CN110987164B - 低频信号模拟方法、系统及环境振动检测仪校准装置 - Google Patents

低频信号模拟方法、系统及环境振动检测仪校准装置 Download PDF

Info

Publication number
CN110987164B
CN110987164B CN201911166197.5A CN201911166197A CN110987164B CN 110987164 B CN110987164 B CN 110987164B CN 201911166197 A CN201911166197 A CN 201911166197A CN 110987164 B CN110987164 B CN 110987164B
Authority
CN
China
Prior art keywords
frequency signal
low
frequency
vibration
error
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
CN201911166197.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110987164A (zh
Inventor
崔磊
王亚磊
林学勇
刘峰
甘小华
曹相
冯鑫
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.)
Nanjing Institute of Measurement and Testing Technology
Original Assignee
Nanjing Institute of Measurement and Testing Technology
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 Nanjing Institute of Measurement and Testing Technology filed Critical Nanjing Institute of Measurement and Testing Technology
Priority to CN201911166197.5A priority Critical patent/CN110987164B/zh
Publication of CN110987164A publication Critical patent/CN110987164A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110987164B publication Critical patent/CN110987164B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H17/00—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves, not provided for in the preceding groups

Abstract

本发明公开了一种低频信号模拟方法，包括步骤1，将中频信号带入模拟模型，模拟低频信号；步骤2，计算低频信号与预设的目标低频信号之间的误差；步骤3，响应于误差小于等于阈值，则该低频信号为校准所需信号；响应于误差大于阈值，基于误差和中频信号，采用滤波型学习律计算新的中频信号，转至步骤1。同时公开了相应的系统和环境振动检测仪校准装置。本发明通过中频信号模拟校准所需的低频信号，从而实现了环境振动检测仪传感器的校准。

