三轴振动加速度信号耦合修正检测系统及方法

摘要

本发明属于振动测试技术领域，具体涉及一种基于单轴加速度计的三轴振动加速度信号耦合修正检测系统及方法，其中，系统包括三通道程控信号发生器，振动激励单元，振动检测单元，数据采集单元，计算机，三组单轴加速度计，通过三组单轴加速度计分别检测三轴激振器各轴输出振动加速度信号，并通过耦合检测误差修正实现三轴激励信号高精度检测。

权利要求

1.三轴振动加速度信号耦合修正检测系统，包括三通道程控信号发生器，振动激励单元，振动检测单元，数据采集单元，计算机，所述振动激励单元包括三轴激振器及三轴激振器各轴对应的功率放大器；

所述三通道程控信号发生器产生标准正弦电压信号，通过功率放大器输入三轴激振器；

所述振动检测单元包括单轴加速度计及其配适的电荷放大器；

其特征是：假设x、y、z分别代表三轴激振器的三个正交振动轴向，单轴加速度计及其配适的电荷放大器用于检测三轴激振器产生的三轴振动加速度信号；所述单轴加速度计包括主轴沿x正方向安装的第一单轴加速度计，主轴沿y正方向安装的第二单轴加速度计，主轴沿z正方向安装的第三单轴加速度计；

所述的数据采集单元包括多通道数据采集卡，同步采集三组单轴加速度计及适配的电荷放大器产生的电信号，并将采集到的电信号传输给计算机；

计算机中安装有耦合误差修正软件，耦合误差修正软件包含信号产生模块，信号采集模块，耦合误差修正模块；所述耦合误差修正模块对每组单轴加速度计在振动加速度信号激励下产生的电信号进行耦合检测误差修正，计算得到准确的三轴激振器的运动平台输出的三轴振动加速度信号。

2.应用三轴振动加速度信号耦合修正检测系统的三轴振动加速度信号耦合修正检测方法，其特征是：包含如下步骤：步骤一：基于单轴加速度计灵敏度矩阵的校准方法依次校准得到第一单轴加速度计、第二单轴加速度计和第三单轴加速度计各自的灵敏度矩阵；

步骤二：由耦合误差修正软件中的信号产生模块控制三通道程控信号发生器产生三组包含三路正弦电压信号的振动输入信号，三组振动输入信号相互之间线性独立；

步骤三：每组振动输入信号的各路正弦电压信号由各轴对应的功率放大器放大后，输入三轴激振器，驱动三轴激振器产生三组三轴振动加速度信号；

步骤四：由三组单轴加速度计及适配的电荷放大器检测所述的三组三轴振动加速度信号，得到相应的电信号，并由数据采集单元同步采集该电信号，并传输给信号采集模块；

步骤五：基于步骤一得到的灵敏度矩阵和步骤四数据采集单元采集到的电信号，耦合误差修正模块对数据采集单元采集到的电信号进行耦合检测误差修正，计算得到准确的三轴振动加速度信号。

3.根据权利要求2所述的三轴振动加速度信号耦合修正检测方法，其特征是：所述步骤二中，三组振动输入信号在x、y、z三个轴向的幅值对应相同；第一组振动输入信号在x、y、z三个轴向初相位相同；第二组振动输入信号在x、y、z三个轴向的初相位与第一组振动输入信号的初相位均不同；第三组振动输入信号在x、y、z三个轴向的初相位与第一组和第二组振动输入信号的初相位均不同。

4.根据权利要求3所述的三轴振动加速度信号耦合修正检测方法，其特征是：所述步骤五中，耦合检测误差修正的步骤为：基于步骤一得到的第一单轴加速度计、第二单轴加速度计和第三单轴加速度计各自的灵敏度矩阵和步骤四数据采集单元采集到的电信号，得到每组单轴加速度计在三组三轴振动加速度信号激励下分别产生的电信号和每组单轴加速度计灵敏度矩阵之间的关系式，结合三组加速度信号之间的线性关系，计算得到准确的运动平台输出的三轴振动加速度信号。

