CN115493688A - 一种用于互易压电加速度计的现场校准方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于互易压电加速度计的现场校准方法，包括两次测量试验：振动试验与互易试验。振动试验首先利用振动激励设备提供紧固于运动平面上的互易压电加速度计相应频率与幅值的正弦激励；利用数据采集设备采集互易压电加速度计驱动端口与信号端口的输出信号；互易试验首先利用信号发生设备提供静置于工作平面的互易压电加速度计驱动端口相应频率与幅值的正弦电压激励，其次利用数据采集设备采集激励信号和互易压电加速度计信号端口的输出信号，然后基于信号正弦拟合方法获得两个信号的幅值比值；最后利用两次试验测得的灵敏度幅值乘积与比值，实现该互易压电加速度计的现场校准。本方法有利于振动传感器现场校准与溯源技术的发展。
Description
技术领域
本发明属于振动校准领域，更为具体地讲，尤其涉及一种振动传感器的现场校准方法。
背景技术
振动传感器在故障诊断、环境监测、结构安全测试等领域具有广泛应用。振动传感器的定期校准有利于保证其灵敏度的准确性，从而保证测量数据的准确性，其校准精度直接影响实际工程应用有效性。为解决实际应用中一些振动传感器无法定期送往实验室校准，需满足直接在现场环境下进行校准的需求，互易压电加速度计，即一种带有驱动端口与信号端口的压电加速度计，被设计及应用，但其校准方法的原理、应用缺少研究。因此本文研究并提出了一种高精度的用于互易压电加速度计的现场校准方法。
目前，常用的振动传感器校准方法有激光干涉法与比较法。基于多普勒测速与激光干涉原理的激光干涉法具有抗干扰能力强、动态性能好、测量频率范围宽、线性度高等优势，能够实现高精度的平面运动位移与轨迹测量，但其测量系统复杂、成本高、灵活性较差，且难以用于现场环境进行校准。比较法校准方法仅需一个标准的振动传感器，背靠背安装于振动台实现校准，其具有测量系统简单、灵活、高效等优势，但标准传感器数量少、成本高，其测量精度通常不高，难以应用于现场环境。现有的互易法校准方法基于电学量的测量实现高精度校准，适用于互易压电加速度计校准研究，基于互易法校准方法，通过振动试验与互易试验实现互易压电加速度计的现场校准。
因此，针对当前振动传感器存在定期校准困难、实验室校准成本高，且目前缺少合适的现场校准方法，本发明提出一种简单、高效、准确的用于互易压电加速度计的现场校准方法。基于互易法的基本校准原理通过测量互易压电加速度计在两次试验中的电学量比值实现现场校准，有利于现场校准方法的发展，且是实现现场校准溯源的基础。
发明内容
针对当前振动传感器存在定期校准困难、实验室校准成本高，且目前缺少合适的现场校准方法，本发明提出一种简单、高效、准确的用于互易压电加速度计的现场校准方法，包括：
振动试验两端口输出信号采集：振动激励设备提供紧固于运动平面上的互易压电加速度计相应频率与幅值的正弦激励，数据采集设备采集两端口输出信号；
互易试验激励信号与信号端口输出信号采集：利用信号发生设备提供静置于工作平面的互易加速度计驱动端口相应频率与幅值的正弦电压激励，数据采集设备采集激励信号与信号端口输出信号；
灵敏度幅值比值与乘积的计算：基于信号正弦拟合方法获得振动试验与互易试验采集信号的幅值，进而得到信号幅值比值即灵敏度幅值比值与乘积。
灵敏度的现场校准实现：基于已知的自校准系数结合测量的灵敏度幅值比值与乘积，获得相应的两端口灵敏度幅值，实现现场校准。
本发明采用的技术方案为一种用于互易压电加速度计的现场校准方法，所述校准方法包括以下步骤，
