本發(fā)明涉及振動計量校準(zhǔn)領(lǐng)域，特別是一種磁電式傳感器校準(zhǔn)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

在地震檢測和工程測振領(lǐng)域中，常需要大量的測振傳感器對地面，工程結(jié)構(gòu)，機(jī)械設(shè)備進(jìn)行長期監(jiān)測。比如在強(qiáng)震觀測方面，全球用于地震動觀測的數(shù)據(jù)超過3萬臺，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和環(huán)境振動監(jiān)測中所布設(shè)的傳感器更是遠(yuǎn)高于這個數(shù)字，而且這些傳感器往往要持續(xù)工作數(shù)年，因此其現(xiàn)場校準(zhǔn)技術(shù)具有大量的現(xiàn)實(shí)需求。目前存在的可用于磁電式傳感器的校準(zhǔn)的技術(shù)存在著一下問題：

1.高頻部分抗干擾能力差，無論是使用階躍信號還是單位脈沖信號，都無法保證高頻段的信噪比，只適合于長周期的校準(zhǔn)；

2.傳統(tǒng)的使用正弦信號進(jìn)行校準(zhǔn)時，盡管可以調(diào)節(jié)輸入信號保證高頻段的信噪比，但實(shí)際的測試結(jié)果在高頻段的誤差可達(dá)30％，無法用來作為判斷傳感器是否損壞的依據(jù)；

3.白噪聲和偽隨機(jī)二進(jìn)制信號抗干擾強(qiáng)，但是需要知道傳感器的頻率特性或傳遞函數(shù)完成卷積運(yùn)算。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提供了一種磁電式傳感器校準(zhǔn)系統(tǒng)。

本發(fā)明通過以下的方案實(shí)現(xiàn)：一種用于磁電式傳感器的現(xiàn)場校準(zhǔn)系統(tǒng)，包括數(shù)字采集儀、校準(zhǔn)電路和信號處理裝置；

所述數(shù)字采集儀設(shè)有電壓信號輸出端、第一信號輸入端、第二信號輸入端；所述校準(zhǔn)電路設(shè)有激勵信號輸出端和校準(zhǔn)信號輸出端；

所述數(shù)字采集儀的電壓信號輸出端用于與所述驅(qū)動校準(zhǔn)電路的激勵信號輸出端連接，所述校準(zhǔn)電路的激勵信號輸出端，用于與待校準(zhǔn)的磁電式傳感器連接；所述校準(zhǔn)電路校準(zhǔn)信號輸出端與所述數(shù)字采集儀的第一信號輸入端連接；

所述數(shù)字采集儀的第二信號輸入端用于與待校準(zhǔn)的磁電式傳感器連接，并接收磁電式傳感器的振動信號；

所述信號處理裝置與所述數(shù)字采集儀連接，用于接收處理所述數(shù)字采集儀的兩路信號。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述數(shù)字采集儀包括信號源，用于產(chǎn)生電壓信號。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述校準(zhǔn)電路包括一個電阻，該電阻的一端為接地端，與所述信號源的接地端共地；所述電阻的另一端為非接地端，與所述信號源的正端共同構(gòu)成校準(zhǔn)電路的激勵信號輸出端口；所述電阻的接地端和非接地端共同構(gòu)成校準(zhǔn)信號輸出端口，并與所述數(shù)字采集儀連接。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述信號處理裝置包括：

數(shù)字濾波模塊，用于對數(shù)字采集儀的兩路信號進(jìn)行濾波處理；

峰值檢測模塊，用于檢測信號的峰值；

靈敏度計算模塊，用于計算磁電式傳感器的靈敏度大小。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述電阻為金屬膜電阻。

綜上所述，通過本發(fā)明的校準(zhǔn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了以下技術(shù)效果：

1、校準(zhǔn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，攜帶方便，并可用于傳感器的在線校準(zhǔn)；

