CN202614956U - 一种检波器参数测试装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种检波器参数测试装置，其解决了目前测试仪无法实现对过阻尼检波器的参数测试的技术问题。其包括控制、运算处理装置，A/D、D/A采集模块，滤波驱动模块，测试器和隔振装置。其首先给检波器一个阶跃信号，然后采集检波器的阶跃响应信号，计算出阻尼系数、自然频率、灵敏度、电阻；其次给一个正弦信号，然后采集检波器的正弦响应信号，计算出失真度。其可广泛应用于检波器参数检测中。

Description

一种检波器参数测试装置

技术领域

本实用新型涉及一种传感器参数测试装置，具体说是一种检波器参数测试装置。 

背景技术

目前，石油勘探领域使用的地震检波器一般为相对阻尼系数ζ＜1的检波器，这种检波器为欠阻尼地震检波器，目前主要采用SMT200测试仪对各项参数进行测试，SMT200测试仪只能测试小阻尼检波器的参数。随着石油勘探进一步的发展需求，又出现了相对阻尼系数ζ＞1的过阻尼地震检波器，这种过阻尼地震检波器的响应函数呈单峰，避免了采用常规地震检波器时回波信号中存在上下波动的拖尾峰的干扰，特别有利于分辨薄的地质分层，被越来越多的用户所采用，但是由于这种过阻尼地震检波器的响应函数呈单峰，目前的SMT200测试仪无法完成这种过阻尼地震检波器的参数测试，尤其是阻尼系数和频率的测试，因此，对过阻尼检波器各项参数测试研究也受到广泛的重视。迫切需要研制出具有测试精度高一致性好、稳定可靠具有结构紧凑、体积小、重量轻、现场工况下使用方便灵活、价格便宜等优点的测试仪。 

发明内容

本实用新型就是为了解决目前测试仪无法实现对过阻尼检波器的参数测试的技术问题，提供一种检波器参数测试装置。 

本实用新型提供一种检波器的参数测试装置，其包括控制、运算处理装置，用于中央控制和计算处理数据；A/D、D/A采集模块，用于将数字信号转换成模拟信号，以及用于将采模拟信号转换为数字信号；滤波驱动模块，用于调理从所述A/D、D/A采集模块输出的模拟信号，以及用于调理由待测检波器发出的模拟信号；测试器，用于连接检波器和所述滤波驱动模块，传输所述模拟信号；隔振装置，用于放置检波器，实 现检波器与外界振动的隔离。所述滤波驱动模块与所述A/D、D/A采集模块内置于所述控制、运算处理装置内，所述A/D、D/A采集模块通过总线接口与所述控制、运算处理装置交换数据。所述控制、运算处理装置包括人机接口，用于显示器显示、用户输入操作、远程管理等，还包括数据存储、输出，用于数据的统计、存储、打印等。 

优选地，控制、运算处理装置内置ISA总线接口，并设有人机接口；A/D、D/A采集模块是16位的ISA总线接口数据采集板卡；A/D、D/A采集模块通过所述ISA总线接口与所述控制、运算处理装置交换数据。 

为此，本实用新型提供的检波器参数测试方法包括：A、首先由控制、运算处理装置指示A/D、D/A采集模块发出模拟信号，此模拟信号为阶跃信号，该模拟信号经过滤波驱动模块调理后，通过测试器输出给待测检波器以激励其动作。此阶跃信号的直流电压大小为使检波器悬体到达其最大位移的0.5～0.7倍处；如果此直流电压太高，检波器悬体离开平衡位置的距离过大，有可能碰到上下顶盖；电压太低，检波器悬体位移过小，检波器阶跃响应输出为一小信号，其信噪比小，测试结果不可靠，所以参照国外的欠阻尼检波器参数测试仪SMT200的阶跃测试规范要求，此阶跃信号电压的大小为使检波器悬体到达其最大位移的0.5～0.7倍处。B、检波器受到阶跃信号激励动作后，会反馈响应信号，此响应信号通过测试器传输到滤波驱动模块经过调理后，作为阶跃响应信号传输给A/D、D/A采集模块，A/D、D/A采集模块从阶跃响应信号上采集到极大值点的幅值A0及时刻t，再从阶跃响应信号上采集到拐点的幅值A1，这个拐点对应的时刻恰好是2t时刻；C、根据检波器的阶跃响应电压方程： 

