CN113390504A - 低频振动传感器校验系统及校验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了低频振动传感器校验系统及校验方法，属于结构振动测试技术领域。该校验设备包括：悬挂架、弹簧、位移检测设备和数据处理中心，弹簧的一端与悬挂架连接，另一端为自由端，振动传感器与传感器连接器连接，位移检测设备设置在悬挂架的一侧，弹簧的自由端位移范围位于位移检测设备的检测区域内，数据处理中心与振动传感器和信号采集器电连接。本发明使用施工现场常用的悬挂架、弹簧、位移检测设备和数据处理中心，将施工现场常用的设备组合起来，设备简单高效，能够在施工现场快速的校验振动传感器的性能，并使用位移检测设备检测弹簧振动时的位移量来验证振动传感器的性能是否有效。
Description
技术领域
本发明属于结构振动测试技术领域，具体是低频振动传感器校验系统及校验方法。
背景技术
目前大跨度桥梁、高耸建筑物、大跨度渡槽、高拱坝等建筑物需要进行现场振动测试，其结构频率低、振动幅值小，因此需要采用低频高灵敏度的振动速度传感器进行振动测试。
在运输过程中振动是不可避免的，运输过程中的振动可能会引起传感器的故障，在测试现场准确快速确定振动传感器性能是开展振动试验首要条件。
现有低频高灵敏度振动传感器的标定需要低频振动台，国内具有低频高灵敏度振动传感器标定能力的单位较少，因此存在现场难以及实现低频振动传感器校验的问题，而低频振动传感器在运输过程中存在受振动导致故障的问题，因此需要提供一种能够避免运输过程中受损伤，并能够在施工现场快速校验低频高灵敏度振动传感器精度的校验方法。
发明内容
发明目的：提供低频振动传感器校验系统及校验方法，以解决现有技术存在的上述问题。
技术方案：低频振动传感器校验系统，用于校验低频振动传感器的精度。
该校验设备包括：悬挂架。
弹簧，一端与悬挂架连接，另一端为自由端。
传感器连接器，与弹簧和低频振动传感器连接。
位移检测设备，设置在悬挂架的一侧，弹簧的自由端位移范围位于位移检测设备的检测区域内。
数据处理中心，与振动传感器和信号采集器电连接。
振动传感器检测弹簧的振动数据，并作为传感器信号发送至数据处理中心，位移检测设备检测弹簧振动时的位移量，并作为测试信号发送至数据处理中心，数据处理中心对传感器信号和测试信号进行分析，判断振动传感器的精度是否有效。
在进一步的实施例中，所述位移检测设备是激光位移传感器或视觉设备。
在进一步的实施例中，所述数据处理中心是计算机或智能移动设备。
在进一步的实施例中，校验设备还包括：定位组件，一端与悬挂架或地面连接，另一端与弹簧的自由端和/或传感器连接器连接。
当弹簧的自由端位移至预定位置时，弹簧的轴线与振动传感器所受重力方向平行配合，通过定位组件对弹簧的自由端进行定位，能够保证定位组件与弹簧的自由端或振动传感器连接时，弹簧的轴线与振动传感器所受重力方向平行配合，进而保证了位移检测设备检测到的位移距离与振动传感器检测到的振动幅度，提高了检测精度。
在进一步的实施例中，所述定位组件是电磁铁启振器。
所述电磁铁启振器包括：电磁铁，与悬挂架或地面连接。
金属件，与弹簧的自由端或传感器连接器连接。
所述电磁铁与金属件磁性连接。
或包括：两个磁性连接的电磁铁，一个电磁铁与悬挂架或地面连接，另一个电磁铁与弹簧的自由端或传感器连接器连接。
在进一步的实施例中，所述定位组件包括：定位绳索，一端与悬挂架或地面连接，另一端与弹簧的自由端或传感器连接器连接。
在进一步的实施例中，校验设备还包括：水平仪，与弹簧的自由端或振动传感器连接。
当弹簧的自由端位移至预定位置时，通过水平仪检测弹簧的轴线角度。
在进一步的实施例中，校验设备还包括：配重砝码架，与传感器连接器。
配重组，包括至少有两个的配重块，至少一个配重块与配重砝码架连接。
所述数据处理中心记录不同重量的配重组与弹簧的自由端连接时，弹簧的伸长量，根据弹簧的伸长量计算并记录弹簧的初始高度和刚度。