S1：将互易压电加速度计的安装底座紧固于振动激励设备的运动平面，振动激励设备在三分之一倍频程并且输出振幅只需满足大于互易压电加速度计信号输出最小信噪比的条件下输出正弦振动激励；
S2：在正弦振动激励下，利用数据采集设备采集互易压电加速度计驱动端口与信号端口的输出信号，送至上位机进行信号处理；
S3：基于信号的正弦拟合方法，获得互易压电加速度计驱动端口与信号端口输出信号的幅值，并计算两个端口输出信号的幅值比值，获得两个端口的灵敏度幅值比值；
S4：将互易压电加速度计的静置于一个稳定的工作平面，信号发生设备的输出端口连接互易压电加速度计的驱动端口，在三分之一倍频程并且输出电压为1-5V的条件下输出正弦电压激励；
S5：在正弦电压激励下，利用数据采集设备采集互易压电加速度计驱动端口的电激励信号和信号端口的输出信号，送至上位机进行信号处理；
S6：基于信号的正弦拟合方法，获得互易压电加速度计驱动端口电激励信号与信号端口输出信号的幅值，并计算两个信号的幅值比值，获得两个端口的灵敏度幅值乘积；
S7：根据两次测量试验得到灵敏度幅值比值与乘积，可以计算得到互易压电加速度计两个端口的灵敏度幅值，实现互易压电加速度计的现场校准，并保存与显示灵敏度校准结果。
对于测量试验中信号采集设备的两个通道在测量的tj时刻所采集到的信号U1(tj)与U2(tj)，分别采用如下的正弦逼近法进行拟合：
式中：ωv为振动角频率，参数A1、B1及C1，A2、B2及C2为待求解的正弦拟合系数，通过分别求解对应的N个方程获得；
利用参数A1、B1及A2、B2得到两个通道所采集到的信号峰值
与
为：
所述互易压电加速度计的现场校准得到两端口灵敏度幅值Sa1、Sa2，由两次试验的测量信号幅值比u1、u2确定，具体如下：
参数
与
的上标单撇号和双撇号分别表示振动试验与互易试验中采集设备的两个通道测量到的信号幅值，c为自校准系数，由互易压电加速度计自身结构参数决定，其作为已知值；得到两端口加速度灵敏度幅值Sa1、Sa2为：
一种用于互易压电加速度计的现场校准装置，包括：振动激励装置(1)、工作台面(2)、互易压电加速度计(3)、数据采集设备(4)、摄像机固定设备(5)、摄像机(6)、图像传输设备(7)、图像处理与显示单元(8)；低频两分量振动台(1)的工作台面(2)提供平面内任意轨迹的运动；高对比度特征标志(3)紧固于工作台面(2)，二者具有一致的运动特性；照明设备(4)为摄像机(6)提供照明；摄像机固定设备(5)用于固定摄像机(6)，使其光轴垂直于高对比度特征标志(3)；摄像机(6)用于采集高对比度特征标志(3)的运动序列图像；图像传输设备(7)传输采集的运动序列图像；图像处理与显示单元(8)处理已采集的运动序列图像，保存与显示平面运动位移及轨迹测量结果。
本发明用于互易压电加速度计的现场校准方法具有如下优势：
⑴本发明方法对装置设备及校准技术要求低，适合应用于工程现场之中，，可以解决目前振动传感器无法定期进行校准的问题。
⑵本发明方法应用成本低、校准精度高，对于不同频率范围下的互易压电加速度计现场高精度校准只需振动激励设备和信号发生、处理装置。
⑶本发明方法操作步骤简单，只需通过对两次试验的电学量信号的测量即可实现高精度的现场校准，避免了对复杂机械量的测量。
⑷本发明方法属于振动校准方法，并基于互易法的校准原理，能够实现互易压电加速度计在一定频率范围内的现场校准。
⑸本发明方法将通过两次试验测量互易压电加速度计两端口的灵敏度幅值比值和乘积，通过对校准理论的进一步研究有利于互易压电加速度计的现场校准溯源。
