CN114964620B - 机械传感器动态校准分析方法、装置、计算机设备和存储介质 - Google Patents

机械传感器动态校准分析方法、装置、计算机设备和存储介质 Download PDF

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CN114964620B CN202210924520.6A CN202210924520A CN114964620B CN 114964620 B CN114964620 B CN 114964620B CN 202210924520 A CN202210924520 A CN 202210924520A CN 114964620 B CN114964620 B CN 114964620B
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Abstract

本发明公开了一种机械传感器动态校准分析方法、装置、计算机设备和存储介质，所述机械传感器动态校准分析方法包括如下步骤：通过阶跃信号激励获取机械传感器的阶跃响应曲线；对所获取的阶跃响应曲线进行预处理，得到预处理后的阶跃响应曲线；对预处理后的阶跃响应曲线通过快速傅里叶变换得到幅度谱，通过幅度谱主频分析得到信号振荡频率；对预处理后的阶跃响应曲线进行振荡强度分析，得到振荡强度曲线；对振荡强度曲线进行基于最小二乘法的指数函数拟合得到衰减系数；由衰减系数与振荡频率联合求解得到固有频率与阻尼比。本发明能够有效减少阶跃响应分析干扰，提高分析自动化程度。

Description

机械传感器动态校准分析方法、装置、计算机设备和存储介质
技术领域
本发明属于计量测试领域，涉及一种机械传感器动态校准分析方法、装置、计算机设备和存储介质。
背景技术
航空、航天、船舶、装甲车辆、海洋工程、建筑土木、智能制造等领域大量使用压力传感器、力传感器、扭矩传感器、振动冲击加速度计等机械传感器（也称为力学传感器）进行机械力学参数的动态测量。阶跃校准是这些机械力学传感器动态性能评价的一种重要方式，阶跃校准可以获取机械力学传感器动态测量模型中固有频率、阻尼比等重要参数。传统的基于阶跃响应分析包括时域峰值衰减分析以及幅值谱Q值分析等方法。专利文献CN108759875A 公开了一种基于系统辨识与频响校正的传感器动态补偿方法，CN113820067A公开了一种强冲击传感器下阶跃响应动态特性计算方法及发生装置。但现有技术的方法主要基于二阶或高阶系统的理想阶跃响应，但实际机械力学传感器的阶跃响应会受到阶跃激励的非理想性、不同阶次相互干扰、噪声干扰等影响，给阻尼比的分析带来很大的障碍，包括结果受操作人影响比较大、数据质量差时结果明显不合理、分析自动化程度低等。因此需要可适用低质量阶跃响应数据的新的阻尼分析方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种机械传感器动态校准分析方法、装置、计算机设备和存储介质，能够有效减少阶跃响应分析干扰，提高分析自动化程度。
本发明的一个方面提供一种机械传感器动态校准分析方法，包括如下步骤：
阶跃响应曲线获取步骤，通过阶跃信号激励获取机械传感器的阶跃响应曲线；
阶跃响应曲线预处理步骤：对所获取的阶跃响应曲线进行预处理，将阶跃响应曲线的头部去掉阶跃响应前的初始平稳信号数据，尾部去掉阶跃响应曲线振荡基本衰减后的稳定信号数据，再减去阶跃响应曲线的平均值，得到预处理后的阶跃响应曲线；
振荡频率获取步骤：对预处理后的阶跃响应曲线通过快速傅里叶变换得到幅度谱，通过幅度谱主频分析得到信号振荡频率
Figure 656262DEST_PATH_IMAGE001
；
振荡强度分析步骤：对预处理后的阶跃响应曲线进行振荡强度分析，得到振荡强度曲线；
衰减系数获取步骤：对振荡强度曲线进行基于最小二乘法的指数函数拟合得到衰减系数a；
阻尼比获取步骤：由衰减系数a与振荡频率
Figure 511085DEST_PATH_IMAGE001
联合求解得到固有频率
Figure 759664DEST_PATH_IMAGE002
与阻尼比ξ:
Figure 623715DEST_PATH_IMAGE003
优选地，在所述振荡强度分析步骤中，所述对预处理后的阶跃响应曲线进行振荡强度分析包括：
步骤一：依据振荡频率
Figure 139884DEST_PATH_IMAGE001
和阶跃响应曲线的采样率
Figure 431188DEST_PATH_IMAGE004
，确定n个求和周期数时的数据求和点数N，
Figure 167063DEST_PATH_IMAGE005
，其中，n取1～10；
步骤二：从初始位置k=1开始在预处理后的阶跃响应曲线中依次抽取N个数值组成子数组
Figure 569226DEST_PATH_IMAGE006
