CN111412974A - 一种同振式矢量传感器校准系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水声计量测试领域，具体属于同振式矢量传感器校准范畴，主要是一种同振式矢量传感器校准系统和方法，通过将同振式矢量传感器与可产生稳态谐和振动的振动系统刚性连接，使得同振式矢量传感器与振动系统同相振动，利用激光测振系统测量同振式矢量传感器的振动速度或加速度，同时测量同振式矢量传感器的待校准通道的电信号输出，得到同振式矢量传感器在该频率点的振速或加速度灵敏度。本发明有益的效果：这种方法是一种绝对校准方法，在空气中即可进行，实施方便，测量高效令其与同振式矢量水听器共同振动，能够直接测得同振式矢量水听器的灵敏度。这种方法其校准频率低频限理论上可以低至零赫兹，能够准确实现矢量传感器灵敏度的校准。

Description

一种同振式矢量传感器校准系统和方法

技术领域

本发明涉及水声计量测试领域，具体属于同振式矢量传感器校准范畴，主要是一种同振式矢量传感器校准系统和方法。

背景技术

矢量传感器在水声工程中又称矢量水听器广泛应用在声场的质点振速、质点加速度或者声压梯度等矢量信息。为了同步测量声场中的声压信息，矢量传感器中可以复合声压传感器，用于同步测量水下声场的标量和矢量参数。同振式矢量传感器是传感器的密度接近水介质密度，几何尺寸远小于水介质中声波波长，同振式矢量传感器将与其几何中心处水介质以相同的幅度和相位振动。由于矢量传感器体积小、重量轻，特别适合于低频辐射噪声的测量。对于同振式矢量传感器的矢量参数的校准，目前主要有两类方法，分别是自由场校准方法和声压场校准方法。自由场是很难获得的，在实验室校准时，一般是通过在室内建立消声水池来模拟自由场声场。由于水池的尺寸有限，因此在消声水池进行自由场校准时会有池壁反射的影响，同时随之校准频率的降低，水池的规模要变得很大，这在实际中很难实现，随着频率的降低，消声水池的消声性能也不断下降，因此，在自由场校准方法中很难实现矢量传感器的低频校准。为了实现矢量传感器的低频校准，通常采用声压场校准方法。声压场主要是振动液柱法和驻波场法，通过在有限的空间内产生驻波场，通过与标准水听器进行比较，得到矢量传感器的灵敏度。校准一般在驻波管腔体内进行，为了产生理想的驻波场，要保证校准腔体的刚度和尺寸，通常驻波管都很厚重，实施起来难度很大。综上，这两种校准矢量水听器的方法都是需要通过在水介质中建立一定的声场条件，通过与标准水听器的输出进行比较，得到矢量传感器的声压灵敏度，为了得到矢量传感器的振速灵敏度或加速度灵敏度，需要根据计算公式进行计算得到，不能直接测量其振速灵敏度或者加速度灵敏度。同时，由于是与标准水听器进行比较，测量的不确定度很大，即便是采用驻波场校准方法，可校准的最低频率一般在(5～10Hz)，无法满足矢量传感器在5Hz以下的甚低频段的灵敏度的校准。

鉴于上述，本发明提供了一种同振式矢量传感器矢量参数校准系统和方法，将同振式矢量传感器与振动系统刚性连接，振动系统与矢量传感器同相振动，通过激光测振系统测量振动的振速或加速度，同时测量矢量传感器的电信号输出进行测量，即可对矢量传感器的振速灵敏度、加速度灵敏度等矢量参数进行校准。这种方法是一种绝对校准方法，在空气中即可进行，无需构建复杂的声场环境，实施方便，测量高效，具有可加速度计直接刚性固定在同振式矢量水听器的表面，令其与同振式矢量水听器共同振动，能够直接测得同振式矢量水听器的灵敏度。这种方法其校准频率低频限理论上可以低至零赫兹，并且具有较低的测量不确定度，能够准确实现矢量传感器灵敏度的校准，同时，结合角度位移台等调节机构，亦可实现其灵敏度响应空间指向性的校准。

