一种应用于振动传感器的自检定装置及其自检定方法

摘要

本发明公开了一种应用于振动传感器的自检定装置，包括信号发生器、运算放大器、信号测量模块和信号处理模块；所述信号发生器的输出端与运算放大器的正相输入端连接；所述运算放大器的输出端与待测振动传感器的输入端连接；所述信号测量模块的输入端与待测振动传感器的输出端连接，并将待测振动传感器的输出电压信号传送到信号处理模块；待测振动传感器的自检测线圈和所述信号测量模块的另一输入端分别与运算放大器的反相输入端连接。本发明消除了耦合电感对待测振动传感器的输出电压信号的影响，使测量的输出电压信号更加准确；并且在工作现场即可实现检定，结构简单、便于携带。本发明同时还提供一种应用于振动传感器的自检定方法。

说明书

技术领域

本发明涉及振动计量校准领域，尤其涉及一种应用于振动传感器的自检定装置及其自检 定方法。

背景技术

振动传感器作为工程振动量的测量仪器，广泛应用于各个领域；尤其是基于磁感应原理 的磁电式振动传感器，因其可将输入的运动速度变换成易于测量的电信号而受到越来越多人 的重视。磁电式振动传感器内通常设有测量线圈和校准线圈；所述测量线圈等效为一电阻； 所述校准线圈等效为电感和电阻的串联，该电感为一耦合电感；该磁电式振动传感器输出的 电压与其实际测量的振动信号满足如下公式：

$\frac{e}{s^{2}y}=\frac{-Gs}{W_1{W}_2+W_3}$

W₁＝(s²+2Dns+n²)

$W_2=(R_{s}Cs+1+\frac{R_s}{R})$

$W_3=\frac{G^2}{mR}(RCs+1)s$

$n^2=\frac{k}{m}$

$2Dn=\frac{b}{m}$

式中，e表示磁电式振动传感器输出的电压值，单位符号：V；y表示磁电式振动传感 器实际测量的振动位移信号，单位符号：mm；G表示磁电式振动传感器的测量线圈机电耦合 系数值；s表示拉普拉斯算子；b表示磁电式振动传感器的阻尼比；m表示磁电式振动传感器 可动部分的质量；R_s表示磁电式振动传感器的测量线圈内阻，单位符号：Ω；C表示磁电式 振动传感器反馈网络等效电容值，单位符号：F；R表示磁电式振动传感器内部的接地电阻， 单位符号：Ω；k表示磁电式振动传感器的弹性元件刚度。

因此，通过测量磁电式振动传感器输出的电压即可间接测量并获得工程振动物理量，直 观、方便、快捷。但是，磁电式振动传感器使用一段时间后，其测量的信号将会变得不再准 确，此时则需要对磁电式振动传感器进行检定。

现有的磁电式振动传感器的检定大都是基于实验室的方法，即需要将磁电式振动传感器 拆卸下来送到实验室进行检测。而大量的磁电式振动传感器常年安装在测试现场，且处于在 线监测状态，无法拆下送至实验室进行检测。例如，我国地震台网有超宽频地震计20台，甚 宽频地震计125台，区域地震台网有甚宽频地震计44台，宽频地震计628台，短周期地震计 120台，若干台阵和火山地震台网配有51台地震计，另有流动数字地震台网配有800套地震 仪器；地震系统及其它部门和企业在自由场地及建筑物、桥梁、大坝等工程结构上布设了2000 多个强振动观测台站，布设有各种型号的三向加速度计和记录仪，另外还有数百台的流动观 测设备。在这些工程测振领域，工程结构的健康检测、机械设备的实时监测等都要求了这些 振动传感器必须长期不间断的处于在线检测状态，很难送到实验室进行检测。

此外，实验室内对磁电式振动传感器进行检定时，通常直接向待测磁电式振动传感器内 输入标准电压信号来检定，再通过计算磁电式振动传感器输出的电压与其输入的标准电压的 比值来检定待测的磁电式振动传感器的状态，具体的，待测磁电式振动传感器输出的电压与 输入的标准电压满足如下公式：

$\frac{e}{u}=\frac{{\mathrm{GG}}_{2}s}{(W_4{W}_1+{G_2}^{2}s)W_2+W_3{W}_4}$

W₄＝m(R_s2+L₂s)

式中，e表示磁电式振动传感器输出的电压值，单位符号：V；u表示磁电式振动传感器 输入的标准电压，单位符号：V；R_s2表示磁电式振动传感器的校准线圈内阻值，单位符号： Ω；L₂表示磁电式振动传感器的校准线圈的等效电感，单位符号：H。

