本發(fā)明涉及柔性結(jié)構(gòu)振動分析領(lǐng)域，具體涉及一種單軸加速度傳感器的標定裝置及標定方法。

背景技術(shù)：

加速度傳感器在柔性結(jié)構(gòu)的振動測量與控制，結(jié)構(gòu)動力學分析等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。采用加速度傳感器測量信號進行反饋控制和動力學分析的情況非常普遍。在反饋控制和動態(tài)分析中，采用的加速度傳感器有壓電式，壓阻式，電容式等等。他們檢測信號要么經(jīng)過電荷放大器放大，要么經(jīng)過內(nèi)置或外延放大電路放大后得到的是模擬量電壓信號。

如果需要精確知道電壓信號對應(yīng)實際加速度的測量值，現(xiàn)有技術(shù)需要專門的加速度傳感器標定裝置，這樣就需要專門購買加速度傳感器的標定裝置。標定裝置應(yīng)用的情況不多，把加速度傳感器標定后就不用了，還需要存放、維護和保養(yǎng)等。所以一般購買加速度傳感器進行實驗研究的單位不購買加速度傳感器標定裝置。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點與不足，本發(fā)明提供一種單軸加速度傳感器的標定裝置及標定方法。

本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種單軸加速度傳感器的標定裝置，包括柔性懸臂梁、激光位移傳感器、壓電驅(qū)動器、加速度傳感器、電荷放大器、壓電放大器、信號發(fā)生器、a/d轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)采集卡及計算機；

所述柔性懸臂梁一端與基座固定稱為固定端，另一端為自由端，所述加速度傳感器及激光位移傳感器安裝在柔性梁相對的兩個側(cè)面上，所述壓電驅(qū)動器粘貼在柔性懸臂梁靠近固定端的位置，將信號發(fā)生器的激勵信號通過壓電放大器輸出到壓電驅(qū)動器上，所述加速度傳感器測量的柔性懸臂梁的加速度信號經(jīng)過電荷放大器放大后輸出到a/d轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)采集卡轉(zhuǎn)換后輸入計算機，所述激光位移傳感器檢測柔性懸臂梁相應(yīng)點的橫向振動位移信號經(jīng)過a/d轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)采集卡轉(zhuǎn)換后輸入計算機。

激光位移傳感器的安裝初始位置對準加速度傳感器的測量軸線，即測量方向的幾何中心。

所述加速度傳感器為壓電式傳感器或電容式傳感器。

所述壓電驅(qū)動器至少由兩片壓電陶瓷片構(gòu)成。

一種應(yīng)用單軸加速度傳感器的標定裝置的標定方法，包括如下步驟：

第一步，辨識得到該柔性懸臂梁的第一階振動模態(tài)頻率；

第二步，信號發(fā)生器產(chǎn)生信號頻率與第一階振動模態(tài)頻率相同，經(jīng)過壓電放大器后驅(qū)動壓電驅(qū)動器，激勵柔性懸臂梁的第一階模態(tài)的振動；

第三步，加速度傳感器檢測柔性懸臂梁振動的加速度信息經(jīng)過電荷放大器及a/d轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)采集卡進行轉(zhuǎn)換后輸入計算機，同時激光位移傳感器檢測柔性懸臂梁相應(yīng)點的橫向振動位移信息經(jīng)過a/d轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)采集卡輸入計算機；

第四步，根據(jù)柔性懸臂梁測量點的橫向位移和加速度信號之間的關(guān)系，得到加速度信號的電壓值與測量加速度之間的對應(yīng)關(guān)系，從而完成加速度傳感器的標定。

所述第四步中根據(jù)柔性懸臂梁測量點的橫向位移和加速度信號之間的關(guān)系，得到加速度信號的電壓值與測量加速度之間的對應(yīng)關(guān)系，具體為：