；
步骤三：对子数组
Figure 441367DEST_PATH_IMAGE006
依次进行平均值计算得到平均值
Figure 903572DEST_PATH_IMAGE007
、
Figure 126743DEST_PATH_IMAGE006
减去平均值
Figure 565552DEST_PATH_IMAGE007
得到
Figure 557779DEST_PATH_IMAGE008
、
Figure 456465DEST_PATH_IMAGE008
的绝对值
Figure 166932DEST_PATH_IMAGE009
求和得到和值
Figure 645318DEST_PATH_IMAGE006
的操作，将当前初始位置对应的时间
Figure 757631DEST_PATH_IMAGE010
以及计算得到的和值
Figure 296059DEST_PATH_IMAGE006
作为振荡强度曲线上的点
Figure 992358DEST_PATH_IMAGE011
:
Figure 274434DEST_PATH_IMAGE012
Figure 975674DEST_PATH_IMAGE013
Figure 216163DEST_PATH_IMAGE014
步骤四：当前初始位置k加1后重复步骤二和步骤三，直到
Figure 635643DEST_PATH_IMAGE015
从而得到振荡强度曲线上的所有点，其中，K为预处理后的阶跃响应曲线上的所有点数。
优选地，在所述振荡频率获取步骤中，所述通过幅度谱主频分析得到振荡频率
Figure 721410DEST_PATH_IMAGE001
包括：
选取幅度谱曲线上的最高点；
以最高点为中心选取包括最高点在内的5个以上奇数个点；
对选取的点进行最小二乘法高斯拟合，将拟合的高斯曲线上峰值点对应的频率作为振荡频率
Figure 775692DEST_PATH_IMAGE001
。
优选地，在所述衰减系数获取步骤中，所述指数函数为
Figure 187081DEST_PATH_IMAGE016
，其中， y表示幅值，t表示时间，A为常数，a表示衰减系数。
优选地，在所述阶跃响应曲线获取步骤中，所述机械传感器为压力传感器或加速度计的情况下，利用正阶跃压力信号进行激励，所述机械传感器为力传感器或扭矩传感器的情况下，利用负阶跃信号进行激励。
本发明的另一个方面提供一种机械传感器动态校准分析装置，包括：
阶跃响应曲线获取模块，构成为通过阶跃信号激励获取机械传感器的阶跃响应曲线；
阶跃响应曲线预处理模块，构成为对所获取的阶跃响应曲线进行预处理，将阶跃响应曲线的头部去掉阶跃响应前的初始平稳信号数据，尾部去掉阶跃响应曲线振荡基本衰减后的稳定信号数据，再减去阶跃响应曲线的平均值，得到预处理后的阶跃响应曲线；
振荡频率获取模块，构成为对预处理后的阶跃响应曲线通过快速傅里叶变换得到幅度谱，通过幅度谱主频分析得到信号振荡频率
Figure 93858DEST_PATH_IMAGE001
；
振荡强度分析模块，构成为对预处理后的阶跃响应曲线进行振荡强度分析，得到振荡强度曲线；
衰减系数获取模块，构成为对振荡强度曲线进行基于最小二乘法的指数函数拟合得到衰减系数a；
阻尼比获取模块，构成为由衰减系数a与振荡频率
Figure 717737DEST_PATH_IMAGE001
联合求解固有频率
Figure 659148DEST_PATH_IMAGE002
与阻尼比ξ:
Figure 241439DEST_PATH_IMAGE017
Figure 369932DEST_PATH_IMAGE018
。
优选地，所述振荡强度分析模块构成为：
依据振荡频率
Figure 561617DEST_PATH_IMAGE001
和阶跃响应曲线的采样率
Figure 826376DEST_PATH_IMAGE004
，确定n个求和周期数时的数据求和点数N，
Figure 579569DEST_PATH_IMAGE019
，其中，n取1～10；
从初始位置k=1开始在预处理后的阶跃响应曲线中依次抽取N个数值组成子数组
Figure 195358DEST_PATH_IMAGE006
；
对子数组
Figure 692198DEST_PATH_IMAGE006
依次进行平均值计算得到平均值
Figure 342622DEST_PATH_IMAGE007
、
Figure 1137DEST_PATH_IMAGE006
减去平均值
Figure 868336DEST_PATH_IMAGE007
得到
Figure 903288DEST_PATH_IMAGE008
、
Figure 673798DEST_PATH_IMAGE008
的绝对值
Figure 503214DEST_PATH_IMAGE009
求和得到和值
