CN105181119A - 一种磁电式智能数字振动速度传感器超低频实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁电式智能数字振动速度传感器超低频实现方法，包括以下内容：根据对传感器进行的标定,求出其灵敏度、固有频率、阻尼比和幅频特性，然后利用快速付里叶变换直接实现补偿效果。磁电式智能数字振动速度传感器超低频实现方法是展宽磁电式振动速度传感器频响的新方法，能解决工程***振动测试领域超低频测试实际问题，可降低超低频磁电式速度传感器的制造成本，实现超低频磁电式速度传感器的批量生产。利用传统电路模拟补偿方法或选用高精度材料制造的磁电式振动速度传感器其成本较高，通过磁电式智能数字振动速度传感器超低频实现方法将大幅降低其生产成本，有利于产品的产业化推广。

Description

一种磁电式智能数字振动速度传感器超低频实现方法

技术领域

本发明属于磁电式速度传感器制造技术领域，具体涉及一种磁电式智能数字振动速度传感器超低频实现方法。

背景技术

超低频振动是一种常见的物理现象，矿井井架、井塔、高层建筑物、铁路、公路桥梁、水坝的振动都属此类，地震波也是这种振动方式的产物。这类振动具有振动频率低（1Hz以下频率成份极丰富）、振幅大（可高达10mm以上）、破坏力强等特点。它在正常情况下对人们的日常生活没有太大影响，然而一旦超过允许的极限将会对社会生产和生活造成极大的危害。因此在工程技术领域，超低频振动的测试与研究一直受到高度重视。但在工程测试中，常用的磁电式振动速度传感器，由于其下限频率都在13Hz以上，导致超低频测试精度不能满足工程要求。

目前多数采用的串连校正电路的方法来降低磁电式振动传感器的测试频率，即“基于模拟滤波技术对传感器传递函数进行电路模拟补偿与校正”，在理论、实际中均得到了验证，也取得了良好的效果；但在批量生产和产品化上遇到多个难题无法解决，因此其只能作为实验室研究。

磁电式振动速度传感器是利用电磁感应原理，将输入运动速度变换成感应电势输出的传感器。它不需要辅助电源，就能把被测对象的机械能转换成易于测量的电信号，是一种有源传感器。磁电式振动速度传感器有时也称作电动式或感应式传感器，它只适合进行动态测量。

磁电式振动速度传感器由于具有输出信号大、后续电路简单及抗干扰能力强的优点，在低频传感器中得到了广泛应用。它是一种惯性式传感器，为单自由度***，其频域具有二阶高通特性。受***的固有频率制约，通常可测频率要高于速度传感器的3倍固有频率。目前工程测量用磁电式振动速度传感器的机械结构固有频率一般不低于4Hz，因而测量频率在13Hz以上，因此不能满足超低频测试的需要。

磁电式惯性速度传感器,是测量超低频绝对振动的主要传感器之一,其力学模型可简化为一个弹性系数为k的弹簧,惯性质量块m和阻尼C三部分组成的单自由度***。

要直接检测超低频绝对振动,磁电式速度传感器有其机械结构上的先天不足。

由对传感器进行标定,求出其灵敏度、固有频率、阻尼比和幅频特性等，但是，需要根据每个传感器的个体进行独立分析后才能设计出反馈网络电路及补偿校正网络电路。这种设计后电路板需要根据不同传感器个体的机器结构差异进行电路调整，该调整过程只能由人工完成，因此很难批量生产，精度也与操作人员的人为因素有很大关联，因此即使生产成本也很高。

发明内容

本发明的目的是在磁电式速度传感器数字化基础上，结合磁电式绝对振动速度传感器的力学模型分析，利用“数字滤波技术进行数字信号补偿校正”代替传统“基于模拟滤波技术,对传感器传递函数进行电路模拟补偿与校正”，从而展宽磁电式振动速度传感器的频响，能够解决工程***振动测试领域超低频测试实际问题，可以大大降低超低频磁电式速度传感器的制造成本，实现超低频磁电式速度传感器的批量生产，具有广阔的应用前景。