由上述公式可知，待测的磁电式振动传感器输出的电压与输入的标准电压的比值与传感 器的校准线圈的等效电感有关，而由于该等效电感为一耦合电感，当改变输入的标准电压信 号时，该耦合电感也会发生改变，进而使得测量的待测振动传感器的输出电压发生变化甚至 不再满足上述公式，从而影响了检定的准确性。因此，如何准确确定磁电式振动传感器是否 处于正常的工作状态，一直是工程界有待解决的问题。

发明内容

本发明在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种应用于振动传感器的自检定装置，其 无需将待测振动传感器移送至实验室，在工作现场即可实现准确检定。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种应用于振动传感器的自检定装置，包括信号发 生器、运算放大器、信号测量模块和信号处理模块；所述信号发生器的输出端与所述运算放 大器的正相输入端连接；所述运算放大器的输出端与待测振动传感器的输入端连接；所述信 号测量模块的输入端与待测振动传感器的输出端连接，并将待测振动传感器输出的电压信号 传送到所述信号处理模块；待测振动传感器的自检测线圈与所述运算放大器的反相输入端连 接，所述运算放大器的反相输入端接地；所述信号测量模块的另一输入端与运算放大器的反 相输入端连接，并将测量的标准电压信号传送到所述信号处理模块。

相比于现有技术，本发明通过运算放大器将信号发生器输出的正弦电压信号转换为电流 信号，并以恒定电流的形式输入到待测振动传感器内，消除了耦合电感对待测振动传感器的 输出电压信号的影响，使测量的待测振动传感器的输出电压信号更加准确，进而确保了检定 的准确性；并且本发明提供的自检定装置无需将待测振动传感器移送至实验室检定，在工作 现场即可实现检定，结构简单、便于携带。

进一步地，所述信号测量模块为一具有多个输入输出端口的数据采集卡。

进一步地，所述信号发生器为一DA芯片。

进一步地，当待测振动传感器处于速度档时，待测振动传感器输出的电压和信号发生器 输出的标准电压呈正比且满足：

$\frac{e}{u}=\frac{{\mathrm{GG}}_2}{Rm}\frac{s}{W_1{W}_2+W_3}$

W₁＝(s²+2Dns+n²)

$W_2=(R_{s}Cs+1+\frac{R_s}{R})$

$W_3=\frac{G^2}{mR}(RCs+1)s$

$n^2=\frac{k}{m}$

$2Dn=\frac{b}{m}$

式中，e表示待测振动传感器输出的电压值，单位符号：V；u表示信号发生器输出的标 准电压值，单位符号：V；G表示待测振动传感器的测量线圈机电耦合系数值；G₂表示待测 振动传感器的校准线圈机电耦合系数值；R表示待测振动传感器的接地电阻值，单位符号：Ω； m表示待测振动传感器可动部分的质量，单位符号：kg；s表示拉普拉斯算子；b表示待测振 动传感器的阻尼比；C表示待测振动传感器反馈网络等效电容值，单位符号：F；k表示待测 振动传感器的弹性元件刚度，单位符号：N/m；R_s表示待测振动传感器的测量线圈内阻，单 位符号：Ω。

进一步地，当待测振动传感器处于速度档时，待测振动传感器输出的电压和信号发生器 输出的标准电压满足：

$f\times \frac{e^{\prime }}{u^{\prime }}=\frac{f\times {\mathrm{GG}}_2}{Rm}\frac{s}{W_1{W}_2+W_3}$

式中，f信号发生器输出的校准频率，单位符号：Hz；u’表示待测振动传感器的工作档 位处于加速度档时，信号发生器输出的标准电压，单位符号：V；e’表示待测振动传感器的 工作档位处于加速度档时，待测振动传感器输出的电压，单位符号：V。

本发明还提供一种应用于振动传感器的自检定方法，包括如下步骤：

步骤1：设置一与信号发生器输出端连接的运算放大器，通过该运算放大器将信号发生器 输出的标准电压信号转换成电流信号后输入到待测振动传感器内；

步骤2：获得待测振动传感器输出的电压信号和信号发生器输出的标准电压信号，并以该 两者的比值来判定待测振动传感器的性能状态。

相比于现有技术，本发明通过运算放大器将信号发生器输出的正弦电压信号转换为电流 信号，并以恒定电流的形式输入到待测振动传感器内，消除了耦合电感对待测振动传感器的 输出电压信号的影响，使测量的待测振动传感器的输出电压信号更加准确，进而确保了检定 的准确性；并且本发明提供的自检定装置无需将待测振动传感器移送至实验室检定，在工作 现场即可实现检定，结构简单、便于携带。

为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。

附图说明

图1是本发明应用于振动传感器的自检定装置的原理框图；

图2是本发明应用于振动传感器的自检定方法的流程图。

具体实施方式

本实施例提供的应用于振动传感器的自检定装置主要适应于基于磁感应原理的磁电式振 动传感器如拾振器的自检定，但不限于磁电式振动传感器的自检测。通常振动传感器具有速 度档和加速度档两个档位，分别输出振动速度或加速度电压信号；本发明可实现对处于不同 档位的振动传感器进行检定。