Figure 359175DEST_PATH_IMAGE006
的操作，将当前初始位置对应的时间
Figure 932238DEST_PATH_IMAGE010
以及计算得到的和值
Figure 291676DEST_PATH_IMAGE006
作为振荡强度曲线上的点
Figure 56107DEST_PATH_IMAGE011
:
Figure 133784DEST_PATH_IMAGE012
Figure 776118DEST_PATH_IMAGE013
Figure 990062DEST_PATH_IMAGE014
在当前初始位置k加1后重复步骤二和步骤三，直到
Figure 426859DEST_PATH_IMAGE020
从而得到振荡强度曲线上的所有点，获得振荡强度曲线，其中，K为预处理后的阶跃响应曲线上的所有点数。
优选地，所述振荡频率获取模块还构成为：
选取幅度谱曲线上的最高点；
以最高点为中心选取包括最高点在内的5个以上奇数个点；
对选取的点进行最小二乘法高斯拟合，将拟合的高斯曲线上峰值点对应的频率作为振荡频率
Figure 991833DEST_PATH_IMAGE001
。
本发明的又一个方面提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的方法的步骤。
本发明的又一个方面提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的方法的步骤。
本发明以上方面的机械传感器动态校准分析方法、装置、计算机设备和存储介质，能够有效减少阶跃响应分析干扰，提高分析自动化程度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对本发明实施例的描述中所使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：
图1是本发明一种实施方式的机械传感器动态校准分析方法的流程图。
图2是本发明一种实施方式的机械传感器动态校准分析方法的数据分析整体流程图。
图3 是本发明一种实施方式的机械传感器动态校准分析方法的机械传感器阶跃响应曲线。
图4是本发明一种实施方式的机械传感器动态校准分析方法的预处理后的机械传感器阶跃响应曲线。
图5 是本发明一种实施方式的机械传感器动态校准分析方法的机械传感器阶跃响应的幅度谱曲线。
图6是本发明一种实施方式的机械传感器动态校准分析方法的振荡强度分析流程图。
图7 是本发明一种实施方式的机械传感器动态校准分析方法的机械传感器振荡强度曲线及其指数拟合。
图8是本发明一种实施方式的机械传感器动态校准分析装置的框图。
图9是本发明一种实施方式的计算机设备的结构图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的实施方式提供一种机械传感器动态校准分析方法。图1是本发明一种实施方式的机械传感器动态校准分析方法的流程图，图2是本发明一种实施方式的机械传感器动态校准分析方法的数据分析整体流程图。如图1所示，本发明实施方式的机械传感器动态校准分析方法包括步骤S1-S6，图2更详细地表示出步骤S1-S6中的数据分析流程。
步骤S1为阶跃响应曲线获取步骤，在该步骤中，通过阶跃信号激励获取机械传感器的阶跃响应曲线。本发明实施方式的机械传感器可以是压力传感器、力传感器、扭矩传感器、加速度计等，对于压力传感器与加速度计，可以通过激波管产生正阶跃压力信号进行激励，对于力传感器或扭矩传感器，可以采用负阶跃信号进行激励。
在一个实施例中，通过激波管动态压力校准装置产生的阶跃信号激励获取硅压阻式压力传感器的阶跃响应曲线。图3是本发明一种实施方式的机械传感器动态校准分析方法的机械传感器阶跃响应曲线。如图3所示，获取的阶跃响应曲线包括少量阶跃前的初始平稳信号以及超过1ms的阶跃后响应曲线，共3594个数据点。从图3的阶跃响应曲线上可以比较明显地看出，该阶跃响应曲线与理想的单自由度二阶系统响应存在显著不同，在一个高频的衰减振荡上叠加了没有显著规律的低频扰动。在本实施例中，阶跃响应曲线的采样率
Figure 172279DEST_PATH_IMAGE004
为2MHz。
步骤S2为阶跃响应曲线预处理步骤，在该步骤中，对所获取的阶跃响应曲线进行预处理，将阶跃响应曲线的头部去掉阶跃响应前的初始平稳信号数据，尾部去掉阶跃响应曲线振荡基本衰减后的稳定信号数据，再减去阶跃响应曲线的平均值，得到预处理后的阶跃响应曲线。机械传感器在感知阶跃信号之前的初始平稳信号数据、响应曲线振荡基本衰减后的稳定信号数据、以及平均值都属于静态响应数据，对于分析传感器动态特性没有直接作用，但对于本发明实施方式的机械传感器动态校准分析方法的后续步骤有干扰作用，因此在该步骤中进行相应的预处理。