Description

低频信号模拟方法、系统及环境振动检测仪校准装置
技术领域
本发明涉及一种低频信号模拟方法、系统及环境振动检测仪校准装置，属于传感器标定领域。
背景技术
环境振动检测一般采用环境振动检测仪，为了保证振动量值的传递、测量结果的可靠，一般应在使用前进行检定，主要是对其振动传感器(包含加速度传感器、速度传感器或位移传感器)进行检定。根据现有的检定规程，环境振动检测仪的检定原理如图1所示，将振动传感器和标准加速计安装在振动台台面上，输入信号振动台产生正弦振动，调节信号幅度，使标准加速计输出指示1m/s2，被检环境振动检测仪加速度示值为120dB士1dB，检定结果应符合：在参考频率16Hz处，整机灵敏度的校准不确定度应优于0.35dB(4％)。
由于现有的环境振动检测仪为低频振动测量仪器，振动传感器测量频率范围较低，而目前计量院的振动校准台频率下限只到20Hz(无法达到振动传感器的低频标准)，无法基于上述原理进行检定。
发明内容
本发明提供了一种低频信号模拟方法、系统及环境振动检测仪校准装置，解决了背景技术中披露的问题。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
低频信号模拟方法，包括，
步骤1，将中频信号带入模拟模型，模拟低频信号；
步骤2，计算低频信号与预设的目标低频信号之间的误差；
步骤3，响应于误差小于等于阈值，则该低频信号为校准所需信号；
响应于误差大于阈值，基于误差和中频信号，采用滤波型学习律计算新的中频信号，转至步骤1。
模拟模型公式为，
W＝Z(f)Δf
Figure GDA0003118914820000021
Figure GDA0003118914820000022
其中，Z(n)为低频振动谱密度量级值，Z(n0)为中频信号参考频率下得到的振动加速度级值，n0为中频信号参考频率下限，n为低频信号采样频率，n1，n2分别为低频信号采样频率的下限和上限，a为振动周期，Z(f)为时间频率振动谱密度，f为时间频率，
Figure GDA0003118914820000023
为小区间长度，f2＝an2为时间频率上限，f1＝an1为时间频率下限，M为区间(f1,f2)分成等长小区间数量，W为区间上振动量级值。
滤波型学习律公式为，
Xi(k+1)＝TXi(k)+(I-T)δi(k)
Figure GDA0003118914820000024
其中，Xi(k+1)为新的中频信号，Xi(k)为旧的中频信号，I为单位矩阵，T为频域系数矩阵，r1，r2分别为输入通道和输出通道对应的滤波器系数，δi(k)为误差。。
低频信号模拟系统，包括，
模拟模块：将中频信号带入模拟模型，模拟低频信号；
误差计算模块：计算低频信号与预设的目标低频信号之间的误差；
迭代模块：响应于误差小于等于阈值，则该低频信号为校准所需信号；响应于误差大于阈值，基于误差和中频信号，采用滤波型学习律计算新的中频信号，并输入模拟模块。
模拟模块采用的模拟模型公式为，
W＝Z(f)Δf
Figure GDA0003118914820000031
Figure GDA0003118914820000032
其中，Z(n)为低频振动谱密度量级值，Z(n0)为中频信号参考频率下得到的振动加速度级值，n0为中频信号参考频率下限，n为低频信号采样频率，n1，n2分别为低频信号采样频率的下限和上限，a为振动周期，Z(f)为时间频率振动谱密度，f为时间频率，
Figure GDA0003118914820000033
为小区间长度，f2＝an2为时间频率上限，f1＝an1为时间频率下限，M为区间(f1,f2)分成等长小区间数量，W为区间上振动量级值。
迭代模块采用的滤波型学习律公式为，
Xi(k+1)＝TXi(k)+(I-T)δi(k)
Figure GDA0003118914820000034
其中，Xi(k+1)为新的中频信号，Xi(k)为旧的中频信号，I为单位矩阵，T为频域系数矩阵，r1，r2分别为输入通道和输出通道对应的滤波器系数，δi(k)为误差。
环境振动检测仪校准装置，包括控制器、振动台、显示模块和调节模块；
控制器内装载的权利要求4～6任意一项所述的低频信号模拟系统，显示模块、调节模块和振动系统均连接控制器，振动系统上固定被测传感器和标准传感器，被测传感器和标准传感器的输出端连接控制器；
控制器：通过中频信号模拟出振动台所需的低频信号；接收被测传感器和标准传感器输出的检测信号，用以校准被测传感器；
接收调节模块：对中频信号和低频信号进行调频和调幅；
显示模块：对校准结果进行显示。
被测传感器和标准传感器均通过夹具固定在振动台上；夹具包括顶部开口的边框，边框内设置有可相对移动/向背移动的两夹板，边框的底部设置有沉孔，通过嵌沉孔内的紧固件将边框与振动台固定。
夹板的端部与所对边框侧面滑动连接，夹板板面相对的边框侧面设置有螺杆，通过螺杆的转动推动夹板。
本发明所达到的有益效果：本发明通过中频信号模拟校准所需的低频信号，从而实现了环境振动检测仪传感器的校准。
附图说明
图1为本发明方法的时序图；
图2为本发明装置的原理框图；
图3为夹具的结构示意图；
图4为相关性分析图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，低频信号模拟方法，包括以下步骤：
步骤1，将中频信号带入模拟模型，模拟低频信号。
模拟模型公式为：
W＝Z(f)Δf
Figure GDA0003118914820000051
Figure GDA0003118914820000052
其中，Z(n)为低频振动谱密度量级值，Z(n0)为中频信号参考频率下得到的振动加速度级值；
Figure GDA0003118914820000053
a1为实际加速度有效值，a0为参考加速度，n0为中频信号参考频率下限，n为低频信号采样频率，n1，n2分别为低频信号采样频率的下限和上限，a为振动周期，Z(f)为时间频率振动谱密度，f为时间频率，
Figure GDA0003118914820000054
