CN111750980A

CN111750980A - 一种超低振幅环境振动位移测量方法及系统

Info

Publication number: CN111750980A
Application number: CN202010657257.XA
Authority: CN
Inventors: 程华利; 刘雪; 陈英武
Original assignee: P&R Measurement Inc
Current assignee: P&R Measurement Inc
Priority date: 2020-07-09
Filing date: 2020-07-09
Publication date: 2020-10-09

Abstract

本发明公开了一种超低振幅环境振动位移测量方法及系统，通过加速度传感器测量待测对象的加速度信号，进行时域到频域的变换，并采用选段滤波的方式获得所需频域信号段，在通过二次积分结合反傅立叶变换获得位移时域信号，测得相应的环境位移；本发明通过选用加速度传感器代替现有技术中位移传感器测量振动位移，节省了测试成本，同时，免去了试验台搭建，可以快捷、方便地安装/拆除加速度传感器，实现可移动式快速测量；测量方法还结合选段滤波的设计，可以实现准确滤波，进而实现超低振动水平的位移测量，适合对声振测试环境进行振动位移测试。

Description

一种超低振幅环境振动位移测量方法及系统

技术领域

本发明涉及振动测量研究领域，尤其涉及一种超低振幅环境振动位移测量方法及系统。

背景技术

随着消费者对声振产品品质要求的不断提升，越来越多的测试设备或夹具应用于各种敏感类电子产品的性能测试，测试对象如加速度计、心率计、陀螺仪等。如何提供一个安静、平稳、振动底噪低的测试环境和平台是整个测试的重要前提和关键，否则测试信号将被环境噪声或振动淹没而无法进行测试。因此，首先需要对测试环境及平台的振动进行测试和评价。现有技术中，测试环境振动有以下几个方法，加速度测试、位移测试；

对于普通的位移测试，如毫米级的振动，可以通过设计稳固的安装平台(振动低于毫米级)固定位移传感器，从而获取被测对象的振动位移水平；但对于需要超高精度的振动位移测试，如微米级的环境振动，则需要纳米级分辨率传感器；但纳米级分辨率的位移传感器价格非昂贵，同时，即便有相应的超高精度的位移传感器，更需要有纳米级振动水平的安装平台，导致该种方案不易实现。

中国专利CN104132634A公开了一种基于移动终端的桥梁动位移测量装置及方法，移动终端上集成有加速度传感器，装置包括参数设置模块、加速度测量模块、振动数据处理模块和显示模块。本发明还公开了测量方法，包括步骤：设置采样长度和测量的加速度方向；将移动终端与桥梁动位移监测点固定；调用移动终端操作系统提供的API，访问底层硬件，读取加速度传感器采集的桥梁振动信号；根据桥梁振动信号，得到加速度时程信号，然后对其进行FFT变换，在频域内进行二次积分，获得位移的频域信号，利用低频截止算法过滤低频噪音，再对经过处理后的位移频域信号进行IFFT变换，获得位移时程信号。上述技术方案中采用低频截至算法去除噪音，适用于桥梁振动检测领域，但不能较好的应用于声学检测领域，尤其超低振动幅值情况下无法精确获得环境振动频段。

中国文献《基于Matlab的振动加速度信号处理方法的研究》-2017中国自动化大会，公开采用FFT频域积分算法，将加速度信号作FFT变换，然后在频域进行积分，最后经IFFT获得积分后的时域信号的检测方法，其中采用五点滑动平均法对原始加速度信号进行多次数据平滑处理的方法。上述技术方案虽然将高频及低频噪音均做了部分处理，但处理的信号为初始信号，导致低幅值噪声引入了后续数据处理，并不能应用于超低幅值位移检测。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种超低振幅环境振动位移测量方法，能够解决上述问题。