在上述实施例中，对图3所示的阶跃响应曲线进行预处理，包括头部去掉阶跃响应前的初始平稳信号数据306个点，尾部去除响应曲线振荡基本衰减后的稳定信号数据88个点，再减去平均值1.916，得到K=3200个点的数据，从而得到如图4所示的预处理后的阶跃响应曲线。
步骤S3为振荡频率获取步骤，在该步骤中，对预处理后的阶跃响应曲线通过快速傅里叶变换得到幅度谱，通过幅度谱主频分析得到信号振荡频率
Figure 762701DEST_PATH_IMAGE001
。基于快速傅里叶变换得到信号的幅度谱，通过幅度谱主频分析得到信号振荡频率
Figure 370400DEST_PATH_IMAGE001
是为了得到振荡周期，以便于确定整数个振荡周期所包含的数据点数用于后续分析，同时用于最后的阻尼比计算。
优选地，在步骤S3的振荡频率获取步骤中，所述通过幅度谱分析得到信号振荡频率包括：选取幅度谱曲线上的最高点；以最高点为中心选取5个以上奇数个点（包括最高点）；对选取的点进行最小二乘法高斯拟合，以拟合的高斯曲线上峰值点对应的频率为振荡频率
Figure 422670DEST_PATH_IMAGE001
。
在上述实施例中，对图4所示的预处理后的阶跃响应曲线基于快速傅里叶变换进行幅度谱分析，得到图5所示的幅度谱曲线，选取幅度谱曲线上以最高点为中心的5个点（包括最高点）进行最小二乘法高斯拟合，以拟合的高斯曲线上峰值点对应的频率为振荡频率
Figure 141227DEST_PATH_IMAGE001
=354.589kHz。
幅度谱的横轴频率分辨率受到对应时域曲线长度的限制，从而影响了振荡频率的分析精度，因而采用曲线拟合的方式以提高峰值点在横轴上的频率分辨率。理想的机械传感器阶跃响应幅度谱曲线与高斯曲线比较类似，而且在此主要关心峰值点对应的横轴上的频率，而不关心幅值大小，由此采用高斯拟合是合适的。
步骤S4为振荡强度分析步骤，在该步骤中，对预处理后的阶跃响应曲线进行振荡强度分析，得到振荡强度曲线。在本发明实施方式中，采用振荡强度曲线能够通过动态强度（而不是单点绝对强度）的衰减取代振荡峰值点强度（单点绝对强度，多个振荡峰可组成包络线）的衰减以减小静态值、噪声、非规律干扰的影响，提高阻尼比分析结果的可靠性。
优选地，在步骤S4的振荡强度分析步骤中，所述对预处理后阶跃响应曲线进行振荡强度分析包括以下步骤一～步骤四。图6是本发明一种实施方式的机械传感器动态校准分析方法的振荡强度分析流程图。图6中详细地表示出步骤一～步骤四中的强度分析流程。
步骤一：依据振荡频率
Figure 595342DEST_PATH_IMAGE001
、阶跃响应曲线采样率
Figure 373942DEST_PATH_IMAGE004
确定n个求和周期数时的数据求和点数N，n一般为1～10:
Figure 913508DEST_PATH_IMAGE019
在该步骤中，采用整数个振荡周期（求和周期）数据进行单点振荡强度分析，有利于减小非整周期数据在数据位置不同时求和结果的差异。
在上述实施例中，依据振荡频率
Figure 435756DEST_PATH_IMAGE001
=354.589kHz、阶跃响应曲线的采样率
Figure 242913DEST_PATH_IMAGE004
=2MHz，确定n=2个求和周期数时的数据求和点数N=11。
步骤二：从初始位置k=1开始在预处理后的阶跃响应曲线中依次抽取N个数值组成子数组
Figure 192415DEST_PATH_IMAGE006
。
在上述实施例中，设振荡强度曲线为Y，则
Figure 688118DEST_PATH_IMAGE021
，例如
Figure 14057DEST_PATH_IMAGE022
=[-1.95221,-1.71418,-0.843814,0.181576,0.490414,-0.234684,-1.14289,-1.3382,-0.741275,-0.0589023,0.0082364]。
步骤三：对子数组
Figure 911606DEST_PATH_IMAGE006
依次进行平均值计算得到平均值
Figure 32009DEST_PATH_IMAGE007
（子数组
Figure 546167DEST_PATH_IMAGE006
中的N个值的平均值）、
Figure 643173DEST_PATH_IMAGE006
减去平均值
Figure 660808DEST_PATH_IMAGE007
得到
Figure 217691DEST_PATH_IMAGE008
（子数组
Figure 953566DEST_PATH_IMAGE006
中的N个值与平均值的差值）、
Figure 621308DEST_PATH_IMAGE008
的绝对值
Figure 493449DEST_PATH_IMAGE009
求和得到和值
Figure 955654DEST_PATH_IMAGE006