附图说明
附图1为本发明方法具体实施实例装置示意图；
附图2为一种用于互易压电加速度计现场校准方法流程图。
具体实施方式
为解决现有振动传感器校准方法存在系统复杂、成本高、灵活性差、无法满足现场校准的问题，本发明提供了一种用于互易压电加速度计的现场校准方法，本发明方法通过两次试验测量得到互易压电加速度计两端口的灵敏度幅值比值和乘积实现了5-4000Hz频率范围内互易压电加速度计高精度现场校准，下面结合附图和具体的实施实例对本发明做出详细描述。
参考图1为本发明方法的实施实例装置示意图，该装置主要包括：振动激励设备(1)、互易压电加速度计(2)、数据采集设备(3)、信号发生设备(4)、信号处理与显示单元(5)。其特征在于：在振动试验中振动激励设备(1)受到信号发生设备(4)正弦激励驱动，提供安装于工作台面的互易压电加速度计(2)正弦振动激励；数据采集设备(3)采集互易压电加速度计(2)驱动端口与信号端口的输出信号；信号处理与显示单元(5)处理采集的输出信号，保存测量结果；在互易试验中信号发生设备(4)正弦激励互易压电加速度计(2)的驱动端口；数据采集设备(3)采集激励信号与互易压电加速度计(2)信号端口输出信号；信号处理与显示单元(5)处理采集的输出信号，保存与显示最终的校准结果。
参考图2为一种用于互易压电加速度计现场校准方法的流程图。本发明校准方法主要包括以下步骤：
步骤S1：将互易压电加速度计的安装底座紧固于振动激励设备的运动平面，振动激励设备在三分之一倍频程并且输出振幅只需满足大于互易压电加速度计信号输出最小信噪比的条件下输出正弦振动激励；
步骤S2：在正弦振动激励下，利用数据采集设备采集互易压电加速度计驱动端口与信号端口的输出信号，送至上位机进行信号处理；
步骤S3：基于信号的正弦拟合方法，获得互易压电加速度计驱动端口和信号端口的输出信号的幅值，并计算两个端口输出信号的幅值比值，获得两个端口的灵敏度幅值比值；
步骤S4：将互易压电加速度计的静置于一个稳定的工作平面，信号发生设备的输出端口连接互易压电加速度计的驱动端口，在三分之一倍频程并且输出电压为1-5V的条件下输出正弦电压激励；
步骤S5：在正弦电压激励下，利用数据采集设备采集互易压电加速度计驱动端口的电激励信号和信号端口的输出信号，送至上位机进行信号处理；
步骤S6：基于信号的正弦拟合方法，获得互易压电加速度计驱动端口电激励信号与信号端口输出信号的幅值，并计算两个信号的幅值比值，获得两个端口的灵敏度幅值乘积；
步骤S7：根据两次测量试验得到灵敏度幅值比值与乘积，可以计算得到互易压电加速度计两个端口的灵敏度幅值，实现互易压电加速度计的现场校准，并保存与显示灵敏度校准结果。
本实施实例装置的具体参数为：频率范围为5～20000Hz、最大峰值加速度为20g的高频振动台，互易压电加速度计选用剪切型结构、双端口、适用中低频范围的加速度计，信号发生设备选用上限输出频率60M Hz、采样率为200MSa/s、垂直分辨率14bits的波形发生器，数据采集设备选用24位ADC、102.4K Hz采样率的便携式采集仪。
为验证本发明一种用于互易压电加速度计现场校准方法的精度，利用本发明方法实现了5～4000Hz频率范围内互易压电加速度计的高精度现场校准。表1所示为本发明方法具体实施实例与激光干涉法在5-4000Hz频率范围内分别对互易压电加速度计的校准结果。由表1的结果可知，本发明现场校准方法与激光干涉法的测量结果相似，信号端口灵敏度Sa1最大相对偏差约为2％，驱动端口灵敏度Sa2最大相对偏差约为4％。