发明内容

本发明为了解决同振式矢量传感器校准时存在的校准频率低频限受声场、声源等条件限制、测量不确定度较高、校准效率低、实施难度大等问题，而提供一种同振式矢量传感器校准系统和方法，主要是通过激励振动系统产生稳态的谐和振动激励同振式矢量传感器同相振动，利用激光测振系统获取同振式矢量传感器的振速和加速度等参数，从而实现矢量传感器振速灵敏度、加速度灵敏度、声压灵敏度的校准。同时，借助于运动机构还可以快速实现传感器灵敏度指向性响应的测量。该方法是一种绝对校准方法，整个校准过程在空气中完成，具有实施简便高校、校准不确定度低等显著特点，适用于同振式矢量传感器传感参数的绝对校准。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。本发明提供了一种同振式矢量传感器矢量参数校准系统，包括振动系统、减隔振平台、同振式矢量水听器、激光测振系统、固定支架、信号发生器、功率放大器、前置放大器和数据采集系统，其中，振动系统设置在水平放置的减隔振平台上，同振式矢量水听器与振动系统刚性连接，使同振式矢量传感器的待测通道与振动系统产生同相振动，即同振式矢量传感器的待测通道与振动方向一致；所述的信号发生器产生的信号输入至功率放大器进行放大输出用于激励振动系统产生振动；所述同振式矢量传感器的待测通道信号输出连接到前置放大器的输入端，前置放大器的输出信号连接至数据采集系统的一个通道；所述激光测振系统的探头通过固定支架安装在减隔振平台上方，激光光束垂直入射到同振式矢量传感器的表面，激光测振系统的输出信号连接至数据采集系统的另一个通道。

更进一步的，所述的同振式矢量水听器与振动系统之间设置有角度位移台，使能调节同振式矢量传感器待测通道的轴线与振动激励法线的角度。

本发明同时提供了一种同振式矢量传感器矢量参数校准方法，通过将同振式矢量传感器与可产生稳态谐和振动的振动系统刚性连接，使得同振式矢量传感器与振动系统同相振动，振动激励系统激励同振式矢量传感器产生单频的稳态振动，利用激光测振系统测量同振式矢量传感器的振动速度或加速度，同时测量同振式矢量传感器的待校准通道的电信号输出，得到同振式矢量传感器在该频率点的振速或加速度灵敏度，利用振速或加速度灵敏度与声压的关系，得到同振式矢量传感器水介质中的声压灵敏度；该方法具体包括如下步骤：

(1)、根据需要校准的同振式矢量传感器的频率，设置信号发生器产生激励信号(激励信号可为连续正弦波信号，但不限于单频正弦波信号)，并输入至功率放大器进行放大输出用于激励振动系统产生振动；

(2)、振动系统放置到水平放置的减隔振平台上，将同振式矢量传感器与振动系统刚性固定连接，使得同振式矢量传感器的X通道轴线方向与振动系统振动方向一致，同振式矢量传感器的X通道信号输出连接到前置放大器的输入端，前置放大器的输出信号连接至数据采集系统的一个通道；将激光测振系统的探头通过固定支架安装在减隔振平台上方，激光光束垂直入射到同振式矢量传感器的表面，激光测振系统的输出信号连接至数据采集系统的另一个通道；

(3)、开启振动系统使同振式矢量传感器与振动系统产生同相振动，同振式矢量传感器的X通道产生电压输出信号U_X1(f)；同步利用激光测振系统测量同振式矢量传感器在振动系统激励作用下产生的振速或加速度矢量参数，记录激光测振系统的输出电压信号U₀₁(f)；则矢量传感器该通道的振速或加速度灵敏度由公式(1)和公式(2)计算得到；

M_v(f)＝U_X1(f)/(U₀₁(f)*K_v) (1)

或

M_a(f)＝U_X1(f)/(j*ω*U₀₁(f)*K_v) (2)