为小区间长度，f2＝an2为时间频率上限，f1＝an1为时间频率下限，M为区间(f1,f2)分成等长小区间数量，W为区间上振动量级值
步骤2，计算低频信号与预设的目标低频信号之间的误差；
δi(k)＝WT(k)-Wi(k)
其中，δi(k)为误差，WT(k)为预设的目标低频信号，Wi(k)为第i次计算的低频信号。
步骤3，响应于误差小于等于阈值，则该低频信号为检定用振动台所需信号；响应于误差大于阈值，基于误差和中频信号，采用滤波型学习律计算新的中频信号，转至步骤1。
为了减少输出低频信号的噪声和误差，构建滤波型学习律，此算法设计的目的是对信号进行滤波处理，然后使用滤波后的信号构造学习律。
在迭代学习过程中设中频信号输出的状态方程为：
Figure GDA0003118914820000061
其中，x(t)是系统状态向量，y(t)是输出向量，u(t)是控制向量，f是时间控制序列向量，g和D分别是适当维数的向量和矩阵。
假设此被控对象的功率谱和频率均未知，迭代学习控制的任务是：在时间序列T内使系统输出y精确跟踪中频期望输出。则在第k次运行时，迭代学习的动态方程为：
Figure GDA0003118914820000062
将滤波器型学习律的输出作为迭代控制算法的输入即可完成低频信号模拟。
滤波型学习律公式为：
Xi(k+1)＝TXi(k)+(I-T)δi(k)
Figure GDA0003118914820000071
其中，Xi(k+1)为新的中频信号，Xi(k)为旧的中频信号，I为单位矩阵，T为频域系数矩阵，r1，r2分别为输入通道和输出通道对应的滤波器系数。
根据滤波器的特性，可以将滤波器系数与灵敏度标定误差指标相联系并自动变换，即当误差指标大时，选择较小的滤波器系数，当误差指标较小时，选择较大的滤波器系数。经过此滤波器的学习率进行迭代控制，不但可以减少低频振动的频率影响，更可以降低传感器横向灵敏度引入的测量误差分量。
上述方法通过中频信号可模拟出振动台所需的低频信号，将低频信号输入振动台，即与背景技术中的原理实现了环境振动检测仪传感器的校准。
低频信号模拟系统，包括，
模拟模块：将中频信号带入模拟模型，模拟低频信号；
误差计算模块：计算低频信号与预设的目标低频信号之间的误差；
迭代模块：响应于误差小于等于阈值，则该低频信号为校准所需信号；响应于误差大于阈值，基于误差和中频信号，采用滤波型学习律计算新的中频信号，并输入模拟模块。
模拟模块采用的模拟模型公式为，
W＝Z(f)Δf
Figure GDA0003118914820000072
Figure GDA0003118914820000073
其中，Z(n)为低频振动谱密度量级值，Z(n0)为中频信号参考频率下得到的振动加速度级值，n0为中频信号参考频率下限，n为低频信号采样频率，n1，n2分别为低频信号采样频率的下限和上限，a为振动周期，Z(f)为时间频率振动谱密度，f为时间频率，
Figure GDA0003118914820000081
为小区间长度，f2＝an2为时间频率上限，f1＝an1为时间频率下限，M为区间(f1,f2)分成等长小区间数量，W为区间上振动量级值。
迭代模块采用的滤波型学习律公式为，
Xi(k+1)＝TXi(k)+(I-T)δi(k)
Figure GDA0003118914820000082
其中，Xi(k+1)为新的中频信号，Xi(k)为旧的中频信号，I为单位矩阵，T为频域系数矩阵，r1，r2分别为输入通道和输出通道对应的滤波器系数，δi(k)为误差。
如图2所示，环境振动检测仪校准装置，包括控制器、振动系统、功放、显示模块、调节模块、电源模块、存储模块、USB导出接口、信号输入接口和信号输出接口。
控制器内装载上述的低频信号模拟系统，显示模块、调节模块、功放、电源模块、存储模块、USB导出接口、信号输入接口和信号输出接口均连接控制器，振动系统通过功放连接控制器，振动系统上固定被测传感器和标准传感器，被测传感器的输出端通过信号输入接口连接控制器，标准传感器的输出端连接控制器。
控制器：通过中频信号模拟出振动台所需的低频信号；接收被测传感器和标准传感器输出的检测信号，用以校准被测传感器，即被测传感器的灵敏度校准。
振动系统为磁振动台，接收低频信号后振动。
接收调节模块：对中频信号和低频信号进行调频和调幅。
显示模块：显示信号振幅、频率，以及对校准结果进行显示
信号输出接口：向外部输出标准传感器的检测信号，用以通过更高精度的设备对所述环境振动检测仪校准装置进行校准。
存储模块：对校准结果进行存储。
USB导出接口：导出校准结果。
电源模块为各用电部件供电。
被测传感器和标准传感器均通过夹具固定在振动台上。如图3所示，夹具包括顶部开口的边框1，边框1内设置有可相对移动/向背移动的两夹板2，边框1的底部设置有沉孔，通过嵌沉孔内的紧固件将边框1与振动台固定。
夹板2的端部与所对边框1侧面滑动连接，并且该边框1上设置有刻度，从而保证所夹传感器位于中心，夹板2板面相对的边框1侧面设置有螺杆3，螺杆3的端部可直接与夹板2转动连接或者不连接，通过螺杆3的转动推动夹板2；将传感器放置在边框1内，转动螺杆3两夹板2夹紧传感器，从而实现传感器的固定。该夹具相较于传统的粘固，安装和拆卸更加方便。
采用上述方法和装置对型号INV3062-C2(L)/941B的环境振动检测仪进行灵敏度校准，测量参考灵敏度为306mV/ms-2，频率响应及幅值线性实验结果如表1、2所示；利用ESZ186-400低频振动校准系统对同一台仪器进行绝对法及调频电信号校准，并与与本发明比较，相关性如图4。
表1灵敏度频率响应
Figure GDA0003118914820000101
表2幅值线性度
Figure GDA0003118914820000102
应用实例表明，两者具有很好相关性，其相关性系数为0.99，本发明基于滤波器型学习控制算法计算环境振动检测仪灵敏度，使得每次迭代后，在有效振动量级的基础上计算相对误差，当相对误差小于预定值时停止迭代，减少了低频振动的频率影响，更降低了传感器横向灵敏度引入的测量误差分量。
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (5)