不同重量的配重组与弹簧的自由端连接时，所述位移检测设备检测弹簧振动时的位移量，并作为基准信号发送至数据处理中心，通过弹簧悬挂配重块，测试悬挂不同砝码时弹簧的伸长量计算弹簧刚度，并使用移检测器检测弹簧振动时的位移量，并作为基准信号发送至数据处理中心，数据处理中心记录弹簧的初始高度和刚度，能够在振动传感器校验完毕后出现测试设备丢失的问题时，在事后复现检测过程及验证检测结果。
在进一步的实施例中，基于低频振动传感器校验系统的校验方法包括：S1. 将弹簧的悬挂在预定位置，振动传感器与弹簧的自由端连接。
S2. 拉动弹簧的自由端至预定位置，然后松开使弹簧的弹性形变，使用弹簧的弹性形变带动振动传感器做往复位移，振动传感器检测弹簧的振动，并将传感器信号发送至数据处理中心。
S3. 位移检测设备采集弹簧的位移数据作为测试信号，并将测试信号发送至数据处理中心。
S4. 数据处理中心将传感器信号和测试信号进行分析，比较其幅值和频率，分析响应误差，判断振动传感器的精度是否有效。
在进一步的实施例中，校验方法还包括：S5. 使用不同刚度的弹簧进行振动传感器的校验。
或
S6. 使用至少两个弹簧进行串联连接或并联连接进行振动传感器的校验。
或
S7. 增加或减少配重块进行振动传感器的校验。
低频振动传感器校验系统的调校方法包括上述实施例中的校验方法。
当振动传感器的校验结果是精度无效时，根据校验结果对振动传感器的控制参数进行调校，然后再次进行校验，直到校验结果是精度有效。
有益效果：本发明公开了低频振动传感器校验系统及校验方法，该校验设备通过在施工现场使用常见的钢管等施工材料快速的搭建起悬挂架，本申请使用的弹簧、位移检测设备和数据处理中心也是在施工现场常用的施工材料、检测设备以及计算机辅助施工设备，将施工现场常用的设备组合起来，设备简单高效，能够在施工现场快速的校验振动传感器的性能，并使用位移检测设备检测弹簧振动时的位移量来验证振动传感器的性能是否有效，能够避免精密仪器在运输过程中振动受损后，继续在工程中应用造成错误检测结果的问题。
附图说明
图1是本发明的单弹簧及使用定位绳索的结构简图。
图2是本发明的多弹簧及使用电磁铁的结构简图。
图3是本发明的多弹簧及使用配重块的结构简图。
图4是本发明校验数据曲线图。
图1至图4所示附图标记为：振动传感器1、悬挂架2、弹簧3、位移检测设备4、定位组件5、配重块6、水平仪7。
具体实施方式
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
本发明是用于大跨度桥梁、高耸建筑物、大跨度渡槽、高拱坝等建筑物现场振动测试时，对低频振动传感器校验的校验设备。
该校验设备包括：悬挂架2、弹簧3、位移检测设备4、传感器连接器和数据处理中心。
在图4所示实施例中，检测数据曲线图是以时间轴为横轴，速度轴为竖轴的曲线图，其中竖轴中位的0位是弹簧受重力自然下垂时的基准位，虚线是低频振动传感器的检测数据，实线是位移检测设备4的位移测试速度。
悬挂架2是施工现场常用的钢管搭建的龙门架结构，或将固定件固定在距离地面预定位置的悬臂梁组成的悬挂架2。
如图1-4实施例所示，弹簧3的一端与悬挂架2连接，另一端为自由端，使振动传感器1与弹簧3的自由端连接。
传感器连接器与弹簧和低频振动传感器连接，传感器连接器可以是使用绳索连接弹簧和低频振动传感器，也可以是使用托盘架连接弹簧和低频振动传感器。
如图2至4实施例所示，位移检测设备4设置在悬挂架2的一侧，弹簧3的自由端位移范围位于位移检测设备4的检测区域内。
在本实施例中，位移检测设备4是激光位移传感器或视觉设备。
数据处理中心与振动传感器1和信号采集器电连接。
在本实施例中数据处理中心是计算机或智能移动设备。
工作原理：振动传感器1检测弹簧3的振动数据，并作为传感器信号发送至数据处理中心，位移检测设备4检测弹簧3振动时的位移量，并作为测试信号发送至数据处理中心，数据处理中心对传感器信号和测试信号进行分析，判断振动传感器1的精度是否有效。
基于低频振动传感器1校验设备的校验方法包括：S1. 将弹簧3的悬挂在预定位置，振动传感器1与弹簧3的自由端连接。
S2. 拉动弹簧3的自由端至预定位置，然后松开使弹簧3的弹性形变，使用弹簧3的弹性形变带动振动传感器1做往复位移，振动传感器1检测弹簧3的振动，并将传感器信号发送至数据处理中心。