其中，M_v(f)是振速灵敏度，M_a(f)是加速度灵敏度，K_v是激光测振系统的振速灵敏系数，f是信号频率，ω是角频率，是j是虚数单位；

(4)、对待校准同振式矢量传感器的Y和Z通道，重复步骤(2)～(3)，即可完成同振式矢量传感器所有通道的振速灵敏度或加速度灵敏度的校准。

更进一步的，校准得到同振式矢量传感器的振速灵敏度或加速度灵敏度后，由公式(3)得到同振式矢量传感器在水中的声压灵敏度：

M_p(f)＝M_v(f)/(ρ_sc) (3)

其中，ρ_s为矢量传感器的平均密度，M_p(f)为同振式矢量传感器在水中的声压灵敏度。

更进一步的，在同振式矢量水听器与振动系统之间设置有角度位移台，通过调节角度位移台，使得待校准同振式矢量水听器某通道轴线与振动激励法线的角度为θ，得到该通道电压输出信号U₁(θ)，同时记录激光测振系统的输出电压信号U₀₁(θ)；

D₁(θ)＝U_X1(θ)/U₀₁(θ) (4)

改变角度θ，由公式(4)则可以得到同振式矢量传感器该通道的振速或加速度灵敏度的指向性响应，其中U_X1(θ)为X通道电压输出信号，D₁(θ)为指向性响应值。

本发明的有益效果为：

(1)本发明技术方案是在空气环境中对同振式矢量传感器的参数进行校准，避免了在自由场校准和声压场校准时需要建立满足校准条件的声场条件，不需要复杂的校准设施，同时，校准频率的低频限可以有效拓展，理论值可达零赫兹。

(2)本发明技术方案是通过振动系统直接激励同振式矢量传感器，采用激光测振的方法直接测量得到同振式矢量传感器的振动输入量值，进而得到同振式矢量传感器的振速(或加速度灵敏度和声压灵敏度)，是一种直接绝对测量方法，与水中采用比较法相比，具有测量不确定度低的显著优点。

(3)本发明技术方案可以对同振式矢量传感器的幅度灵敏度、相位灵敏度以及指向性进行校准。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

附图标记说明：1-振动系统；2-减隔振平台；3-同振式矢量水听器；4-激光测振系统；5-固定支架；6-角度位移台。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做详细的介绍：

如图1所示，本发明提供了一种同振式矢量传感器矢量参数校准系统，包括振动系统1、减隔振平台2、同振式矢量水听器3、激光测振系统4、固定支架5、信号发生器、功率放大器、前置放大器和数据采集系统。其中，

所述的信号发生器，主要用于产生校准频率范围内的信号，该信号发生器应该在输出信号的幅度、频率等方面具有良好的稳定性。

所述的功率放大器，主要是用于将信号发生器的信号进行放大，以激励振动系统产生一定幅度的稳态振动，该功率放大器在校准频率范围内，其响应是线性的，具有足够的输出功率，同时具有较低的谐波失真。

所述的振动系统1，主要是在输入信号的激励下能够产生稳态的振动设备，提供矢量传感器稳定的振动激励。

所述的激光测振系统4，是采用光学干涉等原理进行振动信号测量的设备，能够将振动信号准确地转化为电信号输出，其振速或加速度响应灵敏度为已知。

所述的前置放大器，是将矢量传感器的输出信号进行放大，前置放大器应具有高输入阻抗特性。

所述的数据采集系统，是对信号进行滤波、放大等调理后采集记录信号，用于矢量传感器的参数的校准，应具备足够的通道数和采样率等信号采集和处理要求。

所述减隔振平台2，主要是为振动系统提供水平放置的平台，同时能够避免环境振动对测量的影响，减隔振平台在校准频率范围内应有良好的减隔振性能。

具体连接关系为：振动系统1设置在水平放置的减隔振平台2上，同振式矢量水听器3与振动系统1刚性连接，使同振式矢量传感器3的待测通道与振动系统1产生同相振动，即同振式矢量传感器3的待测通道与振动方向一致；所述的信号发生器产生的信号输入至功率放大器进行放大输出用于激励振动系统1产生振动；所述同振式矢量传感器3的待测通道信号输出连接到前置放大器的输入端，前置放大器的输出信号连接至数据采集系统的一个通道；所述激光测振系统4的探头通过固定支架5安装在减隔振平台2上方，激光光束垂直入射到同振式矢量传感器3的表面，激光测振系统4的输出信号连接至数据采集系统的另一个通道。