说明书

三轴振动加速度信号耦合修正检测系统及方法

技术领域

[0001] 本发明属于振动测试技术领域，具体涉及一种基于单轴加速度计的三轴振动加速度信号耦合修正检测系统及方法。

背景技术

[0002] 随着多轴振动测试技术在工业智能化领域越来越广泛的应用，对基于三轴加速度计等多轴振动检测传感器的振动信号检测精度提出了越来越高的要求。为保证三轴加速计的检测精度，需对其灵敏度等关键参数进行出厂前检定及定期标定。

[0003] 目前，三轴加速度计通常基于单轴标定系统进行标定，标定过程利用单轴激振器依次对三轴加速度计三个轴分别施加激励信号，然后通过单轴激光测振仪等标准检测设备检测该激励信号，通过比较标准检测设备与待标定三轴加速度计的输出信号可以计算得到三轴加速度计的灵敏度等参数。可见，单轴标定法操作过程复杂，效率低，而且不能准确标定三轴加速度计的耦合灵敏度。为此，近年来，研究学者们提出了三轴同步动态标定法，该方法由三轴激振器对待标定的三轴加速度计同步施加三轴振动激励信号，可以准确、快速标定三轴加速度计的耦合灵敏度。但是，为保证标定精度，需准确检测三轴振动激励信号。目前，三轴动态标定过程中的激励信号通常由经过上一级标准装置标定过的激光干涉仪进行测量。但是，激光干涉仪存在造价高、光路调整困难、对环境要求苛刻的问题，而且在检测三轴激振器输出的某一轴振动时，会受到其他两个轴产生的横向运动（轴间耦合）的干扰，使调整光路的难度大大增加，影响三轴激励信号的检测精度，进而影响三轴动态标定精度。

发明内容

[0004] 针对三轴加速度计动态标定过程中基于激光干涉仪检测三轴振动加速度信号存在造价高、光路调整困难、对环境要求苛刻以及轴间耦合影响检测精度等问题，本发明提出一种基于三组单轴加速度计分别检测三轴激振器各轴输出振动加速度信号的接触式检测系统，可通过耦合检测误差修正实现三轴激励信号高精度检测。

[0005] 本发明采用的技术方案为：三轴振动加速度信号耦合修正检测系统，包括三通道程控信号发生器，振动激励单元，振动检测单元，数据采集单元，计算机，所述振动激励单元包括三轴激振器及三轴激振器各轴对应的功率放大器；

[0006] 所述三通道程控信号发生器产生标准正弦电压信号，通过功率放大器输入三轴激振器；

[0007] 所述振动检测单元包括单轴加速度计及其配适的电荷放大器；

[0008] 其特征是：假设x、y、z分别代表三轴激振器的三个正交振动轴向，单轴加速度计及其配适的电荷放大器用于检测三轴激振器产生的三轴振动加速度信号；所述单轴加速度计包括主轴沿x正方向安装的第一单轴加速度计，主轴沿y正方向安装的第二单轴加速度计，主轴沿z正方向安装的第三单轴加速度计；

[0009] 所述的数据采集单元包括多通道数据采集卡，其特征是:同步采集三组单轴加速度计及适配的电荷放大器产生的电信号，并将采集到的电信号传输给计算机；

[0010] 计算机中安装有耦合误差修正软件，耦合误差修正软件包含信号产生模块，信号采集模块，耦合误差修正模块。所述耦合误差修正模块对每组单轴加速度计在振动加速度信号激励下产生的电信号进行耦合检测误差修正，计算得到准确的三轴激振器的运动平台输出的三轴振动加速度信号。

