本實(shí)用新型涉及振動(dòng)計(jì)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(cè)和工程測(cè)振領(lǐng)域中，常需要大量的測(cè)振傳感器對(duì)地面，工程結(jié)構(gòu)，機(jī)械設(shè)備進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。比如在強(qiáng)震觀測(cè)方面，全球用于地震動(dòng)觀測(cè)的數(shù)據(jù)超過3萬(wàn)臺(tái)，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)和環(huán)境振動(dòng)監(jiān)測(cè)中所布設(shè)的傳感器更是遠(yuǎn)高于這個(gè)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(chǎng)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(hào)還是單位脈沖信號(hào)，都無法保證高頻段的信噪比，只適合于長(zhǎng)周期的校準(zhǔn)；

2.傳統(tǒng)的使用正弦信號(hào)進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，盡管可以調(diào)節(jié)輸入信號(hào)保證高頻段的信噪比，但實(shí)際的測(cè)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(hào)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：

本實(shí)用新型的目的在于克服現(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)。

本實(shí)用新型通過以下的方案實(shí)現(xiàn)：一種用于磁電式傳感器的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)系統(tǒng)，包括數(shù)字采集儀、校準(zhǔn)電路和信號(hào)處理裝置；

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

所述數(shù)字采集儀的電壓信號(hào)輸出端用于與所述驅(qū)動(dòng)校準(zhǔn)電路的激勵(lì)信號(hào)輸出端連接，所述校準(zhǔn)電路的激勵(lì)信號(hào)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(hào)輸出端與所述數(shù)字采集儀的第一信號(hào)輸入端連接；

所述數(shù)字采集儀的第二信號(hào)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(dòng)信號(hào)；

所述信號(hào)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(hào)。

作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步改進(jìn)，所述數(shù)字采集儀包括信號(hào)源，用于產(chǎn)生電壓信號(hào)。

作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步改進(jìn)，所述校準(zhǔn)電路包括一個(gè)電阻，該電阻的一端為接地端，與所述信號(hào)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(hào)源的正端共同構(gòu)成校準(zhǔn)電路的激勵(lì)信號(hào)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(hào)輸出端口，并與所述數(shù)字采集儀連接。

作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步改進(jìn)，所述信號(hào)處理裝置包括：

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

峰值檢測(cè)模塊，用于檢測(cè)信號(hào)的峰值；

靈敏度計(jì)算模塊，用于計(jì)算磁電式傳感器的靈敏度大小。

作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步改進(jìn)，所述電阻為金屬膜電阻。

綜上所述，通過本實(shí)用新型的校準(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(jiǎn)單，攜帶方便，并可用于傳感器的在線校準(zhǔn)；

2、本實(shí)用新型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(shí)，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)說明本實(shí)用新型。

附圖說明

圖1是本實(shí)用新型的磁電式傳感器校準(zhǔn)系統(tǒng)的連接框圖。

圖2是本實(shí)用新型的校準(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(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本實(shí)用新型的實(shí)施方式不限于此。

請(qǐng)參閱圖1，其為本實(shí)用新型的磁電式傳感器校準(zhǔn)系統(tǒng)的連接框圖。

本實(shí)用新型提供了一種用于磁電式傳感器的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)系統(tǒng)，包括數(shù)字采集儀1、校準(zhǔn)電路2、信號(hào)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(hào)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(hào)，并將其發(fā)送至信號(hào)處理裝置3中進(jìn)行處理，最終計(jì)算出磁電式傳感器的電靈敏度。以下具體介紹本實(shí)用新型的電磁式傳感器校準(zhǔn)系統(tǒng)的電路連接示意圖。

本實(shí)用新型采用的數(shù)字采集儀1設(shè)有電壓信號(hào)輸出端P1、第一信號(hào)輸入端CH1、第二信號(hào)輸入端CH2；所述校準(zhǔn)電路2設(shè)有電壓信號(hào)輸入端P2、激勵(lì)信號(hào)輸出端P3和校準(zhǔn)信號(hào)輸出端P4。所述信號(hào)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(hào)源，用于產(chǎn)生電壓信號(hào)，并通過所述電壓信號(hào)輸出端P1與所述驅(qū)動(dòng)校準(zhǔn)電路2的電壓信號(hào)輸入端P2連接，所述校準(zhǔn)電路的激勵(lì)信號(hào)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(hào)輸出端P4與所述數(shù)字采集儀1的第一信號(hào)輸入端CH1連接。所述數(shù)字采集儀的第二信號(hào)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(dòng)信號(hào)。

所述信號(hào)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(hào)。其中，所述信號(hào)處理裝置3可以是一個(gè)安裝有信號(hào)處理軟件的終端設(shè)備，比如：電腦等。

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

所述數(shù)字濾波模塊，用于對(duì)數(shù)字采集儀的兩路信號(hào)進(jìn)行濾波處理。具體的，本實(shí)用新型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(cè)模塊，用于檢測(cè)信號(hào)的峰值。

所述靈敏度計(jì)算模塊，用于計(jì)算磁電式傳感器的靈敏度大小。

本實(shí)用新型中具體通過軟件調(diào)整信號(hào)發(fā)生器的頻率和幅值，用以測(cè)量不同頻率下的傳感器靈敏度。

請(qǐng)同時(shí)參閱圖2，其為本實(shí)用新型的校準(zhǔn)電路的電路圖。進(jìn)一步具體介紹本實(shí)用新型所采用的校準(zhǔn)電路的具體構(gòu)成。本實(shí)用新型的所述校準(zhǔn)電路只包括一個(gè)電阻，該電阻的一端為接地端，與所述信號(hào)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(hào)源的正端共同構(gòu)成校準(zhǔn)電路的激勵(lì)信號(hào)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(hào)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(hào)和傳感器電壓輸出信號(hào)傳輸至電腦中的處理軟件，從而計(jì)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(chǎng)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)一步闡述本實(shí)用新型的原理及優(yōu)點(diǎn)。

首先，一般無源磁電式振動(dòng)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(dòng)臺(tái)可動(dòng)部分運(yùn)動(dòng)位移；

e——傳感器電壓輸出信號(hào)；

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

m——傳感器可動(dòng)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(jiǎn)化為：

而一般的校準(zhǔn)方法，是直接將電壓信號(hào)供給校準(zhǔn)線圈，這樣做會(huì)又與線圈電感的影響使得流過線圈的電流與電壓信號(hào)的比值隨頻率變化，眾所周知，通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)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(chǎng)力，就會(huì)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(hào)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(gè)常數(shù)，因此這樣的方法理論上存在誤差。

本實(shí)用新型通過測(cè)量校準(zhǔn)電路(參考附圖2)中一個(gè)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(hào)，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(gè)常系數(shù)，因此本實(shí)用新型從理論上杜絕了校準(zhǔn)誤差。

綜上所述，通過本實(shí)用新型的校準(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(jiǎn)單，攜帶方便，并可用于傳感器的在線校準(zhǔn)；

2、本實(shí)用新型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(shí)，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)施例為本實(shí)用新型較佳的實(shí)施方式，但本實(shí)用新型的實(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實(shí)用新型的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。