CN113418592B - 一种用于摇匀仪测量的复合测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于摇匀仪测量的复合测量系统及测量方法，包括主设备和无线子设备；主设备包括主控单元及与均与其连接的程控激励源、调理单元、数据处理单元、无线通信单元和电源；主设备包括依次连接的振动传感器、滤波器、调理单元、模数转换单元；程控激励源连接振动传感器；无线子设备包括无线主控单元和用于测量摇匀仪运行转速、温度、磁场强度和加速度的传感器组；无线子设备还包括与无线主控连接的电源和无线通信单元；主设备中的无线通信单元与子设备的无线通信单元连接，实现主设备和无线子设备的数据传输；本发明测量范围广泛、使用方便，具有更好的测量精度。

Description

一种用于摇匀仪测量的复合测量系统及测量方法

技术领域

本发明涉及摇匀仪测量领域，具体涉及一种用于摇匀仪测量的复合测量系统及测量方法。

背景技术

摇匀仪是利用机械振动使得混合物充分混合的机械设备。摇匀仪目前广泛应用于医疗卫生、科研、工业等领域。为保证摇匀仪的正常工作，需要对摇匀仪进行校准使其工作于合适的参数下，为了校准摇匀仪设备则需要对摇匀仪的振动频率进行精确测量，对摇匀仪的振动频率进行精确测量具有必要性。

目前摇匀仪振动频率测量设备部分采用光电探测技术实现对摇匀仪振动频率的测量，部分采用振动传感器对振动频率进行测量。现有光电式摇匀仪测量方法需要在摇匀仪上添加反光条并用传感器精确对准反光条，对准操作耗时费力且难以兼容大小和形状各异的摇匀仪设备。且光电式摇匀仪测量方法难以测量点动式摇匀仪，因此具有较大的局限性。现有的振动传感器摇匀仪测量方法在测量低振动频率时受限于振动传感器响应频率，在摇匀仪低量程下测量精度较低。

发明内容

本发明针对现有技术存在的问题提供一种测量精度高，测量方法简单的用于摇匀仪测量的复合测量系统及测量方法。

本发明采用的技术方案是：

一种用于摇匀仪测量的复合测量系统，包括主设备和无线子设备；主设备包括主控单元及与均与其连接的程控激励源、调理单元、数据处理单元、无线通信单元和电源；主设备包括依次连接的振动传感器、滤波器、调理单元、模数转换单元；程控激励源连接振动传感器；无线子设备包括无线主控单元和用于测量摇匀仪运行转速、温度、磁场强度和加速度的传感器组；无线子设备还包括与无线主控连接的电源和无线通信单元；主设备中的无线通信单元与子设备的无线通信单元连接，实现主设备和无线子设备的数据传输。

进一步的，所述无线子设备设置在摇匀仪的支架上；磁场强度通过磁力计测量得到；摇匀仪的转动角速度通过三轴陀螺仪测量得到；摇匀仪的加速度通过三轴加速计测量得到；摇匀仪的温度通过温度传感器测量得到。

一种用于摇匀仪测量的复合测量方法，包括以下步骤：

步骤1：获取振动传感器测量信号，依次经过滤波器、调理单元、模数转换单元和数据处理单元，数据处理单元处理获取当前信号的频谱特性；

步骤2：根据预先存储的不同激励下的噪声频谱特性和步骤1获取的频谱特性，判断是否超过或等于噪声幅值，是否是非噪声频点；

步骤3：若否则舍弃，若是则得到疑似频点集合N；

步骤4：根据磁力计测量获取摇匀仪工作中的磁场强度变化；进行幅值比较得到疑似频率B和对应的测量信噪值S_b；

步骤5：根据陀螺仪测量得到的角速度，计算得到疑似频率C和对应的测量信噪值S_c；

步骤6：计算疑似频点集合N中的疑似频点与疑似频率B和疑似频点C的差值，若小于设定误差值则输出结果为疑似频率A及其对应的测量信噪值S_a；若否则调整程控激励源输出大小、调理单元的信号放大增益、模数转换器的采样率、数据处理单元的块长重新测量；