S3. 位移检测设备4采集弹簧3的位移数据作为测试信号，并将测试信号发送至数据处理中心。
S4. 数据处理中心将传感器信号和测试信号进行分析，比较其峰值、最大值和最小值，分析响应误差，判断振动传感器1的精度是否有效。
在进一步的实施例中，使用单弹簧3进行校验仅能模拟校验振动传感器1一个频率点，存在校验条件单一，校验结果存在偶然性的问题。
为了解决上述问题，校验方法还包括：S5. 使用不同刚度的弹簧3进行振动传感器1的校验。
或
S6. 使用至少两个弹簧3进行串联连接或并联连接进行振动传感器1的校验。
或
S7. 增加或减少配重块进行振动传感器的校验。
其中，弹簧3的自振频率的计算公式如下：
式中，
—弹簧自振频率，m—传感器质量，k—弹簧刚度。
通过使用不同刚度的弹簧3或使用至少两个弹簧3的串联或并联来改变弹簧3刚度，进而改变系统的振动频率，进而对振动传感器1进行不同频率点的校验，能够解决校验条件单一，校验结果存在偶然性的问题。
通过定位绳索可调节弹簧伸长量，进而改变系统的振动幅值，进而对振动传感器1进行同频率不同振动幅值的校验，从而可实现对振动传感器振动幅值线性度检验。
在本实施例中，因为激光位移传感器是直接测量标记物的位移距离，而非视觉设备那样需要校验像素值然后再计算标记物的位移距离，因此本实施例优选测试精度高的激光位移传感器。
在施工现场没有激光位移传感器时也可以使用视觉设备，视觉设备可以是智能移动设备的摄像头，也可以是单独的摄像设备，其中使用智能手机等智能移动设备的摄像头作为位移检测设备4具有设备常见，能够快速搭建校验设备的优势，在条件充足的情况下还可以加装导轨机构，使导轨机构的滑轨竖向设置，滑块与弹簧的自由端连接，能够进一步的减少弹簧自由端的侧向位移，提高检测精度。
也可以设置纯色背景墙作为背景，其中纯色背景墙可以是绿色幕布或白色幕布或黑色幕布，也可以是其他纯色表面或材质的背景墙，提高位移检测设备的抠图效率和像素识别度，以提高检测效率。
也可以设置刻度尺给视频一个尺寸参照，减小图像的尺寸误差，提高检测精度，还能简化算法提高检测效率和降低成本。
在本实施例中，若位移检测设备4是视觉设备，为了提高位移检测设备4的检测精度，还可以在振动传感器1的设置检测标记，喷涂或刻画或粘贴预定图案，使视觉设备跟踪预定图案，计算预定图案的位移距离。
若使用视觉设备作为位移检测设备4，则具体的校验方法可以包括：
首先在弹簧3悬挂系统前架设好视觉设备，连接好振动传感器1采集系统，架设时视觉设备需保持水平。
然后开启录像，开始振动传感器1的信号采集，录像帧率与振动传感器1采集频率保持一致，给弹簧3悬挂系统一个初始位移。
然后采用视频跟踪分析软件，对视频中的振动系统进行位移速度跟踪分析，获取振动速度数据。
然后对传感器信号和测试信号进行同步处理，采用最大值位置同步处理。
其中同步处理方法如下：分别记录传感器信号和视觉设备测试信号的峰值点序列号，并根据传感器信号的最大值点位和测试信号的最大值点位计算测试信号的滞后点位，测试信号的最大值点位-传感器信号的最大值点位=滞后点位，然后测试信号-滞后点位=同步信号，使用同步信号的点值生成测试速度曲线与振动传感器的振动曲线传感器信号曲线进行拟合对比分析。
如传感器信号最大值位于第596点，视觉设备测试信号最大值位于第1328点，则相应的视觉设备摄影测试信号滞后1328-596=732点位。
然后根据振动传感器1输出的振动曲线和摄像机测试速度曲线，比较其峰峰值、最大值和最小值，分析响应误差。
最后对振动传感器1输出振动信号和摄像机测试信号进行频谱分析，与弹簧3质量块系统频率进行比较，分析频率误差。
通过计算滞后点位能够将生成的摄像机测试速度曲线直接与振动传感器1输出的振动曲线进行拟合对比，不仅能够分析其峰值误差还能够分析频率误差，解决了视觉设备拍摄基准与振动传感器的检测基准不同时出现的数据分析困难的问题。
在本实施例中，由于初始释放过程中由于冲击作用，其测试误差较大，根据实验室试验，建议将初始释放前3个周期信号剔除，以第4个周期信号开始进行时域信号的校准分析，图4是本实施例使用单弹簧3及定位绳索进行校验得到的数据曲线，根据图4所示数据曲线分析的校验结果如下表所示：