$A\left(t\right)=\mathrm{BL}\stackrel{\·}{X}\left(t\right)=\frac{\mathrm{BL}{\mathrm{\ω}}_0{X}_0}{2\sqrt{{\mathrm{\ζ}}^2-1}}{e}^{-\mathrm{\ζ}{\mathrm{\ω}}_{0}t}(-e^{{\mathrm{\ω}}_0\sqrt{{\mathrm{\ζ}}^2-1}t}+e^{-{\mathrm{\ω}}_0\sqrt{{\mathrm{\ζ}}^2-1}t})---\left(1\right)$

其中，上述公式中，BL的乘积电磁感应常数，ω₀为检波器固有角频率，X₀为阶跃发生前，悬体产生稳定的位移，ζ为检波器的相对阻尼系数，由控制、运算处理装置计算出阻尼系数。 

对所述(1)求解，计算出阻尼系数。若ζ＞1，相对阻尼系数的表达式为： $\frac{A0}{A1}=\frac{{(\mathrm{\ζ}+\sqrt{{\mathrm{\ζ}}^2-1})}^{\frac{\mathrm{\ζ}}{\sqrt{{\mathrm{\ζ}}^2-1}}}}{2\mathrm{\ζ}}$

本实用新型中采用牛顿迭代插值法进行求解。其中一个初值为： 

$\mathrm{\ζ}=\frac{e}{2\frac{A0}{A1}}$

本实用新型优选的技术方案还包括步骤D:对所述（1）式求二阶导数进行求解,二阶求导等于0得出下式 

$f_0=\frac{\ln (\mathrm{\ζ}+\sqrt{{\mathrm{\ζ}}^2-1})}{2\mathrm{\πt}\sqrt{{\mathrm{\ζ}}^2-1}}$

，由控制、运算处理装置计算出自然频率。 

本实用新型过阻尼检波器的参数装置及测试方法可以实现过阻尼检波器参数的测量，测试精度高重复性好，稳定可靠具有结构紧凑的优点。装置具有体积小、重量轻、携带方便、价格便宜等优点，和微机的连接方便快捷，DOS或WINDOWS操作界面，人机界面直观友好，可进行数据存储、统计分析、打印，另外还可以进行远程管理。该测试算法简单，易于实现，精度高，测试速度快，从而为过阻尼检波器的测试提供了理论依据、实现算法及其测试装置。 

本实用新型进一步的特征和方面，将在以下参考附图的具体实施方式的描述中，得以清楚地记载。 

附图说明

图1为本实用新型的过阻尼检波器参数测试装置的示意图。 

图2为过阻尼检波器的阶跃响应曲线图。 

图3为本实用新型的参数测试方法流程图。 

图4为本实用新型过阻尼检波器参数测试方法获得的阶跃响应曲线图。 

具体实施方式

以下参照附图，以具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。 

参照图1，本装置中的A/D、D/A采集模块采用的是16位的ISA总线接口的数据采集模块，输出的模拟信号在1V幅度时失真度小于0.01%。在实际测试中也可以根据检波器的不同品种及测试需求可以选用24位或 更高精度的数据采集模块。本装置中的控制、运算处理装置采用的是定制的内置ISA总线接口的一体化工控机，实际应用中也可以结合数据采集模块的总线接口选择合适的上位机。此外总线接口也可以根据需要选择，USB、PCI、PXI等总线接口都可采用。本装置的控制运算处理装置1上还可连接输出及存储装置8等。 

本实施例中，选用的试样为PSA-13A检波器，该检波器经中国测试技术研究院进行鉴定，鉴定值如表1所示。其参数指标为自然频率13±5%Hz，线圈电阻830±5%Ω，速度灵敏度（80Hz）56±5%v/m/s，阻尼1.78±10%，谐波失真≤0.1%。中国测试技术研究院进行鉴定使用的测试装置体积大，测试速度慢，不适合批量测试使用，应用于实验室测试。 

参照图3，具体测试步骤如下： 

第一步，将检波器7固定在隔振装置5上，将检波器7的正负端子接在测试器4上。 

第二步，打开控制、运算处理装置1，在人机接口6测试设置菜单中的检波器机芯指标设置里面设置PSA-13A检波器的参数。PSA-13A检波器的自然频率f₀为13Hz、检波器悬体质量M为11.5g、检波器悬体的最大位移X_M为2mm、检波器的线圈内阻r_c为830Ω、检波器的速度灵敏度S_a为56v/m/s、标定检波器灵敏度的激励频率f_S为80Hz、已知分压电阻R为500Ω。 

在检波器串指标设置机芯是否并联电阻、并联电阻值、串联数、并联数、电缆电阻率、间距电缆长度、引出电缆长度。如果检波器机芯指标和检波器串指标已经在数据库中，测试时只需要打开测试设置菜单选择检波器机芯规格为PSA-13A，检波器串规格为PSA-13A-1*1即可。设置完毕后，点击测试菜单中的开始选项测试选项进入测试界面。 