请参阅图1，其是本发明应用于振动传感器的自检定装置的原理框图。该应用于振动传 感器的自检定装置包括信号发生器、运算放大器、信号测量模块和信号处理模块。所述信号 发生器的输出端与所述运算放大器的正相输入端连接；所述运算放大器的输出端与待测振动 传感器的输入端连接，并将输出的电流信号传送到待测振动传感器；所述信号测量模块的输 入端与待测振动传感器的输出端连接，并将待测振动传感器输出的电压信号传送到所述信号 处理模块。待测振动传感器的自检测线圈与所述运算放大器的反相输入端连接，所述运算放 大器的反相输入端接地；所述信号测量模块的另一输入端与运算放大器的反相输入端连接， 并将测量的标准电压信号传送到所述信号处理模块。所述信号处理模块通过计算待测振动传 感器输出的电压与输入的标准电压信号的比值来判定待测振动传感器的性能状态。

本实施例中，所述信号发生器输出的是与国家标准一致的正弦信号。

由于所述运算放大器的反相输入端电压与同向输入端电压相同，因此，所述信号测量模 块的另一输入端接收的运算放大器反相输入端的电压即为信号发生器输出的标准电压。

具体的，当在待测振动传感器的速度档位上进行检定时，当待测振动传感器处于速度档 时，待测振动传感器输出的电压和信号发生器输出的标准电压呈正比且满足：

$\frac{e}{u}=\frac{{\mathrm{GG}}_2}{Rm}\frac{s}{W_1{W}_2+W_3}$

W₁＝(s²+2Dns+n²)

$W_2=(R_{s}Cs+1+\frac{R_s}{R})$

$W_3=\frac{G^2}{mR}(RCs+1)s$

$n^2=\frac{k}{m}$

$2Dn=\frac{b}{m}$

式中，e表示待测振动传感器输出的电压值，单位符号：V；u表示信号发生器输出的 标准电压值，单位符号：V；G表示待测振动传感器的测量线圈机电耦合系数值；G₂表示待 测振动传感器的校准线圈机电耦合系数值；R表示待测振动传感器的接地电阻值，单位符号： Ω；m表示待测振动传感器可动部分的质量，单位符号：kg；s表示拉普拉斯算子；b表示待 测振动传感器的阻尼比；C表示待测振动传感器反馈网络等效电容值，单位符号：F；k表示 待测振动传感器的弹性元件刚度，单位符号：N/m；R_s表示待测振动传感器的测量线圈内阻， 单位符号：Ω。

当待测振动传感器处于速度档时，待测振动传感器输出的电压和信号发生器输出的标准 电压满足：

$f\times \frac{e^{\prime }}{u^{\prime }}=\frac{f\times {\mathrm{GG}}_2}{Rm}\frac{s}{W_1{W}_2+W_3}$

式中，f信号发生器输出的校准频率，单位符号：Hz；u’表示待测振动传感器的工作档 位处于加速度档时，信号发生器输出的标准电压，单位符号：V；e’表示待测振动传感器的 工作档位处于加速度档时，待测振动传感器输出的电压，单位符号：V。

所述信号测量模块为一具有多个输入输出端口的数据采集卡。所述信号发生器为一DA 芯片。

本实施例中，所述运算放大器的输出端可与多个待测振动传感器的输入端连接，该多个 待测振动传感器的输出端分别与所述信号测量模块的多个输入端连接；所述信号测量模块的 多个输出端分别与所述信号处理模块连接，进而实现对多个待测振动传感器的检定。

本实施例以同时测量三支待测振动传感器为例，定义为待测振动 传感器的相对灵敏度，当待测振动传感器的工作档位处于速度档时，则该三支待测振动传感 器的相对灵敏度A₁、A₂和A₃分别满足：

$A_1=\frac{e_1}{u};$

$A_2=\frac{e_2}{u};$

$A_3=\frac{e_3}{u};$

式中，u表示信号发生器输出的标准电压值，单位符号：V；e₁、e₂、e₃分别表示三支待 测振动传感器输出的电压值，单位符号：V。

当待测振动传感器的工作档位处于加速度档时，则该三支待测振动传感器的相对灵敏度 A₁’、A₂’和A₃’分别满足：

$A_1^{\prime }=\frac{f\times {e_1}^{\prime }}{u^{\prime }};$

$A_2^{\prime }=\frac{f\times {e_2}^{\prime }}{u^{\prime }};$

$A_3^{\prime }=\frac{f\times {e_3}^{\prime }}{u^{\prime }};$

式中，f为信号发生器发出的校准频率，单位符号：Hz；u’表示待测振动传感器的工作 档位处于加速度档时，信号发生器输出的标准电压值，单位符号：V；e₁’、e₂’、e₃’分别表 示待测振动传感器的工作档位处于加速度档时，三支待测振动传感器输出的电压值，单位符 号：V。