激光位移傳感器測量的振動橫向位移信號：

式中t代表時間變量，代表相位角，ω1是柔性梁的第一階振動模態(tài)頻率，a1是橫向振動位移信號的幅值，單位是“米(m)”；

加速度傳感器測量的振動加速度信號：式中t代表時間變量，代表相位角，ω1是柔性梁的第一階振動模態(tài)頻率，a2是橫向振動加速度信號的幅值，模擬電壓信號，單位是“伏特(v)”；

由于測量的柔性懸臂梁上同一個點的位移和加速度信息，頻率ω1都是柔性梁的第一階振動模態(tài)頻率；位移和加速度信號二者是二階微分關(guān)系，所以也就是說，單位是“伏特(v)”；

對位移信號兩次微分處理得到的加速度信號：

則

系數(shù)kav就是單位電壓對應(yīng)時間的加速度信息，從而對加速度傳感器的測量值進行標定。

本發(fā)明的有益效果：

(1)不需要專門購買加速度傳感器的標定裝置，節(jié)省了成本和存放及維護加速度傳感器標定裝置的花費；

(2)該裝置僅僅需要一個簡單的壓電柔性懸臂梁裝置，激光位移傳感器、加速度傳感器和計算機采集控制系統(tǒng)就可以對加速度傳感器進行標定，裝置簡單，容易搭建；

(3)通過激勵柔性梁模態(tài)振動，測量加速度傳感器檢測的模擬量信號和激光位移傳感器檢測的橫向位移信號，根據(jù)位移和加速度之間的二次微分關(guān)節(jié)，建立方程式，就可以很容易得到加速度傳感器測量的電壓值對應(yīng)的實際的加速度信息了。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的一種單軸加速度傳感器的標定裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例及附圖，對本發(fā)明作進一步地詳細說明，但本發(fā)明的實施方式不限于此。

實施例

如圖1所示，一種單軸加速度傳感器的標定裝置，包括柔性懸臂梁4、激光位移傳感器3、壓電驅(qū)動器1、加速度傳感器2、電荷放大器9、壓電放大器5、信號發(fā)生器6、a/d轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)采集卡8及計算機7；

所述柔性懸臂梁4的一端與基座固定稱為固定端，另一端自由振動稱為自由端。壓電驅(qū)動器1至少由兩片壓電陶瓷片構(gòu)成，對稱粘貼在柔性懸臂梁靠近固定端的位置，在柔性懸臂梁中間的某個位置的表面安裝一個加速度傳感器2，在其相對的一側(cè)安裝激光位移傳感器3，調(diào)整安裝激光位移傳感器，保證其測量距離與測量點，用于測量加速度傳感器測量加速度的幾何中心點處的振動橫向位移，具體是激光位移傳感器的安裝初始位置對準加速度傳感器的測量軸線，即測量方向的幾何中心，測量橫向振動位移正好是測量振動加速度的位置，這樣就會精確地標定加速度傳感器測量的電壓與實際加速度之間的關(guān)系。

將信號發(fā)生器的激勵信號通過壓電放大器輸出到壓電驅(qū)動器上，所述加速度傳感器測量的柔性懸臂梁的加速度信號經(jīng)過電荷放大器放大后輸出到a/d轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)采集卡轉(zhuǎn)換后輸入計算機，所述激光位移傳感器檢測柔性懸臂梁相應(yīng)點的橫向振動位移信號經(jīng)過a/d轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)采集卡轉(zhuǎn)換后輸入計算機。