第三步，测试时首先由控制、运算处理装置1指示A/D、D/A采集模块2发出模拟信号，此模拟信号为阶跃信号，经过滤波驱动模块3调理后，通过测试器4输出给待测检波器7以激励其动作。阶跃信号的大小为使检波器悬体到达其最大位移的0.7倍处。阶跃电压的表达式为： 

$V=\frac{1.4{\mathrm{\πf}}_0{X}_{m}M(r_c+R)}{S_a\sqrt{{\left(\frac{f_0^2-f_S^2}{f_S{f}_0}\right)}^2+{4\mathrm{\ζ}}^2}}$

PSA-13A检波器以上的相关指标都在测试设置数据库中保存，根据数据库中保存的指标根据上式由测试界面可计算出PSA-13A检波器的阶跃测试电压为1.126V。 

检波器受到阶跃信号激励动作后，会反馈响应信号，参照图2过阻尼检波器的阶跃响应曲线图。此响应信号通过测试器4传输到滤波驱动模块3经过调理后，作为阶跃响应信号传输给A/D、D/A采集模块2，A/D、D/A采集模块2从阶跃响应信号上采集到极大值点的幅值A0及时刻t，再从阶跃响应信号上采集到拐点的幅值A1，这个拐点对应的时刻恰好是2t时刻，A/D、D/A采集模块2采集到的信号发送给控制、运算处理装置1，再由控制、运算处理装置1计算出检波器阻尼系数和自然频率，具体的计算算法步骤如下： 

由检波器的阶跃响应电压方程： 

$A\left(t\right)=\mathrm{BL}\stackrel{\·}{X}\left(t\right)=\frac{{\mathrm{BL\ω}}_0{X}_0}{2\sqrt{{\mathrm{\ζ}}^2-1}}{e}^{-{\mathrm{\ζ\ω}}_{0}t}({-e}^{{\mathrm{\ω}}_0\sqrt{{\mathrm{\ζ}}^2-1}}+e^{-{\mathrm{\ω}}_0\sqrt{{\mathrm{\ζ}}^2-1t}})---\left(1\right)$

对（1）式求导，得到： 

$\stackrel{\·}{A}\left(t\right)=\frac{{\mathrm{BL\ω}}_0^2{X}_0}{2\sqrt{{\mathrm{\ζ}}^2-1}}{e}^{-{\mathrm{\ζ\ω}}_{0}t}[(\mathrm{\ζ}-\sqrt{{\mathrm{\ζ}}^2-1})e^{\sqrt{{\mathrm{\ζ}}^2-1}{\mathrm{\ω}}_{0}t}-(\mathrm{\ζ}+\sqrt{{\mathrm{\ζ}}^2-1})e^{-\sqrt{{\mathrm{\ζ}}^2-1}{\mathrm{\ω}}_{0}t}]---\left(2\right)$

当 

时，取幅度极值A0，t时刻满足条件： 

$e^{{\mathrm{\ω}}_0\sqrt{{\mathrm{\ζ}}^2-1}t}=\mathrm{\ζ}+\sqrt{{\mathrm{\ζ}}^2-1}---\left(3\right)$

由（3）式得： 

$e^{-{\mathrm{\ω}}_0\sqrt{{\mathrm{\ζ}}^2-1}t}=\mathrm{\ζ}-\sqrt{{\mathrm{\ζ}}^2-1}---\left(4\right)$

幅值A0为： 

$A0={-\mathrm{BL\ω}}_0{X}_0{e}^{-{\mathrm{\ζ\ω}}_{0}t}---\left(5\right)$

同样的计算方法可得幅值A1为： 

$A1=-2{\mathrm{BL\ω}}_0{X}_0{\mathrm{\ζe}}^{-2{\mathrm{\ζ\ω}}_{0}t}---\left(6\right)$

(5)与(6)两式相除得： 

$\frac{A0}{A1}=\frac{e^{{\mathrm{\ζ\ω}}_{0}t}}{2\mathrm{\ζ}}---\left(7\right)$

若ζ＞1，由（3）式得： 

$e^{{\mathrm{\ζ\ω}}_{0}t}={(\mathrm{\ζ}+\sqrt{{\mathrm{\ζ}}^2-1})}^{\frac{\mathrm{\ζ}}{\sqrt{{\mathrm{\ζ}}^2-1}}}---\left(8\right)$