步骤7：对疑似频率A、疑似频率B和疑似频率C进行加权求和得到频率f_n，根据频率f_n即可得到所需测量转速n。

进一步的，所述步骤5具体计算过程如下：

式中：f为计算得到的转动频率，ω为陀螺仪测量得到的角速度；

根据疑似频率C查频率C-测量信噪值表得到对应的测量信噪值S_c。

进一步的，所述步骤4中疑似频率B和测量信噪值S_b根据以下方法计算：

数据处理单元根据磁力计测量得到的摇匀仪工作中磁场强度变化，采用FFT算法计算得到磁场变化的频谱特性，进行幅值比较得到幅值最大的非0频点作为疑似频点，其频点对应的频率为疑似频率B；幅值低于疑似频点且高于其它频点的非零频点为噪声频点，疑似频点与噪声频点的幅值比值为疑似频率B对应的测量信噪值S_b。

进一步的，所述步骤2中的预先存储的不同激励下的噪声频谱特性，生成过程如下：

S11：设定程控激励源初始激励电流、调理单元初始放大增益、模数转换器采样频率初始值；

S12：设置摇匀仪振动频率为0后进行去噪；程控激励源配置为最小激励，数据处理单元根据采集信号，采用FFT算法得到对应频谱特性，频谱特性包括噪声频点和噪声幅值范围；

S13：程控激励源激励增大一级，重复步骤S12；

S14：重复步骤S13，直到激励设定范围达到程控激励源设定上限，即可得到不同级激励下的噪声频谱特性。

进一步的，所述步骤1中振动传感器通过磁吸式底座固定在摇匀仪侧面外壳；摇匀仪设置待测振动转速启动，程控激励源驱动振动传感器采集到振动信号；振动信号经滤波器滤波处理，进入调理单元进行信号的放大和调整直流偏置；然后进入数模转换单元将模拟信号转换为数字信号；输出的数字信号进入数据处理单元，通过FFT算法得到频谱特性；该频谱特性与0转速噪声测量中同样激励大小的噪声频谱特性进行比较，滤除幅值低于噪声范围的频点和频率及幅值与噪声频点相同的频点得到疑似频点集合N。

进一步的，所述步骤7中的f_y计算方法如下：

f_y＝x_AA+x_BB+x_CC

其中，f_y为计算得到的频率，A、B、C为对应的疑似频率，x_A、x_B、x_C分别为对应频率的权重系数；

权重系数生成过程如下：根据测量信噪值生成差值坐标；根据差值坐标-系数表确定系数。

本发明的有益效果是：

(1)本发明既可以测量电动式摇匀仪，也可以测量转动式摇匀仪，测量范围广泛；

(2)本发明与传统光电式摇匀仪振动频率测量系统，无需反光条粘贴、对准过程，只需将无线子设备放入转轴支架和振动传感器磁吸贴附，简化了使用流程，方便使用；

(3)本发明与现有的振动传感器摇匀仪测量方法相比，通过测量方法的改进和结合多个传感器的复合，具有更好的测量精度。

附图说明

图1为本发明测量系统结构示意图。

图2为本发明测量方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示，一种用于摇匀仪测量的复合测量系统，包括主设备和无线子设备；主设备包括主控单元及与均与其连接的程控激励源、调理单元、数据处理单元、无线通信单元和电源；主设备包括依次连接的振动传感器、滤波器、调理单元、模数转换单元；程控激励源连接振动传感器；无线子设备包括无线主控单元和用于测量摇匀仪运行转速、温度、磁场强度和加速度的传感器组；无线子设备还包括与无线主控连接的电源和无线通信单元；主设备中的无线通信单元与子设备的无线通信单元连接，实现主设备和无线子设备的数据传输。

无线子设备设置在摇匀仪的支架上，随摇匀仪转动轴转动而转动；磁场强度通过磁力计测量得到；摇匀仪的运行速度通过三轴陀螺仪测量得到；摇匀仪的加速度通过三轴加速计测量得到；摇匀仪的温度通过温度传感器测量得到。主要设备的振动传感器通过强磁性底座吸附于摇匀仪测量以测量摇匀仪的运行转速。