频率识别误差小于0.5%，幅值误差小于5%。
在进一步的实施例中，人工下拉弹簧3的自由端，存在弹簧3的自由端横向位移，导致了弹簧3轴线与位移检测设备4的检测轴线不垂直，位移检测设备4检测到的位移距离与振动传感器1检测到的振动幅度不同，进而导致了检测精度低的问题。
为了解决上述问题，校验设备还包括：定位组件5。
定位组件5的一端与悬挂架2或地面连接，另一端与弹簧3的自由端和/或传感器连接器可拆卸连接。
当弹簧3的自由端位移至预定位置时，弹簧3的轴线与振动传感器1所受重力方向平行配合。
在图3和4所示实施例中，定位组件是电磁铁启振器，电磁铁启振器包括：电磁铁和金属件。
电磁铁与悬挂架2或地面连接。
金属件与弹簧3的自由端或振动传感器1连接。
当弹簧3位移至预定位置时，电磁铁与金属件磁性连接。
或包括：两个磁性连接的电磁铁，一个电磁铁与悬挂架或地面连接，另一个电磁铁与弹簧的自由端或传感器连接器连接。
在本实施例中，当弹簧3位移至预定位置，需要固定弹簧3时，给电磁铁通电，使电磁铁与金属件磁性连接即可固定弹簧3和振动传感器1。
当需要松开使弹簧3振动时，仅需使电磁铁断电即可松开弹簧3使弹簧3振动。
在另一实施例中，定位组件5包括：定位绳索。
定位绳索的一端与定位座连接，另一端与弹簧3的自由端或传感器连接器可拆卸连接。
在本实施例中，为了避免定位绳索横向位移优选的是使用剪刀或刀子等利器将绳索剪断，也可以将定位绳索打活结，在松结时向下拉绳结。
使用定位绳索的实施例与电磁铁的实施例相比具有设备简单，易于搭建的优点，但是定位绳索在绑定和解锁时存在滑脱，导致弹簧3击中操作人员的问题。
虽然电磁铁实施例相较于定位绳索实施例虽然有成本略高，且需要将电磁铁运输到施工现场的问题，但是电磁铁并非精密仪器，也非测量主体因此不存在运输过程中受振动损伤，以及降低测量精度的问题，还能够解决弹簧3滑脱导致弹簧3击中操作人员的问题。
通过定位组件5对弹簧3的自由端进行定位，能够保证定位组件5与弹簧3的自由端或振动传感器1连接时，弹簧3的轴线与振动传感器1所受重力方向平行配合，进而保证了位移检测设备4检测到的位移距离与振动传感器1检测到的振动幅度，提高了检测精度。
在本实施例中，为了保证弹簧3的轴线与振动传感器1所受重力方向平行配合，校验设备还可以包括水平仪7，水平仪7与弹簧3的自由端或振动传感器1连接。
当弹簧3的自由端位移至预定位置时，通过水平仪7检测弹簧3的轴线角度。
在进一步的实施例中，由于施工现场的弹簧3刚度不同，而且不同工地的管理制度不同，存在振动传感器1校验完毕后测试设备丢失，无法在事后复现检测过程及验证检测结果的问题。
为了解决上述问题，校验设备还包括：配重砝码架和配重组。
配重砝码架，与传感器连接器。
配重组，包括至少有两个的配重块6，至少一个配重块与配重砝码架连接。
数据处理中心记录不同重量的配重组与弹簧的自由端连接时，弹簧的伸长量，根据弹簧的伸长量计算并记录弹簧的初始高度和刚度。
在现场条件不充足时，也可以直接使用绳索作为配重砝码架连接传感器连接器和配重组。
不同重量的配重块6与弹簧3的自由端连接时，位移检测设备4检测弹簧3振动时的位移量，并作为基准信号发送至数据处理中心。
其中，配重块6可以是标准砝码或经过称重已知重量的重量块。
在本实施例中，还可以通过理论计算，选择特定刚度的弹簧3、以及选择特定重量的配重块6对振动传感器1进行配重，使弹簧3达到特定的自振频率，进而实现对振动传感器1特定频率的校验。
通过弹簧3悬挂配重块6，测试悬挂不同砝码时弹簧3的伸长量计算弹簧3刚度，并使用移检测器检测弹簧3振动时的位移量，并作为基准信号发送至数据处理中心，数据处理中心记录弹簧3的初始高度和刚度，能够在振动传感器1校验完毕后出现测试设备丢失的问题时，在事后复现检测过程及验证检测结果。
低频振动传感器校验系统的调校方法包括上述实施例中的校验方法。
当振动传感器11的校验结果是精度无效时，根据校验结果对振动传感器1的控制参数进行调校，然后再次进行校验，直到校验结果是精度有效。
如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上做出各种变化。
