CN114526808B - 一种次声空气声校准装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种次声空气声校准装置，属于次声传感器校准领域。本发明包括电机运动系统、波纹管组件、激光测振仪、密封腔、差分压力传感器、参考腔、测控系统、标准次声传感器和被校次声传感器。电机运动系统通过连杆带动波纹管组件往复运动，在密封腔内产生正弦次声波；激光测振仪通过测量电机运动部件的位移计算得到密封腔内的次声声压级，实现次声传感器的绝对校准；参考腔与密封腔通过差分压力传感器进行连通；测控系统用于采集传感器输出信号，通过计算机反馈控制；标准次声传感器和被校次声传感器安装在密封腔内，通过比较法实现次声传感器的相对校准。本发明能够产生低失真的(0.01～20)Hz的次声声压信号，实现超低频次声传感器的溯源。

Description

一种次声空气声校准装置

技术领域

本发明涉及一种次声空气声校准装置，属于次声传感器校准领域。

背景技术

次声波广泛存在于自然界和人类活动中，如地震、火山喷发、泥石流、核爆、超音速飞行、武器打靶等，次声波具有穿透能力强、传播距离远、衰减小等特点，广泛应用于环境监测、军事领域、工业生产等领域。

次声声压信号的监测主要依靠次声传感器，次声声压的准确测量主要依赖于次声传感器的校准，次声传感器的量值准确是该传感器应用的前提和保障。次声传感器的校准方法主要包括耦合腔互易法和气腔压力法。耦合腔互易法只适用于2Hz以上的次声声压的校准，对于低频下的次声传感器校准，应用最为广泛的是气腔压力法，即通过电磁驱动器或者其他驱动机构，使得腔体内的气体体积发生变化，进而获得动态压力，从而实现传感器的校准。

目前，国内外次声传感器的校准主要使用激光活塞发生器法，原理基本类似。以浙江大学和中国计量院合作研制的次声发生装置为例，振动台采用位移反馈方式，驱动活塞在密闭次声发生腔体内做低位移失真的正弦运动，产生标准次声声压信号；激光测振仪通过贯穿振动台的光通道射入激光束，测量振动台运动部件的位移，计算得到次声发生腔产生的标准声压值；被校次声传感器和标准次声传感器安装在次声发生腔内，通过检测被校传感器输出，即可实现对次声传感器的绝对校准或相对较准。随着频率降低，空气泄露更加严重，修正起来更为困难，因此不适合太低频率，校准频率范围为(0.1～20)Hz。在实际应用中，很多次声信号频率低于0.1Hz，现有的装置不能满足实际使用的需求。

发明内容

为了解决次声传感器在超低频下的溯源的问题，本发明的目的是提供一种次声空气声校准装置，能够产生低失真的(0.01～20)Hz的次声声压信号，对次声传感器进行绝对法和相对法校准，实现超低频次声传感器的溯源。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明公开的一种次声空气声校准装置，包括电机运动系统、波纹管组件、激光测振仪、密封腔、差分压力传感器、参考腔、测控系统、标准次声传感器和被校次声传感器。电机运动系统通过连杆带动波纹管组件往复运动，在密封腔内产生正弦次声波；激光测振仪通过测量电机运动部件的位移计算得到密封腔内的次声声压级，实现次声传感器的绝对校准；参考腔与密封腔通过差分压力传感器进行连通；所述测控系统用于采集传感器输出信号，传递至计算机进行计算和反馈控制；所述标准次声传感器和被校次声传感器同时安装在密封腔内，通过比较法实现次声传感器的相对校准。

所述的电机运动系统包括直线电机、电机控制器、气浮导轨和基座。整体机械结构安装在基座上，直线电机采用气浮导轨进行支撑，以减小其运行阻力，电机控制器用于控制直线电机运动。电机运动系统通过闭环反馈控制减小其输出失真。