为此目的，本发明由如下技术方案实施。

一种超低振幅环境振动位移测量方法，具体测量步骤为：

S1、通过加速度传感器采集环境振动加速度时域信号；

S2、对所述S1中加速度信号进行傅立叶变换，得到加速度频域信号；

S3、对所述S2中的加速度频域信号中进行滤波，滤波方法为：

对所述加速度频域信号设置所需频率段范围，含起始频率和截止频率，把所述起始频率和截止频率外的频率点幅度置零；

S4、对所述S3中滤波后的加速度频域信号进行二次积分，得到位移频域信号；

S5、对所述S4中的位移频域信号进行反傅立叶变换，获得环境振动位移测量值。

进一步，所述加速度频域信号表达形式为频谱图，由副频谱和相频谱组成。

更进一步，所述S3中具体方法为：

将加速度信号按照傅里叶级数展开，表达式为：

其中：A为幅值，n为频率点标记，w为角频率，

为初始相位；

在频域谱中，将所选频率段以外的频率点幅度A置零，未改变各频率点的初始相位

在相位谱不便的情况下，得到所需频段内信号的幅度谱。

更进一步，所述S4中位移频域信号二次积分计算表达式如下：

S(μm)＝a*(9.8/2πf²)*10⁶

其中：S为二次积分后位移幅度(μm)；a为加速度(m/s²)；f为频率(Hz)。

进一步，所述S5中获得所述环境振动位移测量值的具体方法为：

将所述S4中的位移频域信号进行反傅立叶变换，得到位移时域波形，并进行显示，可选取带入时间点计算对应环境位移，或由显示的所述位移时域波形直接读取所需时间点对应的环境位移。

另一方面，本发明还提供了一种超低振幅环境振动位移测量系统，包括：待测对象、加速度传感器、下位机、上位机；

所述加速度传感器安装于所述待测对象表面；所述加速度传感器与所述下位机连接；所述下位机与所述上位机连接。

进一步，所述加速度传感器为超高灵敏度加速度传感器，灵敏度至少为100000mv/g。

更进一步，所述加速度传感器与所述待测对象表面通过石蜡或强力胶粘接。

进一步，所述下位机安装有信号采集卡。

进一步，所述上位机为工控机、台式计算机、便携式计算机其中一种。

本发明具有如下优点：

本发明通过选用加速度传感器代替现有技术中位移传感器测量振动位移，减少了设备成本，且无须设计超低振动水平的位移传感器安装平台，进一步节省了测试成本，同时，可以快捷、方便地安装/拆除加速度传感器，实现可移动式快速测量；本发明还结合频域信号内选段滤波的设计，可以实现准确滤波，进而实现超低振动水平的位移测量，精度达到10nm级别，适合对声振测试环境进行振动位移测试。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为本发明系统示意图；

图3为本发明实施例1中测试结果图；

图4为本发明实施例2中测试结果图。

图中：

1-待测对象；2-加速度传感器；3-下位机；4-上位机。

具体实施方式

需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”等应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将结合附图1-4，对本发明做进一步说明。

如图1所示，一种超低振幅环境振动位移测量方法，具体测量步骤为：

S1、通过加速度传感器采集环境振动加速度时域信号；优选地，加速度频域信号表达形式为频谱图，由副频谱和相频谱组成。

S2、对S1中加速度信号进行傅立叶变换，得到加速度频域信号；

S3、对S2中的加速度频域信号中进行滤波，滤波方法为：

对加速度频域信号设置所需频率段范围，含起始频率和截止频率，把起始频率和截止频率外的频率点幅度置零，优选地，具体方法为：

将加速度信号按照傅里叶级数展开，表达式为：

其中：A为幅值，n为频率点标记，

为初始相位；

在相位谱不变的情况下，得到所需频段内信号的幅度谱，进而结合相位谱形成滤波后的加速度频域信号。其中，所需频段的起始频率和截止频率可依据测试需要进行选定(必须去掉频率为0的直流分量)。

S4、对S3中滤波后的加速度频域信号进行二次积分，得到位移频域信号；优选地，位移频域信号二次积分计算表达式如下：

S(μm)＝a*(9.8/2πf²)*10⁶

其中：S为二次积分后位移幅度μm；a为加速度m/s²；f为频率Hz。

S5、对S4中的位移频域信号进行反傅立叶变换，获得环境振动位移测量值具体方法如下：

将S4中的位移频域信号进行反傅立叶变换，得到位移时域波形，并进行显示，可选取带入时间点计算对应环境位移，或由显示的位移时域波形直接读取所需时间点对应的环境位移。

另一方面，本发明基于上述测量方法提供了一种超低振幅环境振动位移测量系统，如图2所示，主要包括：待测对象1、加速度传感器2、下位机3、上位机4；

优选地，加速度传感器2为可选取超高灵敏度MEMS加速度传感器，对应选择满量程为mg级别，且灵敏度至少为100000mv/g，可满足超低振动幅值检测要求。

加速度传感器2安装于待测对象1表面，优选地，通过石蜡将接触处粘接；加速度传感器2与下位机3连接；优选地，下位机3安装有信号采集卡，可以将加速度传感器2中采集的模拟模拟信号装换为数字信号。