（所有差值的绝对值之和）等操作，将当前初始位置对应的时间
Figure 677360DEST_PATH_IMAGE010
以及计算得到的和值
Figure 883214DEST_PATH_IMAGE006
作为振荡强度曲线上的点
Figure 875441DEST_PATH_IMAGE011
:
Figure 508547DEST_PATH_IMAGE012
Figure 219014DEST_PATH_IMAGE013
Figure 962979DEST_PATH_IMAGE014
在该步骤中，减去平均值、求绝对值、求和等处理都是为了获得更加理想的动态强度，减小静态值、噪声、非规律干扰的影响。
步骤四：当前初始位置k加1后重复步骤二和步骤三，直到
Figure 75292DEST_PATH_IMAGE023
从而得到振荡强度曲线上的所有点，其中，K为预处理后的阶跃响应曲线上的所有点数。
在上述实施例中，当前初始位置k加1后重复步骤二和步骤三，直到预处理后阶跃响应曲线不再满足求和点数的要求，此时k=K-N-1=3200-11-1=3190,此时3190个数据点组成图7所示的振荡强度曲线。
步骤S5为衰减系数获取步骤，在该步骤中，对振荡强度曲线进行基于最小二乘法的指数函数拟合得到衰减系数a。所述指数函数例如为
Figure 112256DEST_PATH_IMAGE016
，其中，t表示时间，y表示幅值，A为常数，可以对应初始的振荡强度，a表示指数衰减的系数。
机械传感器动态特性基本接近于单自由度二阶系统，其理想的阶跃响应曲线振荡衰减的规律基本符合指数规律，因此，本发明实施方式的振荡强度曲线从理论上同样符合指数规律，且其衰减率都对应阻尼比。
在上述实施例中，对图7所示的振荡强度曲线进行指数函数
Figure 310019DEST_PATH_IMAGE016
拟合得到衰减系数a=3199.03813，其中，y为纵坐标（幅值），t为横坐标（时间）。
步骤S6为阻尼比获取步骤，在该步骤中，由衰减系数a与振荡频率
Figure 857675DEST_PATH_IMAGE001
联合求解固有频率
Figure 824494DEST_PATH_IMAGE002
与阻尼比ξ:
Figure 799403DEST_PATH_IMAGE017
Figure 484462DEST_PATH_IMAGE018
。
在上述实施例中，由衰减系数a与振荡频率
Figure 835809DEST_PATH_IMAGE001
根据上述公式联合求解固有频率
Figure 391555DEST_PATH_IMAGE002
= 354.603kHz与阻尼比ξ= 9.021*10-3。
利用本发明实施方式的机械传感器动态校准分析方法，相同工况下进行5次阶跃校准试验，分别以本发明实施方式的方法进行分析得到的结果如表1所示，固有频率的重复性（相对标准偏差0.02%）非常好，阻尼比的重复性（相对标准偏差4.36%）也明显优于传统的时域峰值衰减分析方法（同样的数据分析结果相对标准偏差大于10%）。
表1 通过多次阶跃校准分析得到的阻尼比
序号 1 2 3 4 5 平均值 相对标准偏差/%
固有频率/kHz 354.603 354.368 354.477 354.460 354.481 354.478 0.02
阻尼比/10<sup>-3</sup> 9.021 9.187 8.425 8.620 8.156 8.682 4.36
综上所述，本发明实施方式的机械传感器动态校准分析方法通过对阶跃信号激励获取的机械力学传感器阶跃响应曲线的分析，得到传感器动态测量模型的阻尼比等关键特征参数，包括以下主要步骤：对阶跃响应曲线进行去头尾、减平均值等预处理；通过幅度谱与主频分析得到信号振荡频率；通过预处理后阶跃响应曲线分析得到振荡强度曲线；通过对振荡强度曲线进行指数曲线拟合得到衰减系数；由衰减系数与振荡频率联合求解得到固有频率与阻尼比。其中幅度谱主频分析基于幅值最高点附近数据的高斯拟合得到信号振荡频率，对预处理后阶跃响应曲线进行整周期绝对值求和的方法得到振荡强度曲线。
本发明的实施方式还提供一种机械传感器动态校准分析装置。图8是本发明一种实施方式的机械传感器动态校准分析装置的框图。如图8所示，本实施方式的机械传感器动态校准分析装置包括：
阶跃响应曲线获取模块101，构成为通过阶跃信号激励获取机械传感器的阶跃响应曲线；
阶跃响应曲线预处理模块102，构成为对所获取的阶跃响应曲线进行预处理，将阶跃响应曲线的头部去掉阶跃响应前的初始平稳信号数据，尾部去掉阶跃响应曲线振荡基本衰减后的稳定信号数据，再减去阶跃响应曲线的平均值，得到预处理后的阶跃响应曲线；
振荡频率获取模块103，构成为对预处理后的阶跃响应曲线通过快速傅里叶变换得到幅度谱，通过幅度谱主频分析得到信号振荡频率
Figure 301480DEST_PATH_IMAGE001