2、本發(fā)明成功解決了磁電式傳感器在使用正弦穩(wěn)態(tài)法校準(zhǔn)時，高頻段精度低的問題，從原理上消除了校準(zhǔn)誤差，從實(shí)際操作上減小了誤差。

為了更好地理解和實(shí)施，下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的磁電式傳感器校準(zhǔn)系統(tǒng)的連接框圖。

圖2是本發(fā)明的校準(zhǔn)電路的電路圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合實(shí)施例及附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。

請參閱圖1，其為本發(fā)明的磁電式傳感器校準(zhǔn)系統(tǒng)的連接框圖。

本發(fā)明提供了一種用于磁電式傳感器的現(xiàn)場校準(zhǔn)系統(tǒng)，包括數(shù)字采集儀1、校準(zhǔn)電路2、信號處理裝置3和待校準(zhǔn)的磁電式傳感器4。所述數(shù)字采集儀1分別與校準(zhǔn)電路2、磁電式傳感器4和信號處理裝置連接。所述數(shù)字采集儀1通過采集校準(zhǔn)電路2和磁電式傳感器4的信號，并將其發(fā)送至信號處理裝置3中進(jìn)行處理，最終計算出磁電式傳感器的電靈敏度。以下具體介紹本發(fā)明的電磁式傳感器校準(zhǔn)系統(tǒng)的電路連接示意圖。

本發(fā)明采用的數(shù)字采集儀1設(shè)有電壓信號輸出端P1、第一信號輸入端CH1、第二信號輸入端CH2；所述校準(zhǔn)電路2設(shè)有電壓信號輸入端P2、激勵信號輸出端P3和校準(zhǔn)信號輸出端P4。所述信號處理裝置3通過USB接口與數(shù)字采集儀連接。所述磁電式傳感器4設(shè)有校準(zhǔn)線圈端口P7和主線圈端口P8。

所述數(shù)字采集儀1內(nèi)設(shè)有信號源，用于產(chǎn)生電壓信號，并通過所述電壓信號輸出端P1與所述驅(qū)動校準(zhǔn)電路2的電壓信號輸入端P2連接，所述校準(zhǔn)電路的激勵信號輸出端P3與磁電式傳感器4的校準(zhǔn)線圈端P7連接。所述校準(zhǔn)電路校準(zhǔn)信號輸出端P4與所述數(shù)字采集儀1的第一信號輸入端CH1連接。所述數(shù)字采集儀的第二信號輸入端CH2與磁電式傳感器4的主線圈端P8連接，并接收磁電式傳感器的振動信號。

所述信號處理裝置3通過USB接口與所述數(shù)字采集儀1連接，用于接收處理所述數(shù)字采集儀的CH1和CH2兩路信號。其中，所述信號處理裝置3可以是一個安裝有信號處理軟件的終端設(shè)備，比如：電腦等。

具體的，所述信號處理裝置包括以下功能模塊：數(shù)字濾波模塊、峰值檢測模塊和靈敏度計算模塊。

所述數(shù)字濾波模塊，用于對數(shù)字采集儀的兩路信號進(jìn)行濾波處理。具體的，本發(fā)明的軟件濾波的頻率一般選擇傳感器上限頻率的兩倍。

所述峰值檢測模塊，用于檢測信號的峰值。

所述靈敏度計算模塊，用于計算磁電式傳感器的靈敏度大小。

本發(fā)明中具體通過軟件調(diào)整信號發(fā)生器的頻率和幅值，用以測量不同頻率下的傳感器靈敏度。

請同時參閱圖2，其為本發(fā)明的校準(zhǔn)電路的電路圖。進(jìn)一步具體介紹本發(fā)明所采用的校準(zhǔn)電路的具體構(gòu)成。本發(fā)明的所述校準(zhǔn)電路只包括一個電阻，該電阻的一端為接地端，與所述信號源的接地端共地。所述電阻的另一端為非接地端，與所述信號源的正端共同構(gòu)成校準(zhǔn)電路的激勵信號輸出端口。所述電阻的接地端和非接地端共同構(gòu)成校準(zhǔn)信號輸出端口，并與所述數(shù)字采集儀連接。