表1现场校准方法与激光干涉法的平面运动位移测量结果
上述描述为本发明实施实例的详细介绍，其并非用于对本发明作任何形式上的限定。本领域相关技术人员可在本发明的基础上可做出一系列的优化、改进及修改等。因此，本发明的保护范围应由所附权利要求来限定。
Claims (4)
1.一种用于互易压电加速度计的现场校准方法，其特征在于：所述校准方法包括以下步骤，
S1：将互易压电加速度计的安装底座紧固于振动激励设备的运动平面，振动激励设备在三分之一倍频程并且输出振幅只需满足大于互易压电加速度计信号输出最小信噪比的条件下输出正弦振动激励；
S2：在正弦振动激励下，利用数据采集设备采集互易压电加速度计驱动端口与信号端口的输出信号，送至上位机进行信号处理；
S3：基于信号的正弦拟合方法，获得互易压电加速度计驱动端口与信号端口输出信号的幅值，并计算两个端口输出信号的幅值比值，获得两个端口的灵敏度幅值比值；
S4：将互易压电加速度计的静置于一个稳定的工作平面，信号发生设备的输出端口连接互易压电加速度计的驱动端口，在三分之一倍频程并且输出电压为1-5V的条件下输出正弦电压激励；
S5：在正弦电压激励下，利用数据采集设备采集互易压电加速度计驱动端口的电激励信号和信号端口的输出信号，送至上位机进行信号处理；
S6：基于信号的正弦拟合方法，获得互易压电加速度计驱动端口电激励信号与信号端口输出信号的幅值，并计算两个信号的幅值比值，获得两个端口的灵敏度幅值乘积；
S7：根据两次测量试验得到灵敏度幅值比值与乘积，可以计算得到互易压电加速度计两个端口的灵敏度幅值，实现互易压电加速度计的现场校准，并保存与显示灵敏度校准结果。
2.根据权利要求1所述的一种用于互易压电加速度计的现场校准方法，其特征在于：
对于测量试验中信号采集设备的两个通道在测量的tj时刻所采集到的信号U1(tj)与U2(tj)，分别采用如下的正弦逼近法进行拟合：
式中：ωv为振动角频率，参数A1、B1及C1，A2、B2及C2为待求解的正弦拟合系数，通过分别求解对应的N个方程获得；
利用参数A1、B1及A2、B2得到两个通道所采集到的信号峰值
与
为：
3.根据权利要求1所述的一种用于互易压电加速度计的现场校准方法，其特征在于：
所述互易压电加速度计的现场校准得到两端口灵敏度幅值Sa1、Sa2，由两次试验的测量信号幅值比u1、u2确定，具体如下：
参数
与
的上标单撇号和双撇号分别表示振动试验与互易试验中采集设备的两个通道测量到的信号幅值，c为自校准系数，由互易压电加速度计自身结构参数决定，其作为已知值；得到两端口加速度灵敏度幅值Sa1、Sa2为：
4.一种利用权利要求1-3任一所述的用于互易压电加速度计的现场校准装置，其特征在于：包括：振动激励装置(1)、工作台面(2)、互易压电加速度计(3)、数据采集设备(4)、摄像机固定设备(5)、摄像机(6)、图像传输设备(7)、图像处理与显示单元(8)；低频两分量振动台(1)的工作台面(2)提供平面内任意轨迹的运动；高对比度特征标志(3)紧固于工作台面(2)，二者具有一致的运动特性；照明设备(4)为摄像机(6)提供照明；摄像机固定设备(5)用于固定摄像机(6)，使其光轴垂直于高对比度特征标志(3)；摄像机(6)用于采集高对比度特征标志(3)的运动序列图像；图像传输设备(7)传输采集的运动序列图像；图像处理与显示单元(8)处理已采集的运动序列图像，保存与显示平面运动位移及轨迹测量结果。
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