下位机3与上位机4连接；优选地，上位机4选用便携式计算机，便于携带、移动，上位机4安装对应的软件，将下位机3输送的数字信号按照办法发明方法进行处理，获得对应的环境振动位移测试结果。

具体使用流程：

首先完成基本的传感器安装和电气连接，完成后，加速度传感器2测量信号被下位机3的信号采集卡收集，并转换成数字信号传送给上位机4中的软件；

软件获得原始加速度信号，并对原始时域信号进行傅立叶变换，得到频谱图，即幅度谱和相位谱，都是以横坐标为频率，纵坐标为幅度、相位；对幅频谱进行频域滤波，即设置所需要测试的频率段范围，含起始频率和截止频率，把起始截止频率外的频率点幅度置零，对频率段范围内的幅度进行二次积分得到位移幅度；对新得到的频谱进行反傅立叶变换，得到位移时域波形；

最终通过显示器对位移时域波形进行显示，由于时域信号是随着时间变化的实时曲线，且数据是以采样率倒数的间隔显示，需同时对时域数据再次计算，以便获得有效值，即得到所需频段内的位移幅度。

实施例1

基于已有声振测试平台为待测对象1，应用本发明测量方法及系统，对5-300Hz的振动位移测试，结果如图3所示，测量位移的有效值为0.3μm，结果精度较高且测量结果有效，显示本发明方法及系统可以完成超低振幅环境振动位移测量。

实施例2

基于已有声振测试平台为待测对象1，应用本发明测量方法及系统，对40-300Hz的振动位移测试，结果如图4所示，测量位移的有效值为0.02μm，结果精度高且测量结果有效，显示本发明方法及系统可以完成超低振幅环境振动位移测量。

以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种超低振幅环境振动位移测量方法，其特征在于，具体测量步骤为：

S1、通过加速度传感器采集环境振动加速度时域信号；

S3、对所述S2中的加速度频域信号中进行滤波，滤波方法为：

2.根据权利要求1所述的环境振动位移测量方法，其特征在于，所述加速度频域信号表达形式为频谱图。

3.根据权利要求2所述的环境振动位移测量方法，其特征在于，所述S3中具体方法为：

将加速度信号按照傅里叶级数展开，表达式为：

其中：A为幅值，n为频率点标记，w为角频率，

为初始相位；

在相位谱不变的情况下，得到所需频段内信号的幅度谱。

4.根据权利要求1或3所述的环境振动位移测量方法，其特征在于，所述S4中位移频域信号二次积分计算表达式如下：

S(μm)＝a*(9.8/2πf²)*10⁶

5.根据权利要求1所述的环境振动位移测量方法，其特征在于，所述S5中获得所述环境振动位移测量值的具体方法为：

6.一种超低振幅环境振动位移测量系统，其特征在于，包括：待测对象(1)、加速度传感器(2)、下位机(3)、上位机(4)；

所述加速度传感器(2)安装于所述待测对象(1)表面；所述加速度传感器(2)与所述下位机(3)连接；所述下位机(3)与所述上位机(4)连接。

7.根据权利要求6所述的超低振幅环境振动位移测量系统，其特征在于，所述加速度传感器(2)为超高灵敏度加速度传感器，灵敏度至少为100000mv/g。

8.根据权利要求7所述的超低振幅环境振动位移测量系统，其特征在于，所述加速度传感器(2)与所述待测对象(1)表面通过石蜡或强力胶粘接。

9.根据权利要求6所述的超低振幅环境振动位移测量系统，其特征在于，所述下位机(3)安装有信号采集卡。

10.根据权利要求6所述的超低振幅环境振动位移测量系统，其特征在于，所述上位机(4)为工控机、台式计算机、便携式计算机其中一种。