[0011] 应用三轴振动加速度信号耦合修正检测系统的三轴振动加速度信号耦合修正检测方法，其特征是：包含如下步骤：

[0012] 步骤一：基于单轴加速度计灵敏度矩阵的校准方法依次校准得到第一单轴加速度计、第二单轴加速度计和第三单轴加速度计各自的灵敏度矩阵；

[0013] 步骤二：由耦合误差修正软件中的信号产生模块控制三通道程控信号发生器产生三组包含三路正弦电压信号的振动输入信号，三组振动输入信号相互之间线性独立；

[0014] 步骤三：每组振动输入信号的各路正弦电压信号由各轴对应的功率放大器放大后，输入三轴激振器，驱动三轴激振器产生三组三轴振动加速度信号；

[0015] 步骤四：由三组单轴加速度计及适配的电荷放大器检测所述的三组三轴振动加速度信号，得到相应的电信号，并由数据采集单元同步采集该电信号，

[0016] 并传输给信号采集模块；

[0017] 步骤五：基于步骤一得到的灵敏度矩阵和步骤四数据采集单元采集到的电信号，耦合误差修正模块对数据采集单元采集到的电信号进行耦合检测误差修正，计算得到准确的三轴振动加速度信号；

[0018] 所述的三轴振动加速度信号耦合修正检测方法，其特征是所述步骤二中，三组振动输入信号在x、y、z三个轴向的幅值对应相同；第一组振动输入信号在x、y、z三个轴向初相位相同；第二组振动输入信号在x、y、z三个轴向的初相位与第一组振动输入信号的初相位均不同；第三组振动输入信号在x、y、z三个轴向的初相位与第一组和第二组振动输入信号的初相位均不同。

[0019] 所述的三轴振动加速度信号耦合修正检测方法，其特征是：所述步骤五中，耦合检测误差修正的步骤为：基于步骤一得到的第一单轴加速度计、第二单轴加速度计和第三单轴加速度计各自的灵敏度矩阵和步骤四数据采集单元采集到的电信号，得到每组单轴加速度计在三组三轴振动加速度信号激励下分别产生的电信号和每组单轴加速度计灵敏度矩阵之间的关系式。结合三组加速度信号之间的线性关系，计算得到准确的运动平台输出的三轴振动加速度信号。

[0020] 本发明所需检测系统组成结构简单，操作流程简便，适用范围广泛，可以有效提高三轴激振器输出的三轴振动加速度信号的检测精度。

附图说明

[0021] 图1为基于单轴加速度计的三轴振动加速度信号耦合修正检测系统组成图；

[0022] 图2为三组单轴加速度计安装结构示意图；

[0023] 图3为三组单轴加速度计的灵敏度矩阵模型图。

[0024] 图中，1‑第一单轴加速度计，2‑第二单轴加速度计，3‑第三单轴加速度计，4‑运动平台。

具体实施方式

[0025] 以下结合附图，对本发明进行详细说明：

[0026] 如图1所示，基于单轴加速度计的三轴振动加速度信号耦合修正检测系统包括：三通道程控信号发生器、三轴激振器、第一功率放大器、第二功率放大器、第三功率放大器、第一单轴加速度计、第二单轴加速度计、第三单轴加速度计、第一电荷放大器、第二电荷放大器、第三电荷放大器、多通道数据采集卡、计算机；计算机中安装有耦合误差修正软件，耦合误差修正软件包含信号产生模块，信号采集模块，耦合误差修正模块。

[0027] 假设x、y、z分别代表三轴激振器的三个正交振动轴向，第一单轴加速度计、第二单轴加速度计、第三单轴加速度计分别用于检测三轴激振器沿x、y、z轴输出的三轴振动加速度信号。三组单轴加速度计的主轴沿不同正方向安装时，各单轴加速度计对应的灵敏度矩阵模型如图2所示。规定第一单轴加速度计的灵敏度矩阵为(Sxx Sxy Sxz)，其主轴沿x正方向安装时，Sxx为主轴灵敏度，Sxy为沿y正方向的横向灵敏度，Sxz为沿z正方向的横向灵敏度。第二单轴加速度计的灵敏度矩阵为(Syx Syy Syz)，其主轴沿y正方向安装时,Syy为主轴灵敏度，Syx为沿x正方向的横向灵敏度，Syz为沿z正方向的横向灵敏度。第三单轴加速度计的灵敏度矩阵为(Szx Szy Szz)，其主轴沿z正方向安装时，Szz为主轴灵敏度，Szx为沿x正方向的横向灵敏度，Szy为沿y正方向的横向灵敏度。