其中，校準(zhǔn)電路的電阻要使用溫度系數(shù)較小的電阻，如金屬膜電阻。

通過上述校準(zhǔn)系統(tǒng)，將校準(zhǔn)電路電壓輸出信號和傳感器電壓輸出信號傳輸至電腦中的處理軟件，從而計算傳感器在選定頻率下的電靈敏度，得到傳感器的幅頻特性響應(yīng)曲線，可以不再將傳感器卸下后校準(zhǔn)，并解決了磁電式傳感器現(xiàn)場校準(zhǔn)技術(shù)中存在的高頻段校準(zhǔn)結(jié)果誤差大的問題。

下面結(jié)合以下公式推導(dǎo)來進(jìn)一步闡述本發(fā)明的原理及優(yōu)點(diǎn)。

首先，一般無源磁電式振動傳感器的傳遞函數(shù)為：

其中，

式(1)與式(2)中各參數(shù)的意義如下：

y——振動臺可動部分運(yùn)動位移；

e——傳感器電壓輸出信號；

G——傳感器主線圈機(jī)電耦合系數(shù)，磁場強(qiáng)度與漆包線繞線長度的乘積；

m——傳感器可動部分質(zhì)量；

R——傳感器采集設(shè)備輸入內(nèi)阻；

R_s——線圈內(nèi)阻

C——傳感器反饋電容；

k——彈性元件剛度；

c——空氣阻尼系數(shù)；

s——拉普拉斯算子。

令：

則，式(1)可簡化為：

而一般的校準(zhǔn)方法，是直接將電壓信號供給校準(zhǔn)線圈，這樣做會又與線圈電感的影響使得流過線圈的電流與電壓信號的比值隨頻率變化，眾所周知，通電導(dǎo)線在磁場中的受力與電流成正比，線圈兩端的電壓便無法正確的反應(yīng)線圈所受到的磁場力，就會導(dǎo)致校準(zhǔn)結(jié)果在高頻段的誤差逐漸加大。以下是傳感器的恒壓校準(zhǔn)的傳遞函數(shù)表達(dá)式：

其中：

W₄＝m[R₂+L₂s] (6)

u為信號源輸出端的電壓，其中R₂為校準(zhǔn)線圈內(nèi)阻，G₂為校準(zhǔn)線圈機(jī)電耦合系數(shù)，L₂為校準(zhǔn)線圈電感，(6)式與(4)式相比，比值不是一個常數(shù)，因此這樣的方法理論上存在誤差。

本發(fā)明通過測量校準(zhǔn)電路(參考附圖2)中一個與校準(zhǔn)線圈串聯(lián)的電阻兩端的電壓值，得到與校準(zhǔn)線圈電流成正比的，可以反應(yīng)校準(zhǔn)線圈實(shí)際加速度的電壓信號，從而使得傳感器的校準(zhǔn)結(jié)果準(zhǔn)確性大大提高。該校準(zhǔn)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：

其中R_c為校準(zhǔn)電路內(nèi)阻。式(7)與式(4)相比只相差一個常系數(shù)，因此本發(fā)明從理論上杜絕了校準(zhǔn)誤差。

綜上所述，通過本發(fā)明的校準(zhǔn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了以下技術(shù)效果：

1、校準(zhǔn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，攜帶方便，并可用于傳感器的在線校準(zhǔn)；

2、本發(fā)明成功解決了磁電式傳感器在使用正弦穩(wěn)態(tài)法校準(zhǔn)時，高頻段精度低的問題，從原理上消除了校準(zhǔn)誤差，從實(shí)際操作上減小了誤差。

上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。