代入（7）式中，可得 

$\frac{A0}{A1}=\frac{{(\mathrm{\ζ}+\sqrt{{\mathrm{\ζ}}^2-1})}^{\frac{\mathrm{\ζ}}{\sqrt{{\mathrm{\ζ}}^2-1}}}}{2\mathrm{\ζ}}---\left(9\right)$

通过以上推导可以看出，阻尼系数就只与阶跃响应曲线的两个幅值A0和A1有关了，通过计算出这两个点的幅值就可以计算出阻尼系数。在本实用新型中采用牛顿迭代插值法进行求解。对（9）式进一步研究得出： 

$\underset{\mathrm{\ζ}\→1}{\lim }\frac{{(\mathrm{\ζ}+\sqrt{{\mathrm{\ζ}}^2-1})}^{\frac{\mathrm{\ζ}}{\sqrt{{\mathrm{\ζ}}^2-1}}}}{\mathrm{\ζ}}=e---\left(10\right)$

其中一个初值为： 

$\mathrm{\ζ}=\frac{e}{2\frac{A0}{A1}}---\left(11\right)$

对于2t时刻点为拐点，做进一步的解释，对A(t)求二阶导数，可得： 

$\stackrel{\·\·}{A}\left(t\right)=\frac{{\mathrm{BL\ω}}_0^3{X}_0}{2\sqrt{{\mathrm{\ζ}}^2-1}}{e}^{-{\mathrm{\ζ\ω}}_{0}t}[-{(\mathrm{\ζ}-\sqrt{{\mathrm{\ζ}}^2-1})}^2{e}^{{\mathrm{\ω}}_0\sqrt{{\mathrm{\ζ}}^2-1}t}+{(\mathrm{\ζ}+\sqrt{{\mathrm{\ζ}}^2-1})}^2{e}^{-{\mathrm{\ω}}_0\sqrt{{\mathrm{\ζ}}^2-1}t}]---\left(12\right)$

将（3）式和（4）式代入（12）式可得2t时刻的值： 

$\stackrel{\·\·}{A}\left(2t\right)=0---\left(13\right)$

对（13）式求导，得 

$\stackrel{\·\·\·}{A}\left(t\right)=\frac{{\mathrm{BL\ω}}_0^4{X}_0}{2\sqrt{{\mathrm{\ζ}}^2-1}}{e}^{-{\mathrm{\ζ\ω}}_{0}t}[-{(\mathrm{\ζ}-\sqrt{{\mathrm{\ζ}}^2-1})}^3{e}^{{\mathrm{\ω}}_0\sqrt{{\mathrm{\ζ}}^2-1}t}+{(\mathrm{\ζ}+\sqrt{{\mathrm{\ζ}}^2-1})}^3{e}^{-{\mathrm{\ω}}_0\sqrt{{\mathrm{\ζ}}^2-1}t}]---\left(14\right)$

将（3）式和（4）式代入（14）式可得2t时刻的值： 

$\stackrel{\·\·\·}{A}\left(t\right)=-2\mathrm{BL}{\mathrm{\ω}}_0^4{X}_0{\mathrm{\ζe}}^{-2{\mathrm{\ζ\ω}}_{0}t}\≠0---\left(15\right)$

因此2t时刻为阶跃响应曲线上的拐点。 

因ζ＞1，由（12）式可得: 

$f_0=\frac{\ln (\mathrm{\ζ}+\sqrt{{\mathrm{\ζ}}^2-1})}{2\mathrm{\πt}\sqrt{{\mathrm{\ζ}}^2-1}}---\left(16\right)$

求出阻尼系数后，根据（16）式求出检波器自然频率。 

第四步，由控制、运算处理装置1计算出直流电阻和灵敏度，具体的计算算法步骤如下： 

直流电阻和灵敏度的计算公式为： 

$r_c=\frac{V_0}{V-V_0}R$

$S=\sqrt{\frac{2{\mathrm{\πf}}_o{\mathrm{MA}}_o{r}_c}{V_o}{e}^{\frac{{\mathrm{tg}}^{-1}\frac{\sqrt{1-{\mathrm{\ζ}}^2}}{\mathrm{\ζ}}}{\frac{\sqrt{1-{\mathrm{\ζ}}^2}}{\mathrm{\ζ}}}}}$

这两个公式中，式中f₀为检波器的自然频率；M为检波器悬体质量；ζ为阻尼系数；A₀为检波器阶跃响应输出的第一个峰值电压；r_c为检波器的电阻；V₀为加在检波器输出端的稳定直流电压；V为加在分压电阻与检波器上的总电压；R为分压电阻。 