相比于现有技术，本发明通过运算放大器将信号发生器输出的正弦电压信号转换为电流 信号，并以恒定电流的形式输入到待测振动传感器内，消除了耦合电感对待测振动传感器的 输出电压信号的影响，使测量的待测振动传感器的输出电压信号更加准确，进而确保了检定 的准确性；并且本发明提供的自检定装置无需将待测振动传感器移送至实验室检定，在工作 现场即可实现检定，结构简单、便于携带。

本发明同时还提供一种应用于振动传感器的自检定方法，请参阅图2，其是本发明应用 于振动传感器的自检定方法的流程图。该应用于振动传感器的自检定方法包括如下步骤：

步骤1：设置一与信号发生器输出端连接的运算放大器，通过该运算放大器将信号发生器 输出的标准电压信号转换成电流信号后输入到待测振动传感器内；

步骤2：获得待测振动传感器输出的电压信号和信号发生器输出的标准电压信号，并以该 两者的比值来判定待测振动传感器的性能状态。

在步骤1中，所述信号发生器输出的是与国家标准一致的正弦信号。所述信号测量模块 为一具有多输入输出端的数据采集卡。所述信号发生器为一DA芯片。

在步骤2中，设置一分别与待测振动传感器的输出端和运算放大器的反相输入端连接的 信号测量模块；并设置一与信号测量模块输出端连接的信号处理模块。通过所述信号测量模 块获得待测振动传感器输出的电压信号和信号发生器输出的标准电压信号，并传送到所述信 号处理模块；所述信号处理模块接收信号测量模块传送的待测振动传感器输出的电压信号和 信号发生器输出的标准电压信号，并计算两者的比值来判定待测振动传感器的性能状态。

当在待测振动传感器的速度档位上进行检定时，当待测振动传感器处于速度档时，待测 振动传感器输出的电压和信号发生器输出的标准电压呈正比且满足：

$\frac{e}{u}=\frac{{\mathrm{GG}}_2}{Rm}\frac{s}{W_1{W}_2+W_3}$

W₁＝(s²+2Dns+n²)

$W_2=(R_{s}Cs+1+\frac{R_s}{R})$

$W_3=\frac{G^2}{mR}(RCs+1)s$

$n^2=\frac{k}{m}$

$2Dn=\frac{b}{m}$

式中，e表示待测振动传感器输出的电压值，单位符号：V；u表示信号发生器输出的 标准电压值，单位符号：V；G表示待测振动传感器的测量线圈机电耦合系数值；G₂表示待 测振动传感器的校准线圈机电耦合系数值；R表示待测振动传感器的接地电阻值，单位符号： Ω；m表示待测振动传感器可动部分的质量，单位符号：kg；s表示拉普拉斯算子；b表示待 测振动传感器的阻尼比；C表示待测振动传感器反馈网络等效电容值，单位符号：F；k表示 待测振动传感器的弹性元件刚度，单位符号：N/m；R_s表示待测振动传感器的测量线圈内阻， 单位符号：Ω。

当待测振动传感器处于速度档时，待测振动传感器输出的电压和信号发生器输出的标准 电压满足：

$f\times \frac{e^{\prime }}{u^{\prime }}=\frac{f\times {\mathrm{GG}}_2}{Rm}\frac{s}{W_1{W}_2+W_3}$

式中，f信号发生器输出的校准频率，单位符号：Hz；u’表示待测振动传感器的工作档 位处于加速度档时，信号发生器输出的标准电压，单位符号：V；e’表示待测振动传感器的 工作档位处于加速度档时，待测振动传感器输出的电压，单位符号：V。

本实施例中，所述运算放大器的输出端可与多个待测振动传感器的输入端连接，该多个 待测振动传感器的输出端分别与所述信号测量模块的多个输入端连接；所述信号测量模块的 多个输出端分别与所述信号处理模块连接，进而实现对多个待测振动传感器的检定。

相比于现有技术，本发明通过运算放大器将信号发生器输出的正弦电压信号转换为电流 信号，并以恒定电流的形式输入到待测振动传感器内，消除了耦合电感对待测振动传感器的 输出电压信号的影响，使测量的待测振动传感器的输出电压信号更加准确，进而确保了检定 的准确性；并且本发明提供的自检定方法无需将待测振动传感器移送至实验室检定，在工作 现场即可实现检定，结构简单、便于携带。

本发明并不局限于上述实施方式，如果对本发明的各种改动或变形不脱离本发明的精神 和范围，倘若这些改动和变形属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图 包含这些改动和变形。