Claims (10)
1.低频振动传感器校验系统，用于校验低频振动传感器的精度；
其特征在于，包括：
悬挂架，
弹簧，一端与悬挂架连接，另一端为自由端；
传感器连接器，与弹簧和低频振动传感器连接；
位移检测设备，设置在悬挂架的一侧，弹簧的自由端位移范围位于位移检测设备的检测区域内；
数据处理中心，与振动传感器和信号采集器电连接；
所述振动传感器检测弹簧的振动数据，并作为传感器信号发送至数据处理中心，所述位移检测设备检测弹簧振动时的位移量，并作为测试信号发送至数据处理中心，所述数据处理中心对传感器信号和测试信号进行分析，判断振动传感器的精度是否有效。
2.根据权利要求1所述低频振动传感器校验系统，其特征在于，
所述位移检测设备是激光位移传感器或视觉设备；
所述数据处理中心是计算机或智能移动设备。
3.根据权利要求1所述低频振动传感器校验系统，其特征在于，还包括：
定位组件，一端与悬挂架或地面连接，另一端与弹簧的自由端和/或传感器连接器可拆卸连接；
当弹簧的自由端位移至预定位置时，弹簧的轴线与振动传感器所受重力方向平行配合。
4.根据权利要求3所述低频振动传感器校验系统，其特征在于，
所述定位组件是电磁铁启振器，
所述电磁铁启振器包括：
电磁铁，与悬挂架或地面连接；
金属件，与弹簧的自由端或传感器连接器连接；
所述电磁铁与金属件磁性连接；
或包括：
两个磁性连接的电磁铁，一个电磁铁与悬挂架或地面连接，另一个电磁铁与弹簧的自由端或传感器连接器连接。
5.根据权利要求3所述低频振动传感器校验系统，其特征在于，
所述定位组件包括：
定位绳索，一端与悬挂架或地面连接，另一端与弹簧的自由端或传感器连接器可拆卸连接。
6.根据权利要求3所述低频振动传感器校验系统，其特征在于，还包括：
水平仪，与弹簧的自由端或振动传感器连接；
当弹簧的自由端位移至预定位置时，通过水平仪检测弹簧的轴线角度。
7.根据权利要求1所述低频振动传感器校验系统，其特征在于，还包括：
配重砝码架，与传感器连接器；
配重组，包括至少有两个的配重块，至少一个配重块与配重砝码架连接；
所述数据处理中心记录不同重量的配重组与弹簧的自由端连接时，弹簧的伸长量，根据弹簧的伸长量计算并记录弹簧的初始高度和刚度；
不同重量的配重组与弹簧的自由端连接时，所述位移检测设备检测弹簧振动时的位移量，并作为基准信号发送至数据处理中心。
8.基于权利要求1-7任一项所述低频振动传感器校验系统的校验方法，其特征在于，包括：
S1. 将弹簧的悬挂在预定位置，振动传感器与弹簧的自由端连接；
S2. 拉动弹簧的自由端至预定位置，然后松开使弹簧的弹性形变，使用弹簧的弹性形变带动振动传感器做往复位移，振动传感器检测弹簧的振动，并将传感器信号发送至数据处理中心；
S3. 位移检测设备采集弹簧的位移数据作为测试信号，并将测试信号发送至数据处理中心；
S4. 数据处理中心将传感器信号和测试信号进行分析，比较其峰值、最大值和最小值，分析响应误差，判断振动传感器的精度是否有效。
9.根据权利要求8所述低频振动传感器校验系统的校验方法，其特征在于，还包括：
S5. 使用不同刚度的弹簧进行振动传感器的校验；
或
S6. 使用至少两个弹簧进行串联连接或并联连接进行振动传感器的校验；
或
S7. 增加或减少配重块进行振动传感器的校验。
10.低频振动传感器校验系统的调校方法，其特征在于，包括权利要求9所述的校验方法；
当振动传感器的校验结果是精度无效时，根据权利要求9的校验结果对振动传感器的控制参数进行调校，然后再次进行校验，直到校验结果是精度有效。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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2021
- 2021-07-19 CN CN202110814730.5A patent/CN113390504B/zh active Active
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