本發(fā)明屬于計量測試領(lǐng)域，具體涉及一種壓電式?jīng)_擊波壓力傳感系統(tǒng)低頻段截止頻率檢測方法。

背景技術(shù)：

1、壓電式?jīng)_擊波壓力傳感器具有優(yōu)秀的動態(tài)特性，在動態(tài)信號測試中表現(xiàn)良好，常被用于沖擊波壓力的測試。但是由于調(diào)理電路的阻抗不能做到無窮大，壓電式?jīng)_擊波壓力傳感系統(tǒng)進(jìn)行沖擊波壓力測試的同時常常伴隨著電荷泄露的存在，這導(dǎo)致通常情況下壓電式?jīng)_擊波壓力傳感系統(tǒng)的靜態(tài)特性并不理想。沖擊波壓力傳感系統(tǒng)的低頻截止頻率決定著其工作頻帶的下限，直接影響到壓力信號的測量。對壓電式壓力傳感系統(tǒng)的低頻截止頻率進(jìn)行校驗(yàn)，可以確定工作頻帶的下限，對于保證沖擊波壓力的準(zhǔn)確測試具有重要的意義。

2、現(xiàn)有的針對沖擊波壓力傳感系統(tǒng)的校準(zhǔn)以及檢測技術(shù)主要包括準(zhǔn)靜態(tài)校準(zhǔn)以及動態(tài)校準(zhǔn)。準(zhǔn)靜態(tài)校準(zhǔn)主要是針對傳感系統(tǒng)的靜態(tài)工作特性參數(shù)，并不能獲得傳感器的低頻特性。動態(tài)校準(zhǔn)有激波管校準(zhǔn)、正弦壓力發(fā)生器校準(zhǔn)等校準(zhǔn)方法。激波管試驗(yàn)多針對傳感器的固有頻率等高頻特性進(jìn)行，且由于激波管激勵信號平臺時間有限，測試結(jié)果頻率分別率較低，一般為幾十赫茲到幾百赫茲。壓電式?jīng)_擊波壓力傳感系統(tǒng)的低頻截止頻率多在1hz以下，依靠激波管試驗(yàn)難以獲得低頻段截止頻率。正弦壓力發(fā)生器可以產(chǎn)生不同頻率的正弦壓力，從而獲得壓電式?jīng)_擊波壓力傳感系統(tǒng)對不同頻率下的增益。但正弦壓力發(fā)生器難以產(chǎn)生低頻率的正弦壓力信號，導(dǎo)致采用正弦壓力發(fā)生器難以獲得壓電式?jīng)_擊波壓力傳感系統(tǒng)在低頻段的幅頻特性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種針對壓電式?jīng)_擊波壓力傳感系統(tǒng)低頻特性的檢校方法。該方法基于比對式校準(zhǔn)方法，以脈寬10ms以上的大脈寬近半正弦壓力作為激勵壓力，依靠靜態(tài)特性良好的應(yīng)變式壓力傳感器或者壓阻式壓力傳感器作為標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器組成標(biāo)準(zhǔn)壓力監(jiān)測系統(tǒng)。采用基于chirp-z變換的頻譜細(xì)化算法計算壓電式?jīng)_擊波壓力傳感系統(tǒng)以及標(biāo)準(zhǔn)壓力監(jiān)測系統(tǒng)在激勵壓力下輸出信號的幅值譜以提高計算結(jié)果的頻率分辨率。為降低頻譜泄露對幅值譜計算的影響，計算幅值譜前采用漢寧窗對信號進(jìn)行加窗處理。以標(biāo)準(zhǔn)壓力監(jiān)測系統(tǒng)的輸出作為壓電式?jīng)_擊波壓力傳感系統(tǒng)的輸入壓力，通過計算壓電式?jīng)_擊波壓力傳感系統(tǒng)幅值譜對標(biāo)準(zhǔn)壓力檢監(jiān)測系統(tǒng)輸出的幅值譜的比值可以得到被檢測壓力傳感器在低頻部分的幅頻特性曲線。進(jìn)一步的，該方法采用最小二乘法將測試所得的幅頻特性曲線與理論模型擬合獲得了沖擊波壓力傳感系統(tǒng)幅頻特性參數(shù)模型，更加準(zhǔn)確地得到了壓電式?jīng)_擊波壓力傳感系統(tǒng)的截止頻率，從而實(shí)現(xiàn)對壓電式?jīng)_擊波壓力傳感系統(tǒng)低頻特性的檢測。

2、實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種壓電式?jīng)_擊波壓力傳感系統(tǒng)低頻段截止頻率檢測方法，包括如下步驟：