1.低频信号模拟方法，其特征在于：包括，
步骤1，将中频信号带入模拟模型，模拟低频信号；
模拟模型公式为，
W＝Z(f)Δf
Figure FDA0003118914810000011
Figure FDA0003118914810000012
其中，Z(n)为低频振动谱密度量级值，Z(n0)为中频信号参考频率下得到的振动加速度级值，n0为中频信号参考频率下限，n为低频信号采样频率，n1，n2分别为低频信号采样频率的下限和上限，a为振动周期，Z(f)为时间频率振动谱密度，f为时间频率，
Figure FDA0003118914810000013
为小区间长度，f2＝an2为时间频率上限，f1＝an1为时间频率下限，M为区间(f1,f2)分成等长小区间数量，W为区间上振动量级值；
步骤2，计算低频信号与预设的目标低频信号之间的误差；
步骤3，响应于误差小于等于阈值，则该低频信号为校准所需信号；
响应于误差大于阈值，基于误差和中频信号，采用滤波型学习律计算新的中频信号，转至步骤1；
滤波型学习律公式为，
Xi(k+1)＝TXi(k)+(I-T)δi(k)
Figure FDA0003118914810000021
其中，Xi(k+1)为新的中频信号，Xi(k)为旧的中频信号，I为单位矩阵，T为频域系数矩阵，r1，r2分别为输入通道和输出通道对应的滤波器系数，δi(k)为误差。
2.低频信号模拟系统，其特征在于：包括，
模拟模块：将中频信号带入模拟模型，模拟低频信号；
模拟模块采用的模拟模型公式为，
W＝Z(f)Δf
Figure FDA0003118914810000022
Figure FDA0003118914810000023
其中，Z(n)为低频振动谱密度量级值，Z(n0)为中频信号参考频率下得到的振动加速度级值，n0为中频信号参考频率下限，n为低频信号采样频率，n1，n2分别为低频信号采样频率的下限和上限，a为振动周期，Z(f)为时间频率振动谱密度，f为时间频率，
Figure FDA0003118914810000024
为小区间长度，f2＝an2为时间频率上限，f1＝an1为时间频率下限，M为区间(f1,f2)分成等长小区间数量，W为区间上振动量级值；
误差计算模块：计算低频信号与预设的目标低频信号之间的误差；
迭代模块：响应于误差小于等于阈值，则该低频信号为校准所需信号；响应于误差大于阈值，基于误差和中频信号，采用滤波型学习律计算新的中频信号，并输入模拟模块；
迭代模块采用的滤波型学习律公式为，
Xi(k+1)＝TXi(k)+(I-T)δi(k)
Figure FDA0003118914810000031
其中，Xi(k+1)为新的中频信号，Xi(k)为旧的中频信号，I为单位矩阵，T为频域系数矩阵，r1，r2分别为输入通道和输出通道对应的滤波器系数，δi(k)为误差。
3.环境振动检测仪校准装置，其特征在于：包括控制器、振动系统、显示模块和调节模块；
控制器内装载的权利要求2所述的低频信号模拟系统，显示模块、调节模块和振动系统均连接控制器，振动系统上固定被测传感器和标准传感器，被测传感器和标准传感器的输出端连接控制器；
控制器：通过中频信号模拟出振动台所需的低频信号；接收被测传感器和标准传感器输出的检测信号，用以校准被测传感器；
接收调节模块：对中频信号和低频信号进行调频和调幅；
显示模块：对校准结果进行显示。
4.根据权利要求3所述的环境振动检测仪校准装置，其特征在于：被测传感器和标准传感器均通过夹具固定在振动台上；夹具包括顶部开口的边框，边框内设置有可相对移动/向背移动的两夹板，边框的底部设置有沉孔，通过嵌沉孔内的紧固件将边框与振动台固定。
5.根据权利要求4所述的环境振动检测仪校准装置，其特征在于：夹板的端部与所对边框侧面滑动连接，夹板板面相对的边框侧面设置有螺杆，通过螺杆的转动推动夹板。
CN201911166197.5A 2019-11-25 2019-11-25 低频信号模拟方法、系统及环境振动检测仪校准装置 Active CN110987164B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911166197.5A CN110987164B (zh) 2019-11-25 2019-11-25 低频信号模拟方法、系统及环境振动检测仪校准装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911166197.5A CN110987164B (zh) 2019-11-25 2019-11-25 低频信号模拟方法、系统及环境振动检测仪校准装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110987164A CN110987164A (zh) 2020-04-10
CN110987164B true CN110987164B (zh) 2021-09-28

