin(at)和Oa(t)×cos(at)的计算结果经过低通滤波后，得到0.5Aa’cos(b)和0.5Aa’sin(b)；
步骤300，得到0.5Aa’cos(b)和0.5Aa’sin(b)的平方和后，计算出正弦加速度信号的幅值Aa’：
(0.5Aa’cos(b))2+(0.5Aa’sin(b))2＝0.25Aa’2；
同理，位移传感器采集到的正弦位移信号为Ox(t)，Ox(t)＝Ax’sin(x’t+b)，已知Ox(t)的理论频率为a，
计算Ox(t)×sin(at)和Ox(t)×cos(at)；
Ox(t)×sin(at)＝Ax’sin(x’t+b)×sin(at)
＝-0.5Ax’[cos(x’t+at+b)-cos(x’t-at+b)]
≈0.5Ax’[cos(b)-cos(2at+b)]
Ox(t)×cos(at)＝Ax’sin(x’t+b)×cos(at)
＝0.5Ax’[sin(x’t+at+b)+sin(x’t-at+b)]
≈0.5Ax’[sin(2at+b)+sin(b)]
将Ox(t)×sin(at)和Ox(t)×cos(at)的计算结果经过低通滤波后，得到0.5Ax’cos(b)和0.5Ax’sin(b)；
得到0.5Ax’cos(b)和0.5Ax’sin(b)的平方和的值后，计算出正弦加速度信号的幅值Aa’：
(0.5Ax’cos(b))2+(0.5Ax’sin(b))2＝0.25Ax’2；
的幅值Ax’；
步骤400，利用如下公式计算加速度幅值实际值Aaend：
Figure BDA0001862350470000061
wa+wx＝1；
利用如下公式计算位移幅值实际值Axend：
Figure BDA0001862350470000071
wa十wx＝1
其中wa为正弦加速度信号幅值所占权重，wx为正弦位移信号幅值所占权重；
步骤500，FPGA模块将加速度幅值实际值Aaend或位移幅值实际值Axend作为当前振动数据。
当振动测试系统的测试频率f＜5Hz时，FPGA模块通过位移传感器测量的位移信号，得到当前的振动数据：
位移传感器采集到的正弦位移信号为Ox(t)，Ox(t)＝Ax’sin(x’t+b)，已知Ox(t)的理论频率为a，
计算Ox(t)×sin(at)和Ox(t)×cos(at)；
Ox(t)×sin(at)＝Ax’sin(x’t+b)×sin(at)
＝-0.5Ax’[cos(x’t+at+b)-cos(x’t-at+b)]
≈0.5Ax’[cos(b)-cos(2at+b)]
Ox(t)×cos(at)＝Ax’sin(x’t+b)×cos(at)
＝0.5Ax’[sin(x’t+at+b)+sin(x’t-at+b)]
≈0.5Ax’[sin(2at+b)+sin(b)]
将Ox(t)×sin(at)和Ox(t)×cos(at)的计算结果经过低通滤波后，得到0.5Ax’cos(b)和0.5Ax’sin(b)；
得到0.5Ax’cos(b)和0.5Ax’sin(b)的平方和的值后，计算出正弦加速度信号的幅值Aa’：
(0.5Ax’cos(b))2+(0.5Ax’sin(b))2＝0.25Ax’2；
的幅值Ax’；将Ax’作为当前的振动数据；
当测试频率f≥10Hz时，FPGA模块通过加速度传感器检测的加速度信号，得到当前的振动数据：
设Oa(t)是加速度传感器采集到的正弦加速度信号，Oa(t)＝Aa’sin(a’t+b)，已知Oa(t)的理论频率为a，计算Oa(t)×sin(at)和Oa(t)×cos(at)；
Oa(t)×sin(at)＝Aa’sin(a’t+b)×sin(at)
＝-0.5Aa’[cos(a’t+at+b)-cos(a’t-at+b)]
≈0.5Aa’[cos(b)-cos(2at+b)]
Oa(t)×cos(at)＝Aa’sin(a’t+b)×cos(at)