3、步驟(1)：將標(biāo)準(zhǔn)壓力監(jiān)測系統(tǒng)與壓電式?jīng)_擊波壓力傳感系統(tǒng)連接到同一激勵壓力，并將標(biāo)準(zhǔn)壓力監(jiān)測系統(tǒng)與壓電式?jīng)_擊波壓力傳感系統(tǒng)連接到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；

4、步驟(2)：以脈寬10ms以上的大脈寬近半正弦的準(zhǔn)靜態(tài)壓力信號作為激勵壓力p(t)；

5、步驟(3)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲取標(biāo)準(zhǔn)壓力監(jiān)測系統(tǒng)的輸出信號x(n)以及壓電式?jīng)_擊波壓力傳感系統(tǒng)的輸出信號y(n)；

6、步驟(4)：采用基于chirp-z變換的頻譜細(xì)化算法計算標(biāo)準(zhǔn)壓力監(jiān)測系統(tǒng)與壓電式?jīng)_擊波壓力傳感系統(tǒng)在同一激勵下輸出信號的幅值譜x(r)、y(r)；以標(biāo)準(zhǔn)壓力監(jiān)測系統(tǒng)的輸出信號x(n)作為被壓電式?jīng)_擊波壓力傳感系統(tǒng)的激勵信號，通過計算壓電式?jīng)_擊波壓力傳感系統(tǒng)幅值譜y(r)對標(biāo)準(zhǔn)壓力監(jiān)測系統(tǒng)輸出的幅值譜x(r)的比值得到被檢測壓力傳感器在低頻部分的幅頻特性曲線a(r)。

7、進(jìn)一步的，步驟(1)中的標(biāo)準(zhǔn)壓力監(jiān)測系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器采用壓阻式壓力傳感器或應(yīng)變式壓力傳感器。

8、進(jìn)一步的，步驟(2)中激勵壓力選用擺錘式準(zhǔn)靜態(tài)壓力發(fā)生裝置產(chǎn)生。

9、進(jìn)一步的，擺錘式準(zhǔn)靜態(tài)壓力發(fā)生裝置包括擺錘、活塞桿和造壓油缸，標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器以及壓電式?jīng)_擊波壓力傳感系統(tǒng)連的壓電式?jīng)_擊波壓力傳感器通過造壓油缸側(cè)面的安裝孔安裝在造壓油缸上，擺錘通過敲擊造壓油缸的活塞桿壓縮油缸內(nèi)部的液體造壓油從而在油缸內(nèi)產(chǎn)生近半正弦激勵壓力，標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器以及壓電式?jīng)_擊波壓力傳感器同時受到造壓油缸內(nèi)部壓力信號的激勵。

10、進(jìn)一步的，步驟(4)在計算幅值譜前采用漢寧窗w(n)對信號進(jìn)行加窗處理。

11、進(jìn)一步的，步驟(4)具體為：

12、采用漢寧窗w(n)對標(biāo)準(zhǔn)壓力監(jiān)測系統(tǒng)以及壓電式?jīng)_擊波壓力傳感系統(tǒng)在同一激勵壓力p(t)下的輸出信號x(n)、y(n)進(jìn)行加窗處理，并采用基于chirp-z變換的頻譜細(xì)化算法計算二者在低頻部分的幅值譜x(r)、y(r)；其計算公式如下：

13、

14、式中，j為虛數(shù)單位，為由頻譜細(xì)化算法計算所得幅值譜數(shù)字頻率間隔、用下式表示

15、

16、其中d為細(xì)化倍數(shù)，n為信號長度；

17、壓電式?jīng)_擊波壓力傳感系統(tǒng)的幅頻特性曲線a(r)由下式計算：

18、

19、a(r)對應(yīng)的模擬頻率f(r)可由下式計算：

20、

21、其中fs為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣頻率；

22、沖擊波壓力傳感器系統(tǒng)在低頻段的傳遞函數(shù)近似為一階高通系統(tǒng)，其幅頻特性用下式表示：

23、

24、進(jìn)一步的，步驟(4)還包括如下步驟：依靠由式(3)計算得到的非參數(shù)模型以及式(4)對應(yīng)的模擬頻率f(r)，采用最小二乘法與式(5)所示的理論模型擬合，得到壓電式?jīng)_擊波壓力傳感系統(tǒng)低頻段幅頻特性的參數(shù)模型，依靠擬合所得的參數(shù)模型，其-3db截止頻率用式(6)計算得到：