主设备中，振动传感器用于采集摇匀仪运行过程中产生的机械振动，需要程控激励源给予激励才能工作。常见振动传感器为电流驱动型则激励为恒定电流，若为电压驱动型则激励为恒定电压。若振动传感器为电流驱动型则程控激励源为可编程的低噪声恒流源。主控控制程控激励源输出指定大小的恒定电流作为振动传感器的激励。调理单元包括低噪声运放、DAC和程控运放，用于实现电压转换和信号放大，使得信号满足下一级模数转换单元的输入要求。模数转换单元包含了ADC驱动电路和ADC，用于将输入的模拟信号转换为数字信号。数据处理单元包含FPGA或者DSP执行FFT算法进行数据处理。电源包含了电池及电源管理芯片给设备进行供电。无线通信单元包含了无线通信芯片及天线，用于与子设备及用户电脑终端的数据无线传输。主控为处理器，用于实现对其它组件的驱动和控制。无线子设备中，无线主控为无线子设备的主控。用于实现对子设备内其它组件的驱动控制。传感器组包含了加速度计、磁力计、陀螺仪和温度传感器，其用于测量仪器内部的加速度、磁场变化、角速度和温度。无线设备的无线通信单元包含了无线通信模块和天线，用于与主设备通信进行数据传输。

加速度计为测量加速度的传感器，加速度计随无线子设备安装在摇匀仪器支架上随摇匀仪转动轴转动。由于转动轴的不平衡会产生振动从而产生加速度，用其测得的加速度为摇匀仪器的加速度。温度传感器用于测量仪器的工作温度，加速度、温度和转速为测量结果。

如图2所示，一种用于摇匀仪测量的复合测量系统的测量方法，包括以下步骤：

步骤1：获取振动传感器测量信号，依次经过滤波器、调理单元、模数转换单元和数据处理单元，数据处理单元处理获取当前信号的频谱特性；

振动传感器通过磁吸式底座固定在摇匀仪侧面外壳，振动由此传导到振动传感器。振动传感器为测量振动的传感器，由于摇匀仪器转动轴的不平衡将导致其在工作中产生周期性的振动。该振动的频率与转速具有相关性，因此可以测量振动信号计算得到其振动频率而得到摇匀仪器的转速。摇匀仪设置待测转速并启动，摇匀仪工作产生振动，主控控制激励源输出一定大小的激励。系统的程控激励源驱动振动传感器采集到振动信号。滤波器滤波处理后信号进入下一级调理单元。系统的主控控制调理单元以一定增益放大信号和调整直流偏置使得信号参数满足下一级模数转换器输入要求。主控控制模数转换器以一定采样率对输入的模拟信号进行采样，将模拟信号转换为数字信号。得到的数字信号进入数据处理单元进行FFT算法得到频谱特性。

根据预先存储的不同激励下的噪声频谱特性和步骤1获取的频谱特性，判断步骤1频谱上的频点幅值是否超过噪声频谱上同频点的噪声幅值一定量级；

预先存储的不同激励下的噪声频谱特性，生成过程如下：

振动传感器通过磁吸式底座贴附于摇匀仪侧面外壳，无线子设备安装于被测设备的转轴支架上。系统上电后载入初始化参数进行配置，初始化参数包括振动传感器的激励设定范围(即为电压电流范围)、振动频率测量范围，根据参数表设置激励源初始激励电流、调理单元初始放大增益、模数转换器采样频率初始值。

摇匀仪通电并设置振动频率为0后启动系统去噪设置；程控激励源配置为激励源设定范围内最小激励；系统采集当前信号获得包含噪声频点和噪声幅值范围的噪声频谱特性并保存。系统采集流程如图2所示。完成上述测量步骤后进一步增大激励，若未超过激励设定范围则输出激励并重复上述测量步骤；获得该级下的噪声频谱特性并保存，直到超出激励源设定范围，存储不同级激励下的噪声频谱特性。

步骤3：若否则舍弃，若是则得到疑似频点集合N；

具体比较过程如下：

与同一激励大小的噪声频谱特性进行比较，步骤1频谱上的频点与噪声频谱上的同频点进行幅值比较，超过一定量级的为疑似频点，反之则舍去，得到疑似频点集合N。

步骤4：根据磁力计测量获取摇匀仪工作中的磁场强度变化；进行幅值比较得到疑似频率B及其对应的测量信噪值S_b；

磁力计为测量磁场强度大小的传感器，吸附在外壳上的强磁性磁吸式底座和电机的永磁磁铁均能在一定距离内产生一个强磁场。磁力计随无线子设备安装在摇匀仪器支架上随摇匀仪转动轴转动而周期性靠近和远离上述强磁场。由其转动磁力计感应一个周期性变化的磁场强度值。通过数据处理单元执行FFT算法得到的这个磁场强度值的频谱特性，幅值最高的非零频点为疑似频点，其频点对应值为疑似频率B，幅值低于疑似频点且高于其它频点的非零频点为噪声频点，疑似频点与噪声频点的幅值的比值为疑似频率B对应的测量信噪值S_b。

