CN115839761A

CN115839761A - 光栅测量动态量标准信号模拟方法、装置和计算系统

Info

Publication number: CN115839761A
Application number: CN202210991350.3A
Authority: CN
Inventors: 张力; 彭军; 赵剑波
Original assignee: Beijing Changcheng Institute of Metrology and Measurement AVIC
Current assignee: Beijing Changcheng Institute of Metrology and Measurement AVIC
Priority date: 2022-08-18
Filing date: 2022-08-18
Publication date: 2023-03-24

Abstract

本申请涉及一种光栅测量动态量标准信号模拟方法、装置和计算系统，采用通用信号发生器模拟光栅、编码器等传感器在动态测量过程中的输出信号，为动态信号采集仪表的调试与校准提供标准和手段。采用模拟仿真所需的动态信号方法，可以在仪表的研制过程中取代实际的测试过程，快速、方便、灵活、准确得到相应的测量信号；可以对仪表及其解算结果进行溯源，将一些物理量直接溯源到电学基本量。

Description

光栅测量动态量标准信号模拟方法、装置和计算系统

技术领域

本公开涉及运动量测量计量技术领域，尤其涉及一种光栅测量动态量标准信号模拟方法、装置和计算系统。

背景技术

在精密振动测量、角振动测量时会以光栅、编码器为传感器，配有动态信号采集仪采集传感器的输出，得到测量结果。

在这个测量结果中既有光栅、编码器的刻划、制造等误差，也有解调仪表的元器件、算法等引入的误差。如何对这些动态信号采集仪表的技术指标进行准确测量与评价，是在动态采集仪表研制、使用和检验中急需解决的问题。