作为更优选的技术文案，在保持其他状态不变的情况下，所述的同振式矢量水听器3与振动系统1之间设置有角度位移台6，使能调节同振式矢量传感器3待测通道的轴线与振动激励法线的角度。

同时，本发明提供了一种同振式矢量传感器矢量参数校准方法，本实施例以单频正弦信号为例，对同振式矢量传感器的参数校准过程进行说明，具体包括如下步骤：

1、根据需要校准的同振式矢量传感器的频率，设置信号发生器产生产生单频正弦波连续信号，并输入至功率放大器进行放大输出用于激励振动系统1产生竖直方向的振动；

2、振动系统1放置到水平放置的减隔振平台2上，将同振式矢量传感器3与振动系统1刚性固定连接，使得同振式矢量传感器3的X通道轴线方向与振动系统1振动方向一致，同振式矢量传感器3的X通道信号输出连接到前置放大器的输入端，前置放大器的输出信号连接至数据采集系统的一个通道；将激光测振系统4的探头通过固定支架5安装在减隔振平台2上方，激光光束垂直入射到同振式矢量传感器3的表面，激光测振系统4的输出信号连接至数据采集系统的另一个通道；

3、开启振动系统1使同振式矢量传感器3与振动系统产生同相振动，同振式矢量传感器3的X通道产生电压输出信号U_X1(f)；同步利用激光测振系统4测量同振式矢量传感器3在振动系统1激励作用下产生的振速或加速度矢量参数，记录激光测振系统4的输出电压信号U₀₁(f)；则矢量传感器该通道的振速或加速度灵敏度由公式(1)和公式(2)计算得到；

M_v(f)＝U_X1(f)/(U₀₁(f)*K_v) (1)

或

M_a(f)＝U_X1(f)/(j*ω*U₀₁(f)*K_v) (2)

其中，M_v(f)是振速灵敏度，M_a(f)是加速度灵敏度，K_v是激光测振系统的振速灵敏系数，f是信号频率，ω是角频率，是j是虚数单位；

4、对待校准同振式矢量传感器3的Y和Z通道，重复步骤2～3，即可完成同振式矢量传感器3所有通道的振速灵敏度或加速度灵敏度的校准。

进一步的，校准得到同振式矢量传感器3的振速灵敏度或加速度灵敏度后，由公式(3)得到同振式矢量传感器3在水中的声压灵敏度：

M_p(f)＝M_v(f)/(ρ_sc) (3)

其中，ρ_s为矢量传感器的平均密度，M_p(f)为同振式矢量传感器在水中的声压灵敏度。

进一步的，在同振式矢量水听器3与振动系统1之间设置有角度位移台6，通过调节角度位移台6，使得待校准同振式矢量水听器3某通道轴线与振动激励法线的角度为θ，得到该通道电压输出信号U₁(θ)，同时记录激光测振系统4的输出电压信号U₀₁(θ)；

D₁(θ)＝U_X1(θ)/U₀₁(θ) (4)