步骤5：根据陀螺仪测量得到的角速度，计算得到疑似频率C及其对应的测量信噪值S_c；

陀螺仪为测量角速度的传感器，陀螺仪随无线子设备安装在摇匀仪器支架上随摇匀仪转动轴转动，因此测得的角速度为摇匀仪器的转动角速度，通过角速度与转动频率的转换公式可以计算出转动频率，即疑似频率C。

计算过程如下：

式中：f为计算得到的转动频率，ω为陀螺仪测量得到的角速度。

根据疑似频率C查频率C-测量信噪值表得到对应范围的测量信噪值S_c。频率C-测量信噪值表包含不同频率范围对应的测量信噪值S_c，为仪器预设表。

步骤6：计算疑似频点集合N中的疑似频点与疑似频率B和疑似频点C的差值，若小于设定误差值则输出结果为疑似频率A及其对应的测量信噪值S_a；若否则调整程控激励源输出大小、调理单元的信号放大增益、模数转换器的采样率、数据处理单元的块长重新测量；

陀螺仪测量转速的方式适合低转速下的测量，磁力计适合中低转速下的测量，振动传感器适合高转速测量。采用复合测量方式结合三者优点以实现更优的测量结果。将磁力计的测量结果(疑似频率B)、陀螺仪的测量结果(疑似频率C)与振动传感器测量过程的结果(疑似频点集合N)进行比较。取其中最接近疑似频率B和疑似频率C的频点作为疑似频点N2。若疑似频点N2与疑似频率B和疑似频率C的差值小于对应量程下的误差值V(误差值根据量程不同进行设定)，则输出该疑似频点，即为疑似频率A。疑似频点与噪声频谱上同频点的幅值之比为疑似频率A的测量信噪值S_a。若疑似频点N2与疑似频率B和疑似频率C的差值大于对应量程下的误差值V则调整激励源输出激励大小、调理单元的信号放大增益、模数转换器的采样率、数据处理单元的块长(FFT点数)再次测量。重复上述判断过程。

步骤7：对疑似频率A、疑似频率B和疑似频率C进行加权求和得到频率f_y，根据频率f_y即可得到所需测量转速n。

陀螺仪在低振动频率下精确度最高，在中低转速量程下磁力计具有更好的精确度，高转速量程下振动传感器具有最高的精确度。因此需要考虑不同量程下三类传感器测量结果的叠加。

为此，采用如下公式所示加权计算的方式进行三类传感器测量结果的叠加，根据疑似频率对应的量程选定对应的权重系数。代入疑似频率A、疑似频率B和疑似频率C的数值得到转速测量结果。

f_y＝x_AA+x_BB+x_CC

其中，f_y为计算得到的频率，A、B、C为对应的疑似频率，x_A、x_B、x_C分别为对应频率的权重系数。

权重系数由上述疑似频率对应的测量信噪值生成，生成权重系数的步骤为：根据测量信噪值生成差值坐标，根据差值坐标查差值坐标-系数表确定系数；差值坐标查差值坐标-系数表包含不同差值坐标对应的权重系数，为仪器预设表。

最终转速n计算结果如下：

n＝60f_y

n为计算得到的转速(转/分钟)。

本发明与传统光电式摇匀仪振动频率测量系统相比，既可以测量点动式也可以测量转动式摇匀仪，测量范围广泛。与传统光电式摇匀仪振动频率测量系统相比，无需反光条粘贴、对准过程，只需将无线子设备放入转轴支架和振动传感器磁吸贴附，简化了使用流程，方便易用。测量方法与现有的振动传感器摇匀仪测量方法相比，现有的测量方法在测量低振动频率时受限于振动传感器响应频率限制，在摇匀仪低量程下测量精度低。本发明方法结合多个传感器，其具有更好的测量精度。

Claims (5)

1.一种用于摇匀仪测量的复合测量系统的测量方法，其特征在于，用于摇匀仪测量的复合测量系统，包括主设备和无线子设备；主设备包括主控单元及与均与其连接的程控激励源、调理单元、数据处理单元、无线通信单元和电源；主设备包括依次连接的振动传感器、滤波器、调理单元、模数转换单元；程控激励源连接振动传感器；无线子设备包括无线主控单元和用于测量摇匀仪运行转速、温度、磁场强度和加速度的传感器组；无线子设备还包括与无线主控连接的电源和无线通信单元；主设备中的无线通信单元与子设备的无线通信单元连接，实现主设备和无线子设备的数据传输；