25、

26、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)在于：

27、以脈寬10ms以上的大脈寬近半正弦壓力作為激勵壓力，以低頻及靜態(tài)特性良好的壓阻式壓力傳感器或應(yīng)變式壓力傳感器為標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器，并采用基于chirp-z變換的頻譜細(xì)化算法計算壓電式?jīng)_擊波壓力傳感系統(tǒng)以及標(biāo)準(zhǔn)壓力監(jiān)測系統(tǒng)在激勵壓力下輸出信號的幅值譜，通過比對式校準(zhǔn)獲得了壓電式?jīng)_擊波壓力傳感系統(tǒng)在低頻部分的幅頻特性曲線。

28、計算幅值譜時采用漢寧窗對信號進(jìn)行加窗處理，降低了幅值譜計算時頻譜泄露的影響。

29、采用最小二乘方法將測試所得的幅頻特性曲線與理論模型擬合，得到了沖擊波壓力傳感系統(tǒng)低頻段幅頻特性的參數(shù)模型，根據(jù)擬合所得的參數(shù)模型更加準(zhǔn)確地獲得了傳感系統(tǒng)在低頻段的截止頻率。

技術(shù)特征：

1.一種壓電式?jīng)_擊波壓力傳感系統(tǒng)低頻段截止頻率檢測方法，其特征在于，包括如下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，步驟(1)中的標(biāo)準(zhǔn)壓力監(jiān)測系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器采用壓阻式壓力傳感器或應(yīng)變式壓力傳感器。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，步驟(2)中激勵壓力選用擺錘式準(zhǔn)靜態(tài)壓力發(fā)生裝置產(chǎn)生。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，擺錘式準(zhǔn)靜態(tài)壓力發(fā)生裝置包括擺錘(1)、活塞桿(2)和造壓油缸(3)，標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器(4)以及壓電式?jīng)_擊波壓力傳感系統(tǒng)連的壓電式?jīng)_擊波壓力傳感器(5)通過造壓油缸側(cè)面的安裝孔安裝在造壓油缸(3)上，擺錘(1)通過敲擊造壓油缸(3)的活塞桿(2)壓縮油缸內(nèi)部的液體造壓油從而在油缸內(nèi)產(chǎn)生近半正弦激勵壓力，標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器(4)以及壓電式?jīng)_擊波壓力傳感器(5)同時受到造壓油缸內(nèi)部壓力信號的激勵。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，步驟(4)在計算幅值譜前采用漢寧窗w(n)對信號進(jìn)行加窗處理。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，步驟(4)具體為：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，步驟(4)還包括如下步驟：依靠由式(3)計算得到的非參數(shù)模型以及式(4)對應(yīng)的模擬頻率f(r)，采用最小二乘法與式(5)所示的理論模型擬合，得到壓電式?jīng)_擊波壓力傳感系統(tǒng)低頻段幅頻特性的參數(shù)模型，依靠擬合所得的參數(shù)模型，其-3db截止頻率用式(6)計算得到：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明為一種壓電式?jīng)_擊波壓力傳感系統(tǒng)低頻段截止頻率檢測方法。包括如下步驟：將標(biāo)準(zhǔn)壓力監(jiān)測系統(tǒng)與壓電式?jīng)_擊波壓力傳感系統(tǒng)連接到同一激勵壓力；施加激勵壓力；獲取標(biāo)準(zhǔn)壓力監(jiān)測系統(tǒng)以及壓電式?jīng)_擊波壓力傳感系統(tǒng)的輸出信號；采用基于Chirp?Z變換的頻譜細(xì)化算法計算標(biāo)準(zhǔn)壓力監(jiān)測系統(tǒng)與壓電式?jīng)_擊波壓力傳感系統(tǒng)在同一激勵下輸出信號的幅值譜；以標(biāo)準(zhǔn)壓力監(jiān)測系統(tǒng)的輸出信號作為被壓電式?jīng)_擊波壓力傳感系統(tǒng)的激勵信號，計算壓電式?jīng)_擊波壓力傳感系統(tǒng)幅值譜對標(biāo)準(zhǔn)壓力監(jiān)測系統(tǒng)輸出的幅值譜的比值得到被檢測壓力傳感器在低頻部分的幅頻特性曲線。本發(fā)明采用頻譜細(xì)化方法提高頻率分辨率，獲得壓電式?jīng)_擊波壓力傳感系統(tǒng)在低頻部分的幅頻特性。

技術(shù)研發(fā)人員：孔德仁,王傳志,徐春冬,陳家輝
受保護(hù)的技術(shù)使用者：南京理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19