改变角度θ，由公式(4)则可以得到同振式矢量传感器该通道的振速或加速度灵敏度的指向性响应，其中U_X1(θ)为X通道电压输出信号，D₁(θ)为指向性响应值。

可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种同振式矢量传感器矢量参数校准系统，其特征在于：包括振动系统(1)、减隔振平台(2)、同振式矢量水听器(3)、激光测振系统(4)、固定支架(5)、信号发生器、功率放大器、前置放大器和数据采集系统，其中，振动系统(1)设置在水平放置的减隔振平台(2)上，同振式矢量水听器(3)与振动系统(1)刚性连接，使同振式矢量传感器(3)的待测通道与振动系统(1)产生同相振动，即同振式矢量传感器(3)的待测通道与振动方向一致；所述的信号发生器产生的信号输入至功率放大器进行放大输出用于激励振动系统(1)产生振动；所述同振式矢量传感器(3)的待测通道信号输出连接到前置放大器的输入端，前置放大器的输出信号连接至数据采集系统的一个通道；所述激光测振系统(4)的探头通过固定支架(5)安装在减隔振平台(2)上方，激光光束垂直入射到同振式矢量传感器(3)的表面，激光测振系统(4)的输出信号连接至数据采集系统的另一个通道。

2.根据权利要求1所述的同振式矢量传感器矢量参数校准系统，其特征在于：所述的同振式矢量水听器(3)与振动系统(1)之间设置有角度位移台(6)，使能调节同振式矢量传感器(3)待测通道的轴线与振动激励法线的角度。

3.一种同振式矢量传感器矢量参数校准方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

(1)、根据需要校准的同振式矢量传感器的频率，设置信号发生器产生激励信号，并输入至功率放大器进行放大输出用于激励振动系统(1)产生振动；

(2)、振动系统(1)放置到水平放置的减隔振平台(2)上，将同振式矢量传感器(3)与振动系统(1)刚性固定连接，使得同振式矢量传感器(3)的X通道轴线方向与振动系统(1)振动方向一致，同振式矢量传感器(3)的X通道信号输出连接到前置放大器的输入端，前置放大器的输出信号连接至数据采集系统的一个通道；将激光测振系统(4)的探头通过固定支架(5)安装在减隔振平台(2)上方，激光光束垂直入射到同振式矢量传感器(3)的表面，激光测振系统(4)的输出信号连接至数据采集系统的另一个通道；

(3)、开启振动系统(1)使同振式矢量传感器(3)与振动系统产生同相振动，同振式矢量传感器(3)的X通道产生电压输出信号U_X1(f)；同步利用激光测振系统(4)测量同振式矢量传感器(3)在振动系统(1)激励作用下产生的振速或加速度矢量参数，记录激光测振系统(4)的输出电压信号U₀₁(f)；则矢量传感器该通道的振速或加速度灵敏度由公式(1)和公式(2)计算得到；

M_v(f)＝U_X1(f)/(U₀₁(f)*K_v) (1)

或

M_a(f)＝U_X1(f)/(j*ω*U₀₁(f)*K_v) (2)

其中，M_v(f)是振速灵敏度，M_a(f)是加速度灵敏度，K_v是激光测振系统的振速灵敏系数，f是信号频率，ω是角频率，是j是虚数单位；

(4)、对待校准同振式矢量传感器(3)的Y和Z通道，重复步骤(2)～(3)，即可完成同振式矢量传感器(3)所有通道的振速灵敏度或加速度灵敏度的校准。

4.根据权利要求3所述的同振式矢量传感器矢量参数校准方法，其特征在于：校准得到同振式矢量传感器(3)的振速灵敏度或加速度灵敏度后，由公式(3)得到同振式矢量传感器(3)在水中的声压灵敏度：

M_p(f)＝M_v(f)/(ρ_sc) (3)

其中，ρ_s为矢量传感器的平均密度，M_p(f)为同振式矢量传感器在水中的声压灵敏度。

5.根据权利要求3所述的同振式矢量传感器矢量参数校准方法，其特征在于：在同振式矢量水听器(3)与振动系统(1)之间设置有角度位移台(6)，通过调节角度位移台(6)，使得待校准同振式矢量水听器(3)某通道轴线与振动激励法线的角度为θ，得到该通道电压输出信号U₁(θ)，同时记录激光测振系统(4)的输出电压信号U₀₁(θ)；

D₁(θ)＝U_X1(θ)/U₀₁(θ) (4)

改变角度θ，由公式(4)则可以得到同振式矢量传感器该通道的振速或加速度灵敏度的指向性响应，其中U_X1(θ)为X通道电压输出信号，D₁(θ)为指向性响应值。

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