[0028] 基于此，所述的基于单轴加速度计的三轴振动加速度信号耦合修正检测系统的具体检测步骤为：

[0029] 1.基于单轴加速度计灵敏度矩阵的校准方法依次校准得到第一单轴加速度计、第二单轴加速度计和第三单轴加速度计各自的灵敏度矩阵。

[0030] 2.将第一单轴加速度计、第二单轴加速度计和第三单轴加速度计安装在三轴激振器中用于产生三轴振动加速度信号的运动平台上，安装过程中确保第一单轴加速度计的主轴沿x正方向，其横向灵敏度Sxy对应的灵敏轴沿y正方向，其横向灵敏度Sxz对应的灵敏轴沿z正方向。第二单轴加速度计的主轴沿y正方向，其横向灵敏度Syx对应的灵敏轴沿x正方向，其横向灵敏度Syz对应的灵敏轴沿z正方向。第三单轴加速度计的主轴沿z正方向，其横向灵敏度Szx对应的灵敏轴沿x正方向，其横向灵敏度Szy对应的灵敏轴沿y正方向。

[0031] 3.由信号产生模块控制三通道的程控信号发生器产生包含三路正弦电压信号的第一组振动输入信号，该信号分别由三轴激振器各轴对应的功率放大器放大后，驱动三轴激振器的运动平台产生第一组三轴振动加速度信号。

[0032] 4.由第一单轴加速度计、第二单轴加速度计和第三单轴加速度计及适配的第一电荷放大器、第二电荷放大器和第三电荷放大器检测所述的第一组三轴振动加速度信号，得到相应的电信号，并由数据采集卡同步采集该电信号，并传输给信号采集模块。

[0033] 5.由信号产生模块控制三通道的程控信号发生器产生包含三路正弦电压信号的第二组振动输入信号，保证该信号与第一组振动输入信号线性独立，进而分别由三轴激振器各轴对应的功率放大器放大后，驱动三轴激振器的运动平台产生第二组三轴振动加速度信号。

[0034] 6.由第一单轴加速度计、第二单轴加速度计和第三单轴加速度计及适配的第一电荷放大器、第二电荷放大器和第三电荷放大器检测所述的第二组三轴振动加速度信号，得到相应的电信号，并由数据采集卡同步采集该电信号，并传输给信号采集模块。

[0035] 7.由信号产生模块控制三通道的程控信号发生器产生包含三路正弦电压信号的第三组振动输入信号，保证该信号与第一组振动输入信号和第二组振动输入信号均线性独立，进而分别由三轴激振器各轴对应的功率放大器放大后，驱动三轴激振器的运动平台产生第三组三轴振动加速度信号。

[0036] 8.由第一单轴加速度计、第二单轴加速度计和第三单轴加速度计及适配的第一电荷放大器、第二电荷放大器和第三电荷放大器检测所述的第三组三轴振动加速度信号，得到相应的电信号，并由数据采集卡同步采集该电信号，并传输给信号采集模块。

[0037] 9.基于耦合误差修正原理及所述的三组单轴加速度计的灵敏度矩阵，由耦合误差修正模块对每组单轴加速度计在第一组、第二组和第三组三轴振动加速度信号激励下分别产生的电信号进行耦合检测误差修正，计算得到准确的运动平台输出的三轴振动加速度信号。

[0038] 三轴振动加速度信号的耦合检测误差修正及计算的具体过程为：

[0039] 1)假设由信号产生模块控制三通道的程控信号发生器产生包含三路正弦电压信号的第一组振动输入信号为xr1、yr1、zr1,分别对应输入三轴激振器的x、y、z轴。xr1、yr1、zr1的数学表达式为:

[0040]               （1）

[0041] 式中，Ax、Ay、Az分别为xr1、yr1、zr1的幅值；φx1、φy1、φz1分别为xr1、yr1、zr1的初相位，并且0≤φx1=φy1=φz1<2π；ω为相应的振动角频率。