所述的波纹管组件包括波纹管、封闭端盖和开孔端盖。封闭端盖通过连杆与直线电机连接，在电机驱动下进行反复正弦运动。开孔端盖中心开有与密封腔连通的通孔，通过空心连杆与密封腔连接。作为优选，波纹管、封闭端盖、开孔端盖之间采用焊接方式进行安装连接，以保证安装的气密性。由于波纹管相对于活塞结构具有更好的密闭性，能够有效减少空气泄漏，产生更低频率的次声波；由于波纹管具有较高的收缩比，能够在较小的推力下产生足够的次声声压级；由于波纹管为柔性元件，工作时对同轴度的要求不高，从而有利于安装实现。

所述的密封腔一端开有通孔，用于和波纹管组件内部连通，另一端为可拆卸端盖，用于安装标准次声传感器和被校次声传感器；对于不同尺寸的被校次声传感器，通过更换可拆卸端盖实现快速安装。此外，可拆卸端盖上开有螺纹孔，用于和参考腔连通。密封腔内部安装分布压力传感器、分布温度传感器，用于监测腔体内的温度和压力，以实现绝对法校准模型的环境参数修正。

所述的参考腔与密封腔尺寸相同，在与密封腔相同的位置开有螺纹孔，用于和密封腔连通。参考腔和密封腔的螺纹孔通过内置差分压力传感器的导管进行连通。由于室内环境大气波动较为缓慢，次声波动覆盖空间很广，短时间内密封腔与参考腔内的背景干扰噪声相同。在密封腔和参考腔之间安装差分压力传感器，输出为密封腔和参考腔的压力差，通过减小压力差抵消掉大部分背景干扰，能够准确测量密封腔内的压力，进行压力反馈控制。

所述的测控系统包含激光测振仪采集器、次声传感器采集器、温度采集器、压力采集器，分别采集激光测振仪、标准和被校次声传感器、分布温度传感器、分布压力传感器和差分压力传感器的输出。

本发明公开的一种次声空气声校准装置的工作方法为：

直线电机在电机控制器的控制下，产生标准正弦振动，通过连杆驱动波纹管组件产生往复正弦运动；波纹管组件与密封腔内的空气连通，波纹管往复运动压缩密封腔内的空气产生标准次声信号。

激光测振仪通过测量直线电机运动部件的位移计算得到密封腔内的标准声压值，分布温度传感器和分布压力传感器测得密封腔内的温度和压力，通过绝对法计算和温度压力补偿实现被校次声传感器的绝对法校准。

标准次声传感器和被校次声传感器同时安装在密封腔中，采集相同的标准次声信号，通过比较法计算实现被校次声传感器的相对法校准。

有益效果：

1、本发明公开的一种次声空气声校准装置，采用波纹管组件作为次声发生器，能够避免超低频下的声泄露。波纹管、封闭端盖、开孔端盖之间采用焊接方式进行安装连接，以保证安装的气密性。由于波纹管相对于活塞结构具有更好的密闭性，能够有效减少空气泄漏，产生更低频率的次声波；由于波纹管具有较高的收缩比，能够在较小的推力下产生足够的次声声压级；由于波纹管为柔性元件，工作时对同轴度的要求不高，从而有利于安装实现。

2、本发明公开的一种次声空气声校准装置，通过设置与密封腔尺寸相同的参考腔，能够抵消大部分背景干扰，能够准确测量密封腔内的压力并进行压力反馈控制，从而产生低失真的次声声压信号，且能够产生失真小于1％的(0.01～20)Hz的次声声压信号，实现次声传感器进行绝对法和相对法校准，解决超低频次声传感器的溯源问题。

3、本发明公开的一种次声空气声校准装置，直线电机采用气浮导轨进行支撑，以减小其运行阻力，电机控制器用于控制直线电机运动。电机运动系统通过闭环反馈控制减小其输出失真。

附图说明

图1是本发明公开的一种次声空气声校准装置的结构图。

其中：1—激光测振仪采集器、2—测控系统、3—电机控制器、4—封闭端盖、5—波纹管、6—温度采集器、7—分布温度传感器、8—次声传感器采集器、9—压力采集器、10—参考腔、11—导管、12—差分压力传感器、13—标准次声传感器、14—被校次声传感器、15—可拆卸端盖、16—密封腔、17—分布压力传感器、18—空心连杆、19—开孔端盖、20—波纹管组件、21—连杆、22—直线电机、23—气浮导轨、24—大理石基座、25—激光测振仪。