第五步，同理按照第三步的方法给检波器加正弦信号激励，采集检波器的正弦响应信号，测试出失真度。失真度测试时同样参照SMT200的测试规范，在检波器悬体振动速度峰-峰值为0.7英寸/秒时测试失真度。根据数据库中保存的指标可计算出PSA-13A检波器的失真度测试电压为1.188V。所加正弦信号激励的计算公式为： 

$V=\frac{0.00889}{W}\sqrt{{\left[M(r_c+R)\left(\frac{f_0^2-f^2}{f}\right)\right]}^2+4{[M(r_c+R){\mathrm{\ζf}}_0+\mathrm{\π}{W}^2]}^2}$

其中， f_S为厂家标定加速度灵敏度时的激 励频率；S_a为速度灵敏度；f₀为检波器的自然频率；M为检波器悬体质量；ζ为最终阻尼比；r_c为检波器的内阻；R为分压电阻；f为正弦激励频率，按测试规范要求取值：当f₀＜12Hz时，取f＝12Hz，当f₀＞12Hz时，取f＝f₀。 

失真度的计算公式为： 

$d=\frac{\sqrt{A_2^2+A_3^2}}{A_1}$

式中，A₁为基波分量，A₂为二次谐波分量，A₃为三次谐波分量。 

第六步，控制、运算处理装置1存储阻尼系数、自然频率、直流电阻、灵敏度、失真度的测试值。可以从测试界面查看测试结果，也可以查看检波器的阶跃响应曲线、幅频、相频曲线，还可以通过打印机打印数据进行分析。参照图4为为本实用新型过阻尼检波器参数测试方法获得的阶跃响应曲线图。 

此样件的最终测试值如表1所示。 

表1 

测试项目	指标	鉴定值	仪器测试值
				自然频率（Hz）	13±5%	13.02	13.07
线圈电阻（Ω）	830±5%	836	835
				速度灵敏度（80Hz）（v/m/s）	56±5%	55.26	54.38
阻尼	1.78±10%	1.794	1.861
				谐波失真（%）	≤0.1	0.03	0.04

此样件的测试值均在指标范围内，为合格品。 

本实用新型的过阻尼检波器参数测试装置达到的技术指标如表2所示： 

表2 

技术指标	测试范围	测试精度	分辨率
				自然频率	1～100Hz	±1％	0.01Hz
直流电阻	20～9999Ω	±1％	1Ω(0.1Ω,<100Ω)
				阻尼系数	0.05～0.85	±0.01	0.001
灵敏度	0～1000V/m/s	±2％	0.1V/m/s
				失真度	0.02％～10％	±0.05％	0.01％

本装置不仅可以进行过阻尼检波器参数测试，还可以针对常见小阻尼检波器进行参数测试；不仅可以进行单只检波器机芯的测试，还可以对检波器组合串进行测试。本装置对检波器参数涉及到的指标都能进行测试，包括阻尼系数、自然频率、直流电阻、灵敏度、失真度。工控机人机交互功能很强，对于开发的新品种检波器，可以通过用户自行输入参数添加到测试仪数据库中进行新品种检波器的测试。对于组合串，不同的电缆线，不同间距，不同引出线都可以在设置选项里面进行更改设置。测试完毕后，工控机自动保存测试结果。可以从测试界面查看测试结果，也可以查看检波器的阶跃响应曲线、幅频、相频曲线。测试数据可以统计分析，也可以打印，便于检波器开发及使用人员对检波器的性能进行分析。本装置对常见小阻尼检波器参数测试达到与国外同类产品SMT200同样的精度。 

Claims (2)

1.一种检波器参数测试装置，其特征是包括:

控制、运算处理装置，用于中央控制和计算处理数据；

A/D、D/A采集模块，用于将数字信号转换成模拟信号，以及用于将模拟信号变为数字信号；

滤波驱动模块，用于调理从所述A/D、D/A采集模块输出的模拟信号，以及用于调理由检波器发出的模拟信号；

所述滤波驱动模块与所述A/D、D/A采集模块内置于所述控制、运算处理装置内；

测试器，用于连接检波器和所述滤波驱动模块，传输所述模拟信号；

隔振装置，用于放置检波器，实现检波器与外界振动的隔离。

2.根据权利要求1所述的检波器参数测试装置，其特征在于：

所述控制、运算处理装置内置ISA总线接口，并设有人机接口；

所述A/D、D/A采集模块是16位的ISA总线接口数据采集板卡；

所述A/D、D/A采集模块通过所述ISA总线接口与所述控制、运算处理装置交换数据。

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