本发明采用的技术方案是：一种磁电式智能数字振动速度传感器超

低频实现方法，包括以下步骤：

S1，对采用的磁电式速度传感器进行标定分析，建立数字补偿法的数学模型，要求采用的磁电式速度传感器机芯应在1Hz，其参考速度灵敏度在50mv/cm/s以上，目前国内正规生产企业的产品均能满足该要求；

S2，在出厂时对数学模型关键点参数进行实际标定并写入数字磁电式速度传感器中，关键点参数为1-10Hz内的超低频段，要求最少每1Hz标定一次参考速度灵敏度，并且每个频率的线性幅值度小于±5%，目前工程***标定中心设备完全可以实现出厂时关键参数的标定；

S3，在实际测量过程中利用FFT（快速傅里叶变换）求得实测波形的FFT主频，然后将频率和实测电压值带入数字补偿法的数学模型求得其实际振动速度，现场实际测试结果表明：采用磁电式智能数字振动速度传感器超低频实现方法的设备与价格昂贵的传统低频磁电式振动速度传感器采集的数据基本一致，误差小于±5%。

进一步地，所述步骤S3具体为：

S31，根据对传感器进行的标定,求出其灵敏度、固有频率、阻尼比和幅频特性，然后利用快速付里叶变换的方法直接实现公式：

的补偿效果；

S32，在原有标定40Hz标准灵敏度的基础上分别在2、3、4、5、6、7、8、9Hz增加标定低频灵敏度，准确测量出传感器灵敏度、幅频特性；然后对实际采集的H(S)数字信号，进行FFT变换计算出FFT主频；再根据实测的FFT主频利用预置的数字补偿算法R(S)，求出当前频率下的放大因子，对D(S)信号进行放大因子调整的补偿校正计算，得到最终准确的合适H₁(S)。

本发明的优点：

本发明的磁电式智能数字振动速度传感器超低频实现方法是展宽磁电式振动速度传感器频响的新方法，能够解决工程***振动测试领域超低频测试实际问题，可以大大降低超低频磁电式速度传感器的制造成本，实现超低频磁电式速度传感器的批量生产。利用传统电路模拟补偿方法或选用高精度材料制造的磁电式振动速度传感器其成本较高，通过磁电式智能数字振动速度传感器超低频实现方法运用将大幅降低超低频磁电式速度传感器的生产成本，有益于产品的产业化推广。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明实施例的一种磁电式智能数字振动速度传感器超低频实现方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参考图1，如图1所示，一种磁电式智能数字振动速度传感器超低频实现方法，包括以下步骤：

S1，对采用的磁电式速度传感器进行标定分析，建立数字补偿法的数学模型，要求采用的磁电式速度传感器机芯应在1Hz，其参考速度灵敏度在50mv/cm/s以上，目前国内正规生产企业的产品均能满足该要求；

S2，在出厂时对数学模型关键点参数进行实际标定并写入数字磁电式速度传感器中，关键点参数为1-10Hz内的超低频段，要求最少每1Hz标定一次参考速度灵敏度，并且每个频率的线性幅值度小于±5%，目前工程***标定中心设备完全可以实现出厂时关键参数的标定；

S3，在实际测量过程中利用FFT（快速傅里叶变换）求得实测波形的FFT主频，然后将频率和实测电压值带入数字补偿法的数学模型求得其实际振动速度，现场实际测试结果表明：采用磁电式智能数字振动速度传感器超低频实现方法的设备与价格昂贵的传统低频磁电式振动速度传感器采集的数据基本一致，误差小于±5%。

所述步骤S3具体为：

S31，根据对传感器进行的标定,求出其灵敏度、固有频率、阻尼比和幅频特性，然后利用快速付里叶变换的方法直接实现公式：

的补偿效果；

S32，在原有标定40Hz标准灵敏度的基础上分别在2、3、4、5、6、7、8、9Hz增加标定低频灵敏度，准确测量出传感器灵敏度、幅频特性；然后对实际采集的H(S)数字信号，进行FFT变换计算出FFT主频；再根据实测的FFT主频利用预置的数字补偿算法R(S)，求出当前频率下的放大因子，对D(S)信号进行放大因子调整的补偿校正计算，得到最终准确的合适H1(S)。