；
振荡强度分析模块104，构成为对预处理后的阶跃响应曲线进行振荡强度分析，得到振荡强度曲线；
衰减系数获取模块105，构成为对振荡强度曲线进行基于最小二乘法的指数函数拟合得到衰减系数a；
阻尼比获取模块106，构成为由衰减系数a与振荡频率
Figure 208257DEST_PATH_IMAGE001
联合求解固有频率
Figure 97715DEST_PATH_IMAGE002
与阻尼比ξ:
Figure 39126DEST_PATH_IMAGE017
Figure 355838DEST_PATH_IMAGE018
。
优选地，所述振荡强度分析模块104构成为：
依据振荡频率
Figure 749910DEST_PATH_IMAGE001
和阶跃响应曲线的采样率
Figure 177481DEST_PATH_IMAGE004
，确定n个求和周期数时的数据求和点数N，
Figure 238978DEST_PATH_IMAGE019
，其中，n取1～10；
从初始位置k=1开始在预处理后的阶跃响应曲线中依次抽取N个数值组成子数组
Figure 225126DEST_PATH_IMAGE006
，
对子数组
Figure 106494DEST_PATH_IMAGE006
依次进行平均值计算得到平均值
Figure 337755DEST_PATH_IMAGE007
、
Figure 988180DEST_PATH_IMAGE006
减去平均值
Figure 912273DEST_PATH_IMAGE007
得到
Figure 280938DEST_PATH_IMAGE008
、
Figure 315890DEST_PATH_IMAGE008
的绝对值
Figure 319356DEST_PATH_IMAGE009
求和得到和值
Figure 414351DEST_PATH_IMAGE006
的操作，将当前初始位置对应的时间
Figure 270311DEST_PATH_IMAGE010
以及计算得到的和值
Figure 577796DEST_PATH_IMAGE006
作为振荡强度曲线上的点
Figure 202812DEST_PATH_IMAGE011
:
Figure 468708DEST_PATH_IMAGE012
Figure 546386DEST_PATH_IMAGE013
Figure 188720DEST_PATH_IMAGE014
在当前初始位置k加1后重复步骤二和步骤三，直到
Figure 901199DEST_PATH_IMAGE020
从而得到振荡强度曲线上的所有点，获得振荡强度曲线，其中，K为预处理后的阶跃响应曲线上的所有点数。
所述振荡频率获取模块103构成为：
选取幅度谱曲线上的最高点；
以最高点为中心选取包括最高点在内的5个以上奇数个点；
对选取的点进行最小二乘法高斯拟合，将拟合的高斯曲线上峰值点对应的频率作为振荡频率
Figure 337996DEST_PATH_IMAGE001
。
本实施方式的机械传感器动态校准分析装置的具体实施例可以参见上文中对于机械传感器动态校准分析方法的限定，在此不再赘述。上述机械传感器动态校准分析装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备可以是服务器，其内部结构图可以如图9所示。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器和网络接口。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统、计算机程序和数据库。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的数据库用于存储各个框架的运行参数数据。该计算机设备的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现本实施方式的机械传感器动态校准分析方法。
本领域技术人员可以理解，图9中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
本发明的一个实施方式还提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，存储器中存储有计算机程序，该处理器执行计算机程序时实现本实施方式的机械传感器动态校准分析方法的上述步骤S1-S6。
本发明的一个实施方式还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现本实施方式的机械传感器动态校准分析方法的上述步骤S1-S6。
综上所述，本发明实施方式提供的机械传感器动态校准分析方法、装置、计算机设备和计算机可读存储介质，具有如下有益效果：