包括以下步骤：

步骤1：获取振动传感器测量信号，依次经过滤波器、调理单元、模数转换单元和数据处理单元，数据处理单元处理获取当前信号的频谱特性；

步骤2：根据预先存储的不同激励下的噪声频谱特性和步骤1获取的频谱特性，判断是否超过或等于噪声幅值，是否是非噪声频点；

步骤3：若否则舍弃，若是则得到疑似频点集合N；

步骤4：根据磁力计测量获取摇匀仪工作中的磁场强度变化；进行幅值比较得到疑似频率B和对应的测量信噪值S_b；疑似频率B和测量信噪值S_b根据以下方法计算：

数据处理单元根据磁力计测量得到的摇匀仪工作中磁场强度变化，采用FFT算法计算得到磁场变化的频谱特性，进行幅值比较得到幅值最大的非0频点作为疑似频点，其频点对应的频率为疑似频率B；幅值低于疑似频点且高于其它频点的非零频点为噪声频点，疑似频点与噪声频点的幅值比值为疑似频率B对应的测量信噪值S_b；

步骤5：根据陀螺仪测量得到的角速度，计算得到疑似频率C和对应的测量信噪值S_c；具体计算过程如下：

式中：f为计算得到的转动频率，ω为陀螺仪测量得到的角速度；

根据疑似频率C查频率C-测量信噪值表得到对应的测量信噪值S_c；

步骤6：计算疑似频点集合N中的疑似频点与疑似频率B和疑似频点C的差值，若小于设定误差值则输出结果为疑似频率A及其对应的测量信噪值S_a；若否则调整程控激励源输出大小、调理单元的信号放大增益、模数转换器的采样率、数据处理单元的块长重新测量；

步骤7：对疑似频率A、疑似频率B和疑似频率C进行加权求和得到频率f_n，根据频率f_n即可得到所需测量转速n；权重系数生成过程如下：根据测量信噪值生成差值坐标；根据差值坐标-系数表确定系数。

2.根据权利要求1所述的一种用于摇匀仪测量的复合测量系统的测量方法，其特征在于，所述无线子设备设置在摇匀仪的支架上；磁场强度通过磁力计测量得到；摇匀仪的运行速度通过三轴陀螺仪测量得到；摇匀仪的加速度通过三轴加速计测量得到；摇匀仪的温度通过温度传感器测量得到。

3.根据权利要求1所述的一种用于摇匀仪测量的复合测量系统的 测量方法，其特征在于，所述步骤2中的预先存储的不同激励下的噪声频谱特性，生成过程如下：

S11：设定程控激励源初始激励电流、调理单元初始放大增益、模数转换器采样频率初始值；

S12：设置摇匀仪振动频率为0后进行去噪；程控激励源配置为最小激励，数据处理单元根据采集信号，采用FFT算法得到对应频谱特性，频谱特性包括噪声频点和噪声幅值范围；

S13：程控激励源激励增大一级，重复步骤S12；

S14：重复步骤S13，直到激励设定范围达到程控激励源设定上限，即可得到不同级激励下的噪声频谱特性。

4.根据权利要求1所述的一种用于摇匀仪测量的复合测量系统的 测量方法，其特征在于，所述步骤1中振动传感器通过磁吸式底座固定在摇匀仪侧面外壳；摇匀仪设置待测振动转速启动，程控激励源驱动振动传感器采集到振动信号；振动信号经滤波器滤波处理，进入调理单元进行信号的放大和调整直流偏置；然后进入数模转换单元将模拟信号转换为数字信号；输出的数字信号进入数据处理单元，通过FFT算法得到频谱特性；该频谱特性与0转速噪声测量中同样激励大小的噪声频谱特性进行比较，滤除幅值低于噪声范围的频点和频率及幅值与噪声频点相同的频点得到疑似频点集合N。

5.根据权利要求1所述的一种用于摇匀仪测量的复合测量系统的 测量方法，其特征在于，所述步骤7中的f_y计算方法如下：

f_y＝x_AA+x_BB+x_CC

其中，f_y为计算得到的频率，A、B、C为对应的疑似频率，x_A、x_B、x_C分别为对应频率的权重系数。

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