＝0.5Aa’[sin(a’t+at+b)+sin(a’t-at+b)]
≈0.5Aa’[sin(2at+b)+sin(b)]
将Oa(t)×sin(at)和Oa(t)×cos(at)的计算结果经过低通滤波后，得到0.5Aa’cos(b)和0.5Aa’sin(b)；
得到0.5Aa’cos(b)和0.5Aa’sin(b)的平方和的值后，计算出正弦加速度信号的幅值Aa’：
(0.5Aa’cos(b))2+(0.5Aa’sin(b))2＝0.25Aa’2；
将Aa’作为当前的振动数据。
将当前的振动数据作为指令信号作用到FPGA模块上，得到下一帧驱动信号的振动数据，直到振动试验未结束，实现振动幅度的高精度控制。
应理解，本实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (5)

1.一种低频惯性传感器校准系统的协作测量装置，其特征是，包括加速度信号输入电路(1)、位移信号输入电路(2)、FPGA模块(3)、处理器DSP模块(4)、控制信号输出电路(5)、ARM嵌入式模块(6)和PC机(7)；FPGA模块分别与加速度信号输入电路、位移信号输入电路、控制信号输出电路和处理器DSP模块电连接，ARM嵌入式模块分别与处理器DSP模块和PC机电连接，包括如下步骤：
当振动测试系统的测试频率f＜5Hz时，FPGA模块通过位移传感器测量的位移信号，得到当前的振动数据；
当5Hz≤测试频率f＜10Hz时，FPGA模块采集位移传感器与加速度传感器的测量信号，经过加权计算，得到当前的振动数据；
当测试频率f≥10Hz时，FPGA模块通过加速度传感器检测的加速度信号，得到当前的振动数据；
加权计算包括如下步骤：
(7-1)设Oa(t)是加速度传感器采集到的正弦加速度信号，Oa(t)＝Aa’sin(a’t+b)，已知Oa(t)的理论频率为a，计算Oa (t) × sin(at) 和Oa(t)×cos(at)；
(7-2)将Oa(t)×sin(at)和Oa(t)×cos(at)的计算结果经过低通滤波后，得到0.5Aa’cos(b)和0.5Aa’sin(b)；
(7-3)得到0.5Aa’cos(b)和0.5Aa’sin(b)的平方和后，计算出正弦加速度信号的幅值Aa’：
(0.5Aa’cos(b))2+(0.5Aa’sin(b))2＝0.25Aa’2；
同理，利用上述步骤得到位移传感器采集到的正弦位移信号Ox(t)的幅值Ax’；
(7-4)利用如下公式计算加速度幅值实际值Aaend：
Figure FDA0003613781240000021
wa+wx＝1；
利用如下公式计算位移幅值实际值Axend：
Figure FDA0003613781240000022
wa+wx＝1
其中wa为正弦加速度信号幅值所占权重，wx为正弦位移信号幅值所占权重；
(7-5)FPGA模块将加速度幅值实际值Aaend或位移幅值实际值Axend作为当前振动数据。
2.根据权利要求1所述的低频惯性传感器校准系统的协作测量装置，其特征是，所述加速度信号输入电路包括依次电连接的加速度传感器、保护滤波电路、调理电路和ADC模块；ADC模块与FPGA模块电连接。
3.根据权利要求1所述的低频惯性传感器校准系统的协作测量装置，其特征是，所述位移信号输入电路包括位移传感器和调理电路；调理电路与FPGA模块电连接。
4.根据权利要求1所述的低频惯性传感器校准系统的协作测量装置，其特征是，控制信号输出电路包括DAC模块和调理电路；DAC模块与FPGA模块电连接。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的低频惯性传感器校准系统的协作测量装置，其特征是，位移传感器为光栅传感器。
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