1、本发明实施方式通过振荡强度曲线的分析与拟合来求解阻尼比等参数，有效减少了传统时域与频域分析方法在非理想单自由度二阶系统阶跃响应曲线分析时受干扰严重的问题，更适合于低质量阶跃响应数据分析。其核心所采用的振荡强度曲线，是一种动态强度，而不是单点绝对强度，在有静态值、噪声、非规律干扰的影响，比一般采用的振荡峰值点强度（单点绝对强度）更能表征振荡的能量及其衰减规律。
2、本发明实施方式的数据处理分析中不需要人为选点等干预，可实现全流程分析的软件自动化，避免了传统时域方法需要手动选点等问题，能够有效提高自动化、效率以及结果一致性与可靠性。
以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。

Claims (8)

1.一种机械传感器动态校准分析方法，其特征在于，包括如下步骤：
阶跃响应曲线获取步骤，通过阶跃信号激励获取机械传感器的阶跃响应曲线；
阶跃响应曲线预处理步骤：对所获取的阶跃响应曲线进行预处理，将阶跃响应曲线的头部去掉阶跃响应前的初始平稳信号数据，尾部去掉阶跃响应曲线振荡基本衰减后的稳定信号数据，再减去阶跃响应曲线的平均值，得到预处理后的阶跃响应曲线；
振荡频率获取步骤：对预处理后的阶跃响应曲线通过快速傅里叶变换得到幅度谱，通过幅度谱主频分析得到信号振荡频率
Figure 334505DEST_PATH_IMAGE001
；
振荡强度分析步骤：对预处理后的阶跃响应曲线进行振荡强度分析，得到振荡强度曲线；
衰减系数获取步骤：对振荡强度曲线进行基于最小二乘法的指数函数拟合得到衰减系数a；
阻尼比获取步骤：由衰减系数a与振荡频率
Figure 524177DEST_PATH_IMAGE001
联合求解得到固有频率
Figure 237050DEST_PATH_IMAGE002
与阻尼比ξ:
Figure 803160DEST_PATH_IMAGE003
Figure 167145DEST_PATH_IMAGE004
，
在所述振荡强度分析步骤中，所述对预处理后的阶跃响应曲线进行振荡强度分析包括：
步骤一：依据振荡频率
Figure 527720DEST_PATH_IMAGE001
和阶跃响应曲线的采样率
Figure 914839DEST_PATH_IMAGE005
，确定n个求和周期数时的数据求和点数N，
Figure 596225DEST_PATH_IMAGE006
，其中，n取1～10；
步骤二：从初始位置k=1开始在预处理后的阶跃响应曲线中依次抽取N个数值组成子数组
Figure 486820DEST_PATH_IMAGE007
；
步骤三：对子数组
Figure 346192DEST_PATH_IMAGE007
依次进行平均值计算得到平均值
Figure 955028DEST_PATH_IMAGE008
、
Figure 941569DEST_PATH_IMAGE007
减去平均值
Figure 952251DEST_PATH_IMAGE008
得到
Figure 920207DEST_PATH_IMAGE009
、
Figure 78656DEST_PATH_IMAGE009
的绝对值
Figure 790260DEST_PATH_IMAGE010
求和得到和值
Figure 961173DEST_PATH_IMAGE007
的操作，将当前初始位置对应的时间
Figure 100030DEST_PATH_IMAGE011
以及计算得到的和值
Figure 745775DEST_PATH_IMAGE007
作为振荡强度曲线上的点
Figure 995491DEST_PATH_IMAGE012
:
Figure 980764DEST_PATH_IMAGE013
Figure 103572DEST_PATH_IMAGE014
Figure 174296DEST_PATH_IMAGE015
步骤四：当前初始位置k加1后重复步骤二和步骤三，直到
Figure 290020DEST_PATH_IMAGE016
从而得到振荡强度曲线上的所有点，其中，K为预处理后的阶跃响应曲线上的所有点数。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述振荡频率获取步骤中，所述通过幅度谱主频分析得到振荡频率
Figure 129800DEST_PATH_IMAGE001
包括：
选取幅度谱曲线上的最高点；
以最高点为中心选取包括最高点在内的5个以上奇数个点；
对选取的点进行最小二乘法高斯拟合，将拟合的高斯曲线上峰值点对应的频率作为振荡频率
Figure 922044DEST_PATH_IMAGE001
。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述衰减系数获取步骤中，所述指数函数为