具体实施方式

下面结合附图与实例，对本发明的实现进行详细描述。

如图1所示，本实施例公开的一种次声空气声校准装置，包括电机运动系统、波纹管组件20、激光测振仪25、密封腔16、差分压力传感器12、参考腔10、测控系统2、标准次声传感器13和被校次声传感器14。电机运动系统通过连杆21带动波纹管组件20往复运动，在密封腔16内产生正弦次声波；激光测振仪25通过测量电机运动部件的位移计算得到密封腔16内的次声声压级，实现次声传感器的绝对校准；参考腔10与密封腔16通过差分压力传感器12进行连通；所述测控系统2用于采集传感器输出信号，传递至计算机进行计算和反馈控制；所述标准次声传感器和13被校次声传感器14同时安装在密封腔16内，通过比较法实现次声传感器的相对校准。

所述的电机运动系统包括直线电机22、电机控制器3、气浮导轨23和大理石基座24。整体机械结构安装在大理石基座24上，直线电机22采用气浮导轨23进行支撑，以减小其运行阻力，电机控制器3用于控制直线电机22运动。电机运动系统通过闭环反馈控制减小其输出失真。

所述的波纹管组件20包括波纹管5、封闭端盖4和开孔端盖19。封闭端盖4通过连杆21与直线电机22连接，在电机驱动下进行反复正弦运动。开孔端盖19中心开有与密封腔16连通的通孔，通过空心连杆18与密封腔16连接。波纹管5、封闭端盖4、开孔端盖19之间采用焊接方式进行安装连接，以保证安装的气密性。由于波纹管相对于活塞结构具有更好的密闭性，能够有效减少空气泄漏，产生更低频率的次声波；由于波纹管具有较高的收缩比，能够在较小的推力下产生足够的次声声压级；由于波纹管为柔性元件，工作时对同轴度的要求不高，从而有利于安装实现。

所述的密封腔16一端开有通孔18，用于和波纹管组件20内部连通，另一端为可拆卸端盖15，用于安装标准次声传感器13和被校次声传感器14；对于不同尺寸的被校次声传感器14，可通过更换可拆卸端盖15实现快速安装。此外，可拆卸端盖15上开有螺纹孔，用于和参考腔10连通。密封腔16内部安装分布压力传感器17、分布温度传感器7，用于监测腔体内的温度和压力，以实现绝对法校准模型的环境参数修正。

所述的参考腔10与密封腔16尺寸相同，在与密封腔16相同的位置开有螺纹孔，用于和密封腔16连通。参考腔10和密封腔16的螺纹孔通过内置差分压力传感器12的导管11进行连通。由于室内环境大气波动较为缓慢，次声波动覆盖空间很广，可以认为短时间内，密封腔16与参考腔10内的背景干扰噪声相同。在密封腔16和参考腔10之间安装差分压力传感器12，输出为密封腔16和参考腔10的压力差，可以抵消掉大部分背景干扰，能够准确测量密封腔16内的压力，进行压力反馈控制。

所述的测控系统2包含激光测振仪采集器1、次声传感器采集器8、温度采集器6、压力采集器9，分别采集激光测振仪25、标准和被校次声传感器13和14、分布温度传感器7、分布压力传感器17和差分压力传感器12的输出。

本实施例公开的一种次声空气声校准装置的工作方法为：

直线电机22在电机控制器3的控制下，产生标准正弦振动，通过连杆21驱动波纹管组件20产生往复正弦运动；波纹管组件20与密封腔16内的空气连通，波纹管5往复运动压缩密封腔16内的空气产生标准次声信号。

激光测振仪25通过测量直线电机22运动部件的位移计算得到密封腔16内的标准声压值，分布温度传感器7和分布压力传感器17测得密封腔内的温度和压力，通过绝对法计算和温度压力补偿实现被校次声传感器15的绝对法校准。