数字补偿法只能应用与数字传感器，其需要具备以下条件：

必须是磁电式惯性速度传感器；

传感器机芯与模数转换设备必须进行集成不能任意更换；

数字补偿算法R(S)必须对传感器低频段进行多点标定，确定其补偿前的幅频特性曲线；

具有智能处理芯片可实现数字补偿算法R(S)与FFT变换的计算。

本发明采用数字补偿法实现优势：

1、弥补了模拟电路补偿法不能批量生产的缺陷

虽然仍然需要对磁电式惯性速度传感器机芯进行个体标定，但是不需要根据标定结果定制、调整电路设备，这样就可保证设备在生产线上进行大批量生产。

2、长时间使用后，可通过重新标定值的更新直接调整补偿系数

在长时间使用后，直接通过重新标定值的写入即能达到补偿系数的调整，因此该方法可保证传感器的长期有效性。

实际试验数据：

实验室实测数据，以1cm的标准振动源，分别在2、3、4、5、6、7、8、40、80、300做了多个数字传感器验证测试，改实验采用的数字传感器为通用磁电式振动速度传感器，其固有频率为4.5Hz（未补偿时4Hz时误差为15%）。下表为其中一组数据。

磁电式智能数字振动速度传感器超低频实现方法已经在广州中爆数字科技信息股份有限公司研制的新一代网络测振仪中得到了实际应用。

利用传统电路模拟补偿方法或选用高精度材料制造的磁电式振动速度传感器其成本较高，通过磁电式智能数字振动速度传感器超低频实现方法将大幅降低，有益于产业化推广。

范围	使用此方法之前制造成本	使用此方法之后制造成本	节省
				一个传感器	2000元	180元	-1820元
三维传感器	6000元	540元	-5460元
				一个测振公司（10套）	60000元	5400元	-54600元
1万个***工地	6000万元	540万元	-5460万元

本发明的磁电式智能数字振动速度传感器超低频实现方法是展宽磁电式振动速度传感器频响的新方法，能够解决工程***振动测试领域超低频测试实际问题，可以大大降低超低频磁电式速度传感器的制造成本，实现超低频磁电式速度传感器的批量生产。利用传统电路模拟补偿方法或选用高精度材料制造的磁电式振动速度传感器的成本较高，而通过磁电式智能数字振动速度传感器超低频实现方法将大幅降低超低频磁电式速度传感器的生产成本，，有利于产品的产业化推广。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种磁电式智能数字振动速度传感器超低频实现方法，其特征包括以下步骤：

S1，对采用的磁电式速度传感器进行标定分析，建立数字补偿法的数学模型，要求采用的磁电式速度传感器机芯应在1Hz，其参考速度灵敏度在50mv/cm/s以上，目前国内正规生产企业的产品均能满足该要求；

S2，在出厂时对数学模型关键点参数进行实际标定并写入数字磁电式速度传感器中，关键点参数为1-10Hz内的超低频段，要求最少每1Hz标定一次参考速度灵敏度，并且每个频率的线性幅值度小于±5%，目前工程***标定中心设备完全可以实现出厂时关键参数的标定；

S3，在实际测量过程中利用FFT快速傅里叶变换求得实测波形的FFT主频，然后将频率和实测电压值带入数字补偿法的数学模型求得其实际振动速度，现场实际测试结果表明：采用磁电式智能数字振动速度传感器超低频实现方法的设备与价格昂贵的传统低频磁电式振动速度传感器采集的数据基本一致，误差小于±5%。

2.根据权利要求1所述的磁电式智能数字振动速度传感器超低频实现方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：

S31，根据对传感器进行的标定,求出其灵敏度、固有频率、阻尼比和幅频特性，然后利用快速付里叶变换的方法直接实现公式：

的补偿效果；

S32，在原有标定40Hz标准灵敏度的基础上分别在2、3、4、5、6、7、8、9Hz增加标定低频灵敏度，准确测量出传感器灵敏度、幅频特性；然后对实际采集的H(S)数字信号，进行FFT变换计算出FFT主频；再根据实测的FFT主频利用预置的数字补偿算法R(S)，求出当前频率下的放大因子，对D(S)信号进行放大因子调整的补偿校正计算，得到最终准确的合适H₁(S)。