Figure 214485DEST_PATH_IMAGE017
，其中， y表示幅值，t表示时间，A为常数，a表示衰减系数。
4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述阶跃响应曲线获取步骤中，所述机械传感器为压力传感器或加速度计的情况下，利用正阶跃压力信号进行激励，所述机械传感器为力传感器或扭矩传感器的情况下，利用负阶跃信号进行激励。
5.一种机械传感器动态校准分析装置，其特征在于，包括：
阶跃响应曲线获取模块，构成为通过阶跃信号激励获取机械传感器的阶跃响应曲线；
阶跃响应曲线预处理模块，构成为对所获取的阶跃响应曲线进行预处理，将阶跃响应曲线的头部去掉阶跃响应前的初始平稳信号数据，尾部去掉阶跃响应曲线振荡基本衰减后的稳定信号数据，再减去阶跃响应曲线的平均值，得到预处理后的阶跃响应曲线；
振荡频率获取模块，构成为对预处理后的阶跃响应曲线通过快速傅里叶变换得到幅度谱，通过幅度谱主频分析得到信号振荡频率
Figure 71583DEST_PATH_IMAGE001
；
振荡强度分析模块，构成为对预处理后的阶跃响应曲线进行振荡强度分析，得到振荡强度曲线；
衰减系数获取模块，构成为对振荡强度曲线进行基于最小二乘法的指数函数拟合得到衰减系数a；
阻尼比获取模块，构成为由衰减系数a与振荡频率
Figure 828186DEST_PATH_IMAGE001
联合求解固有频率
Figure 479747DEST_PATH_IMAGE002
与阻尼比ξ:
Figure 338113DEST_PATH_IMAGE003
Figure 733322DEST_PATH_IMAGE004
，
所述振荡强度分析模块构成为：
依据振荡频率
Figure 282115DEST_PATH_IMAGE001
和阶跃响应曲线的采样率
Figure 432474DEST_PATH_IMAGE005
，确定n个求和周期数时的数据求和点数N，
Figure 699507DEST_PATH_IMAGE006
，其中，n取1～10；
从初始位置k=1开始在预处理后的阶跃响应曲线中依次抽取N个数值组成子数组
Figure 898407DEST_PATH_IMAGE007
；
对子数组
Figure 613291DEST_PATH_IMAGE007
依次进行平均值计算得到平均值
Figure 872234DEST_PATH_IMAGE008
、
Figure 688881DEST_PATH_IMAGE007
减去平均值
Figure 425893DEST_PATH_IMAGE008
得到
Figure 949278DEST_PATH_IMAGE009
、
Figure 192171DEST_PATH_IMAGE009
的绝对值
Figure 168218DEST_PATH_IMAGE010
求和得到和值
Figure 771237DEST_PATH_IMAGE007
的操作，将当前初始位置对应的时间
Figure 460714DEST_PATH_IMAGE011
以及计算得到的和值
Figure 795880DEST_PATH_IMAGE007
作为振荡强度曲线上的点
Figure 587118DEST_PATH_IMAGE012
:
Figure 665933DEST_PATH_IMAGE013
Figure 163910DEST_PATH_IMAGE014
Figure 483027DEST_PATH_IMAGE015
在当前初始位置k加1后重复进行上述组成子数组
Figure 699245DEST_PATH_IMAGE018
和得到振荡强度曲线上的点(
Figure 644067DEST_PATH_IMAGE019
)的操作，直到
Figure 996551DEST_PATH_IMAGE020
从而得到振荡强度曲线上的所有点，获得振荡强度曲线，其中，K为预处理后的阶跃响应曲线上的所有点数。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述振荡频率获取模块还构成为：
选取幅度谱曲线上的最高点；
以最高点为中心选取包括最高点在内的5个以上奇数个点；
对选取的点进行最小二乘法高斯拟合，将拟合的高斯曲线上峰值点对应的频率作为振荡频率
Figure 939099DEST_PATH_IMAGE001
。
7.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1-4任一项所述的方法的步骤。
8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-4任一项所述的方法的步骤。
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