标准次声传感器13和被校次声传感器14同时安装在密封腔16中，采集相同的标准次声信号，通过比较法计算实现被校次声传感器15的相对法校准。

本实施例公开的一种次声空气声校准装置，采用波纹管组件20作为次声发生器，能够避免超低频下的声泄露；设置与密封腔16尺寸相同的参考腔10，可以抵消大部分背景干扰，能够准确测量密封腔16内的压力并进行压力反馈控制，从而产生低失真的次声声压信号。该装置能够产生失真小于1％的(0.01～20)Hz的次声声压信号，实现次声传感器进行绝对法和相对法校准，解决超低频次声传感器的溯源问题。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种次声空气声校准装置，其特征在于：包括电机运动系统、波纹管组件、激光测振仪、密封腔、差分压力传感器、参考腔、测控系统、标准次声传感器和被校次声传感器；电机运动系统通过连杆带动波纹管组件往复运动，在密封腔内产生正弦次声波；激光测振仪通过测量电机运动部件的位移计算得到密封腔内的次声声压级，实现次声传感器的绝对校准；参考腔与密封腔通过差分压力传感器进行连通；所述测控系统用于采集传感器输出信号，传递至计算机进行计算和反馈控制；所述标准次声传感器和被校次声传感器同时安装在密封腔内，通过比较法实现次声传感器的相对校准；

所述的波纹管组件包括波纹管、封闭端盖和开孔端盖；封闭端盖通过连杆与直线电机连接，在电机驱动下进行反复正弦运动；开孔端盖中心开有与密封腔连通的通孔，通过空心连杆与密封腔连接；波纹管、封闭端盖、开孔端盖之间采用焊接方式进行安装连接，以保证安装的气密性；由于波纹管相对于活塞结构具有更好的密闭性，能够有效减少空气泄漏，产生更低频率的次声波；由于波纹管具有较高的收缩比，能够在较小的推力下产生足够的次声声压级；由于波纹管为柔性元件，工作时对同轴度的要求不高，从而有利于安装实现；

所述的参考腔与密封腔尺寸相同，在与密封腔相同的位置开有螺纹孔，用于和密封腔连通；参考腔和密封腔的螺纹孔通过内置差分压力传感器的导管进行连通；由于室内环境大气波动较为缓慢，次声波动覆盖空间很广，短时间内密封腔与参考腔内的背景干扰噪声相同；在密封腔和参考腔之间安装差分压力传感器，输出为密封腔和参考腔的压力差，通过减小压力差抵消掉大部分背景干扰，能够准确测量密封腔内的压力，进行压力反馈控制。

2.如权利要求1所述的一种次声空气声校准装置，其特征在于：所述的电机运动系统包括直线电机、电机控制器、气浮导轨和基座；整体机械结构安装在基座上，直线电机采用气浮导轨进行支撑，以减小其运行阻力，电机控制器用于控制直线电机运动；电机运动系统通过闭环反馈控制减小其输出失真。

3.如权利要求2所述的一种次声空气声校准装置，其特征在于：所述的密封腔一端开有通孔，用于和波纹管组件内部连通，另一端为可拆卸端盖，用于安装标准次声传感器和被校次声传感器；对于不同尺寸的被校次声传感器，通过更换可拆卸端盖实现快速安装；此外，可拆卸端盖上开有螺纹孔，用于和参考腔连通；密封腔内部安装分布压力传感器、分布温度传感器，用于监测腔体内的温度和压力，以实现绝对法校准模型的环境参数修正。

4.如权利要求1所述的一种次声空气声校准装置，其特征在于：所述的测控系统包含激光测振仪采集器、次声传感器采集器、温度采集器、压力采集器，分别采集激光测振仪、标准和被校次声传感器、分布温度传感器、分布压力传感器和差分压力传感器的输出。

5.如权利要求3所述的一种次声空气声校准装置，其特征在于：工作方法为，

直线电机在电机控制器的控制下，产生标准正弦振动，通过连杆驱动波纹管组件产生往复正弦运动；波纹管组件与密封腔内的空气连通，波纹管往复运动压缩密封腔内的空气产生标准次声信号；

激光测振仪通过测量直线电机运动部件的位移计算得到密封腔内的标准声压值，分布温度传感器和分布压力传感器测得密封腔内的温度和压力，通过绝对法计算和温度压力补偿实现被校次声传感器的绝对法校准；

标准次声传感器和被校次声传感器同时安装在密封腔中，采集相同的标准次声信号，通过比较法计算实现被校次声传感器的相对法校准。