发明内容

为了解决上述问题，本申请提出一种光栅测量动态量标准信号模拟方法、装置和计算系统。

本申请一方面，提出一种光栅测量动态量标准信号模拟方法，包括如下步骤：

配置模拟系统，其中，所述模拟系统用于产生和检测所模拟的光栅测量动态量标准信号；

根据所需模拟的信号要求，设定所述模拟系统中信号发生器的生成信号的波形公式；

确定所述波形公式中的参数，并根据所述参数，确定所述波形公式的表达式；

输入所需模拟的信号参数到所述波形公式的表达式中，获取并保存对应所述信号参数的信号数据。

作为本申请的一可选实施方案，可选地，设定所述模拟系统中信号发生器的生成信号的波形公式，包括：

设定光栅输出信号为正弦波；

构建所述信号发生器生成角振动信号的两通道U₁和U₂的波形公式分别为：

其中：a，b—为两路波形的电压幅值，

G—为光栅的栅距，rad，

f-为角振动频率，单位Hz，

A-为角振动振幅。

作为本申请的一可选实施方案，可选地，确定所述波形公式中的参数，包括：

确定a和b电压值：依据所需模拟的光栅输出电压值进行确定；

确定G′值：依据所需模拟的光栅为L线/周，则：

rad；

确定f和A：依据所需模拟的角振动频率和幅值来确定f和A；一个振动周期峰峰值内包含光栅线数n为：

确定t：t＝i·Δt；其中：

i—任意波发生器产生的数据序号，

Δt—任意波发生器数据更新率，单位s；

确定数据更新率：

其中：

N--为一个振动周期内所需的数据点数，N＝m·n，

m--为一个振动周期中每个栅距上的平均采样点数。

作为本申请的一可选实施方案，可选地，根据所述参数确定的所述波形公式的表达式，为：

其中，i＝0，1，2，…，N。

作为本申请的一可选实施方案，可选地，U₁和U₂的波形公式的构建方法，包括：

设定动态角位移信号的表达式：θ＝f(t)(1)；

转换公式(1)，得到正弦角位移信号的表达式：θ＝Asin(2πft)(2)；

其中：f-角振动频率，单位Hz；

A-振幅，单位rad。

作为本申请的一可选实施方案，可选地，U₁和U₂的波形公式的构建方法，还包括：

分别构建所述信号发生器两通道U₁和U₂，初级输出的角振动信号的波形公式：

其中，a和b分别为两通道U₁和U₂的电压信号的幅值；

为电信号的相移，单位rad；角位移信号与电信号的相移之间的相应关系表示为：

其中，G为光栅的栅距，单位rad；

结合公式(2)和(5)，计算得到电信号的相移为：

将公式(6)代入公式(3)和(4)，分别得到所述信号发生器生成角振动信号的两通道U₁和U₂的波形公式：

其中：a，b—为两路波形的电压幅值，

G—为光栅的栅距，rad，

f-为角振动频率，单位Hz，

A-为角振动振幅。

作为本申请的一可选实施方案，可选地，两路波形的电压幅值：a＝b＝1V。

本申请另一方面，提出一种实现所述的光栅测量动态量标准信号模拟方法的装置，包括：

信号发生器，用于通过所配置的生成信号的波形公式，根据所需模拟的信号要求产生所模拟的光栅测量动态量标准信号，并将信号输出；

示波器，用于接收并检测所述信号，检测无误收将信号输出至信号动态信号采集仪；

动态信号采集仪，用于接收所述信号并保存。

作为本申请的一可选实施方案，可选地，所述信号发生器为双通道高信号发生器，对应的所述示波器为双通道示波器。

本申请另一方面，还提出一种计算系统，包括：

处理器；

用于存储处理器可执行指令的存储器；

其中，所述处理器被配置为执行所述可执行指令时实现所述的光栅测量动态量标准信号模拟方法。

本发明的技术效果：

基于本申请的实施方案，通过光栅测量运动量标准信号模拟方法，将一台双通道高精度信号发生器与一台双通道示波器连接，根据所需模拟的信号要求，构建光栅测量运动量的标准波形表达式。确定好所需模拟的光栅线数、光栅信号输出的电压幅度、振动的周期和频率、每个波形需要的采样点数，计算光栅的栅距、振动周期内的波形个数和振动周期内最大采样数和采样更新率，即可按照波形公式产生标准波形数组文件并将文件导入信号发生器，输出后用示波器检测无误后接入到需要测试的动态信号采集仪中，即采用通用仪器实现对光栅测量动态量标准信号的模拟，实现对光栅测量振动和角振动所用动态信号采集仪的校准。

本发明采用通用信号发生器模拟光栅、编码器等传感器在动态测量过程中的输出信号，为动态信号采集仪表的调试与校准提供标准和手段。采用模拟仿真所需的动态信号方法，可以在仪表的研制过程中取代实际的测试过程，快速、方便、灵活、准确得到相应的测量信号；可以对仪表及其解算结果进行溯源，将一些物理量直接溯源到电学基本量。

根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本公开的其它特征及方面将变得清楚。

附图说明

包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本公开的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本公开的原理。

图1示出为本发明模拟系统的应用组成示意图；

图2示出为本发明光栅测量动态量标准信号模拟方法的实施流程示意图；

图3示出为本发明实施例1中角振动信号通过双通道信号发生器中输出的波形图像示意图。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本公开的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。

另外，为了更好的说明本公开，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本公开同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本公开的主旨。

实施例1

如图1所示，本实施例，装置(下述的“模拟系统”)采用了一标准信号产生子系统，用于产生标准信号。

标准信号产生子系统优选采用双通道的设备，包括一台双通道信号发生器和一台双通道示波器，可以产生和检测所模拟的光栅测量动态量标准信号。

将标准信号产生子系统中的信号发生器先连接到示波器上，根据所需模拟的信号要求，构建通道输出波形的标准波形表达式。

在确定好所需模拟的光栅线数、光栅信号输出的电压幅度、振动的周期和频率、每个波形需要的采样点数，计算光栅的栅距、振动周期内的波形个数和振动周期内最大采样数和采样更新率后，输入波形公式，即可产生标准波形数组文件。将文件导入信号发生器，产生信号并输出，并用示波器检测无误后接入到需要测试的动态信号采集仪中，即可实现信号模拟。

下面将具体描述该装置的实施方法。

如图2所示，本申请一方面，提出一种光栅测量动态量标准信号模拟方法，包括如下步骤：

S100、配置模拟系统，其中，所述模拟系统用于产生和检测所模拟的光栅测量动态量标准信号；

首先，需要配置模拟系统。测试人员选择好所需要的测试设备，并安装模拟系统，连接被动态信号采集仪。

如图1所示，本实施例优选双通道的信号发生器和一台双通道示波器，可以产生和检测所模拟的光栅测量动态量标准信号。将模拟系统信号发生器的通道1和通道2首先连接到示波器的两个测量通道上。信号发生器上电，通道1和通道2在不输出状态。

S200、根据所需模拟的信号要求，设定所述模拟系统中信号发生器的生成信号的波形公式；

配置完毕，根据所需模拟的信号的类型，需要测试人员具体确定光栅测量的动态量。本实施例，将以角振动为例进行测量。具体将在下述描述。确定好动态量后，需要建立对应动态量的模拟公式。