Family

ID=70086548

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201911166197.5A Active CN110987164B (zh) 2019-11-25 2019-11-25 低频信号模拟方法、系统及环境振动检测仪校准装置

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110987164B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111765965B (zh) * 2020-06-30 2021-05-25 四川中鼎智能技术有限公司 一种水力机组振动传感器的误差检测的方法、系统、终端设备及可读存储介质

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102567575A (zh) * 2011-12-09 2012-07-11 北京卫星环境工程研究所 航天器虚拟正弦振动试验方法
CN103499834A (zh) * 2013-09-17 2014-01-08 中国石油天然气集团公司 恢复模拟检波器地震数据低频信号的方法和装置
CN107478402A (zh) * 2017-08-10 2017-12-15 上海海事大学 一种低频振动位移检测系统和方法
CN107727928A (zh) * 2017-09-20 2018-02-23 戴承萍 一种数字信号鉴频器及其使用方法
JP2018159659A (ja) * 2017-03-23 2018-10-11 戸田建設株式会社 擬似加振装置

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102567575A (zh) * 2011-12-09 2012-07-11 北京卫星环境工程研究所 航天器虚拟正弦振动试验方法
CN103499834A (zh) * 2013-09-17 2014-01-08 中国石油天然气集团公司 恢复模拟检波器地震数据低频信号的方法和装置
JP2018159659A (ja) * 2017-03-23 2018-10-11 戸田建設株式会社 擬似加振装置
CN107478402A (zh) * 2017-08-10 2017-12-15 上海海事大学 一种低频振动位移检测系统和方法
CN107727928A (zh) * 2017-09-20 2018-02-23 戴承萍 一种数字信号鉴频器及其使用方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
工作测振仪校准方法介绍及不确定度评定;甘小华;《计量与测试技术》;20191031;第46卷(第10期);第110-113页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN110987164A (zh) 2020-04-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107356387B (zh) 一种模态试验中多传感器附加质量消除方法
CN110987164B (zh) 低频信号模拟方法、系统及环境振动检测仪校准装置
CN103884870A (zh) 提高加速度计校准精度的方法和装置
CN108594147B (zh) 一种模拟信号和数字信号同步采集及同步时间差校准方法
CN106679694A (zh) 塔康信标模拟器空‑空应答延时测量精度标校装置及方法
CN109839627B (zh) 一种水池条件下声呐探测距离量值计量校准系统及方法
CN104729974B (zh) 一种考虑温度效应的气测孔隙度测量方法
Schiavi et al. Calibration of digital 3-axis MEMS accelerometers: A double-blind «multi-bilateral» comparison
Watson Some operating characteristics of a rapid response tensiometer system
US3848471A (en) Noise pollution level measuring circuit
CN201047798Y (zh) 一种虚拟振动台检测设备
CN116678489B (zh) 力传感器的质量控制方法、系统、设备及介质
CN106289043B (zh) 一种电容式距离测量方法、装置及其定标方法
US3836757A (en) Method and apparatus for the computation of dynamic properties
CN205643073U (zh) 流体密度的测量装置
US3892133A (en) Statistical sound level analyzer
CN108871996B (zh) 一种现场测定土壤质量含水量和土壤容重的方法
CN109579976A (zh) 一种压电式加速度传感器灵敏度系数校验方法
CN1068679C (zh) 一种地震检波器测试仪检定方法及其装置
CN212674673U (zh) 一种多循环加卸载下的防眩板抗变形量试验监测装置
EP0203227A1 (en) Method and apparatus for analysing geophones
CN115102275A (zh) 一种电力系统数据采集通道自适应调整方法及装置
US4155038A (en) Automatic comparison calibration device with ratio determination
CN108415004A (zh) 光纤水听器阵列全频段相位一致性的测量方法
CN113358290A (zh) 一种基于氦质谱检漏仪的不锈钢密封检测方法

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