所述加速度傳感器為壓電式傳感器或電容式傳感器或其他傳感器都可以。

一種單軸加速度傳感器的標定方法，包括：

先辨識得到建立的柔性懸臂梁的第一階模態(tài)振動的頻率ω1，將信號發(fā)生器的激勵信號設(shè)定為頻率為ω1的正弦輸出信號，振動幅值調(diào)整到適當即可；信號發(fā)生器輸出信號經(jīng)過壓電放大器放大后輸出到壓電驅(qū)動器，通過壓電驅(qū)動器激勵柔性懸臂梁的第一階模態(tài)的振動，通過加速度傳感器檢測柔性懸臂梁振動的加速度信息經(jīng)過電荷放大器后輸出到a/d轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)采集卡經(jīng)過轉(zhuǎn)換后輸入計算機，同時將激光位移傳感器檢測柔性梁相應(yīng)點的橫向振動位移信息經(jīng)過a/d轉(zhuǎn)換后輸入計算機；

激光位移傳感器測量的橫向振動位移信號是模擬量電壓信號，激光位移傳感器輸出的模擬量信號很容易對應(yīng)出實際位移的測量值；而加速度傳感器經(jīng)過電荷放大器后，輸出得到的也是模擬量電壓信號，而加速度模擬量信號很難對應(yīng)實際的加速度，所以通過如下標定方法得到：

裝置中激光位移傳感器測量的振動橫向位移信號：式中t代表時間變量，代表相位角，ω1是柔性梁的第一階振動模態(tài)頻率，a1是橫向振動位移信號的幅值，單位是“米(m)”；

裝置中加速度傳感器測量的振動加速度信號：式中t代表時間變量，代表相位角，ω1是柔性梁的第一階振動模態(tài)頻率，a2是橫向振動加速度信號的幅值，模擬電壓信號，單位是“伏特(v)”；

由于測量的是柔性梁上一個點的位移和加速度信息，頻率ω1都是柔性梁的第一階振動模態(tài)頻率；位移和加速度信號二者是二階微分關(guān)系，所以也就是說，單位是“伏特(v)”；

對位移信號兩次微分處理得到的加速度信號：振動幅值的單位是“米/秒²(m/s²)”；

所以有，系數(shù)kav就是單位電壓對應(yīng)時間的加速度信息，單位是

這樣，就可以通過加速度傳感器測量的信號經(jīng)過電荷放大器放大后，經(jīng)過a/d采集得到的電壓信號，得到其實際測量的加速度信號，從而對加速度傳感器的測量值進行了標定。

本實施例a/d轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)采集卡8選用由固高公司生產(chǎn)的型號為gts系統(tǒng)的多軸運動控制卡，計算機7選用的cpu型號為core76650u2.2ghz，內(nèi)存4g，主板中有pci-e插槽，可以安裝運動控制卡8。

加速度傳感器2可選用江蘇聯(lián)能公司生產(chǎn)的ca-yd-127壓電式加速度傳感器，電荷放大器9可選用江蘇聯(lián)能公司生產(chǎn)的ye5850型超低頻電荷放大器。激光位移傳感器3可選日本基恩士(keyence)公司生產(chǎn)，每套激光位移傳感器分別由一個激光探頭、一個激光位移傳感器控制器和一根延長電纜組成，其型號分別為lk-500、lk-2500和lk-c2。激光位移傳感器采用24v直流電源供電，重復精度為10um，激光探頭和被測表面的基準距離為350mm，測量量程為-100mm～+100mm，對應(yīng)的模擬輸出電壓為-10v～+10v，線性度為±0.1％，采樣周期為1024us，當被測表面與激光探頭之間的距離超過測量范圍時，其模擬輸出電壓都將保持為12v。

信號發(fā)生器6選用南京盛普spf20型dds數(shù)字合成函數(shù)/任意波信號發(fā)生器。壓電放大器5可選用型號為apex-pa241dw或apex-pa240cx的壓電放大器，放大倍數(shù)可達到52倍，即將-5v～+5v放大到-260～+260v，其研制單位為華南理工大學，在申請人申請的名稱為“太空帆板彎曲和扭轉(zhuǎn)模態(tài)振動模擬主動控制裝置與方法”，申請?zhí)枮?00810027186.4的專利中有詳細介紹。

上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受所述實施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(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)明的保護范圍之內(nèi)。