S300、确定所述波形公式中的参数，并根据所述参数，确定所述波形公式的表达式；

当确定好动态量的模拟公式中的各个参数时，即可进行计算，得到相应动态量的模拟信号的模拟数据，即信号值。

S400、输入所需模拟的信号参数到所述波形公式的表达式中，获取并保存对应所述信号参数的信号数据。

得到信号值后，将其输入示波器进行显示并进行检测，判断信号值是否有误，若无则输送至动态信号采集仪中。

根据不同的动态量，可以设定并配置不同的信号波形公式，具体由测试人员进行设定。

本实施例，以角振动为例，假设光栅输出信号为正弦，接下来，设定所述模拟系统中信号发生器的生成角振动信号的波形公式。

设定光栅输出信号为正弦波；

其中：a，b—为两路波形的电压幅值，

G—为光栅的栅距，rad，

f-为角振动频率，单位Hz，

A-为角振动振幅。

确定G值：依据所需模拟的光栅为L线/周，则：

rad；

确定t：t＝i·Δt；其中：

i—任意波发生器产生的数据序号，

Δt—任意波发生器数据更新率，单位s；

确定数据更新率：

其中：

N--为一个振动周期内所需的数据点数，N＝m·n，

m--为一个振动周期中每个栅距上的平均采样点数。

其中，i＝0，1，2，...，N。

上述各个公式的具体转换计算，本实施例不做推演。

本实施例，采用双通道系统，上述角振动信号的两通道U₁和U₂的波形公式的具体构建方案，可以是：

设定动态角位移信号的表达式：θ＝f(t)(1)；

其中：f-角振动频率，单位Hz；

A-振幅，单位rad。

在公式(1)中，改变信号输入类型，可以模拟产生不同的运动信号。

其中，a和b分别为两通道U₁和U₂的电压信号的幅值；

其中，G为光栅的栅距，单位rad；

结合公式(2)和(5)，计算得到电信号的相移为：

其中：a，b—为两路波形的电压幅值，

G—为光栅的栅距，rad，

f-为角振动频率，单位Hz，

A-为角振动振幅。

确定上述的各个参数：

1)确定a和b电压值：优选为典型值a＝b＝1V；具体实施时，两路波形的电压幅值可以相同或不同。

2)依据所需模拟的光栅为1800线/周，则：确定光栅栅距G：

rad

(9)；

3)所模拟振动周期f为100Hz，振幅5°即A＝(5×2×π/360)rad，一个振动周期峰峰值内包含光栅线数为：

4)如果希望在一个振动周期内每个光栅栅距内有400个采样点，则一个振动周期内需产生的最大点数为：

i＝m·n＝10000 (11)

所需的更新率为：

5)角振动模拟信号数学表达式为：

U₁＝cos(50π×sin(200πiΔt)) (13)

U₂＝sin(50π×sin(200πiΔt)) (14)

式中，i＝0，1，2，...，10000。

根据公式(13)和(14)，产生两组标准波形的数组文件，并将数据保存到文件中，两个数组产生的图像如图3所示。

信号数据计算完毕，还需要如下步骤：

1、数据文件导入

将生成的数据文件导入到信号发生器中，并在其中用任意波发生功能进行保存。

2、信号输出到示波器

在信号发生器的任意波发生器功能中找到步骤五中所需要导入的文件，此时波形参数自动设置为：采样频率1000kSa/s，幅值1Vp-p，偏置0V，采样点数10000。将信号发生器的两个通道输出，并在示波器上观察波形。

3、信号输出到动态信号采集仪

将信号发生器的信号分别接到动态信号采集仪的信号输入A端和信号输入B端，即完成光栅测量动态量标准信号模拟输出。

通过计算，采用1800线/周的圆光栅，角振动频率为100Hz，角振动幅值为5°。为了得到相位，可增加一台信号发生器，输出振动频率为100Hz，给出1VP-P的标准正弦波。

需要说明的是，尽管以角振动作为示例介绍了如上信号模拟测量方法，但本领域技术人员能够理解，本公开应不限于此。事实上，用户完全可根据实际应用场景灵活设定信号输入类型，以此模拟产生不同的运动信号，只要可以按照上述技术方法实现本申请的技术功能即可。

实施例2

如图2所示，基于实施例1的实施原理，本申请另一方面，提出一种实现所述的光栅测量动态量标准信号模拟方法的装置，包括：

示波器，用于接收并检测所述信号，检测无误后，将信号输出至信号动态信号采集仪；

动态信号采集仪，用于接收所述信号并保存。

本实施例，装置采用了一标准信号产生子系统，用于产生标准信号。

上述装置的具体使用与应用原理，参见实施例1，本实施例不再赘述。

显然，本领域的技术人员应该明白，实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成的，程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各控制方法的实施例的流程。上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成的，程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各控制方法的实施例的流程。其中，存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-OnlyMemory，ROM)、随机存储记忆体(RandomAccessMemory，RAM)、快闪存储器(FlashMemory)、硬盘(HardDiskDrive，缩写：HDD)或固态硬盘(Solid-StateDrive，SSD)等；存储介质还可以包括上述种类的存储器的组合。

实施例3

更进一步地，本申请另一方面，还提出一种计算系统，包括：

处理器；

用于存储处理器可执行指令的存储器；

本公开实施例来计算系统包括处理器以及用于存储处理器可执行指令的存储器。其中，处理器被配置为执行可执行指令时实现前面任一所述的一种光栅测量动态量标准信号模拟方法及装置。

此处，应当指出的是，处理器的个数可以为一个或多个。同时，在本公开实施例的计算系统中，还可以包括输入装置和输出装置。其中，处理器、存储器、输入装置和输出装置之间可以通过总线连接，也可以通过其他方式连接，此处不进行具体限定。

存储器作为一计算机可读存储介质，可用于存储软件程序、计算机可执行程序和各种模块，如：本公开实施例的一种光栅测量动态量标准信号模拟方法及装置所对应的程序或模块。处理器通过运行存储在存储器中的软件程序或模块，从而执行计算系统的各种功能应用及数据处理。

输入装置可用于接收输入的数字或信号。其中，信号可以为产生与设备/终端/服务器的用户设置以及功能控制有关的键信号。输出装置可以包括显示屏等显示设备。

以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。