[0042] 2)假设由信号产生模块控制三通道的程控信号发生器产生包含三路正弦电压信号的第二组振动输入信号为xr2、yr2、zr2,分别对应输入三轴激振器的x、y、z轴。为保证第二组振动输入信号与第一组振动输入信号是线性独立的关系，假设第二组振动输入信号与第一组振动输入信号的幅值相同，初相位均不同，xr2、yr2、zr2的数学表达式为：

[0043]               （2）

[0044] 式中，φx2、φy2、φz2分别为xr2、yr2、zr2的初相位,并且0≤φx1<φx2<φy2<φz2<2π；ω为相应的振动角频率。

[0045] 3)假设由信号产生模块控制三通道的程控信号发生器产生包含三路正弦电压信号的第三组振动输入信号为xr3、yr3、zr3，分别对应输入三轴激振器的x、y、z轴。为保证第三组振动输入信号与第一组振动输入信号和第二组振动输入信号均线性独立，假设第三组振动输入信号与第一组和第二组振动输入信号的幅值相同，初相位均不同，xr3、yr3、zr3的数学表达式为：

[0046]               （3）

[0047] 式中，φx3、φy3、φz3分别为xr3、yr3、zr3的初相位，并且0≤φx2<φx3<φy3<φz3<2π；ω为相应的振动角频率。

[0048] 4)假设信号采集模块采集到的第一单轴加速度计由第一组、第二组和第三组三轴振动加速度信号激励产生的电信号为ux1、ux2、ux3。第二单轴加速度计由第一组、第二组和第三组三轴振动加速度信号激励产生的电信号为uy1、uy2、uy3。第三单轴加速度计由第一组、第二组和第三组三轴振动加速度信号激励产生的电信号为uz1、uz2、uz3。

[0049] 5)以第三单轴加速度计为例，说明单轴加速度计在三轴激励环境下耦合检测误差的修正原理，计算得到运动平台沿z方向输出的准确振动加速度信号。具体修正过程为：

[0050] 通常情况下，所述的三轴激振器和功率放大器可以看作定常时不变系统，可以将三轴激振器及其各轴向对应的功率放大器组合成振动激励单元。振动激励单元沿x、y、z轴对应的加速度频响函数可以假设为：

[0051]            （4）

[0052] 式中，j是虚数单位，e是欧拉常数，Bx(jω)、By(jω)、Bz(jω)分别为振动激励单元沿x、y、z轴的幅频特性，φx(jω)、φy(jω)、φz(jω)分别为振动激励单元沿x、y、z轴的相频特性。

[0053] 结合式(1)和式(4)，可以计算出三轴激振器在第一组振动输入信号的激励下，运动平台沿x、y、z方向产生的第一组三轴振动加速度信号ax1、ay1、az1的表达式为：

[0054]   （5）

[0055] 基于第三单轴加速度计的灵敏度矩阵，可以得到uz1与ax1、ay1、az1之间的关系式为：

[0056]           （6）

[0057] 结合式(2)和式(4)，可以计算出三轴激振器在第二组振动输入信号的激励下，运动平台沿x、y、z方向产生的第二组三轴振动加速度信号ax2、ay2、az2的表达式为：

[0058]   （7）

[0059] 由式(5)和式(7)可知，运动平台产生的第二组振动加速度信号的初相位与第一组振动加速度信号的初相位的关系式为：

[0060]                   （8）

[0061] 进一步，结合式(8)，可以计算得到ax2与ax1的相量关系式为：

[0062] （9）

[0063] 同理，可以计算得到ay2、ay1以及az2、az1的关系式为：

[0064]                   （10）

[0065]                   （11）

[0066] 进一步，基于第三单轴加速度计的灵敏度矩阵，可以得到uz2与ax2、ay2、az2之间的关系式为：

[0067]         （12）

[0068] 结合式(3)和式(4)，可以计算出三轴激振器在第三组振动输入信号的激励下，运动平台沿x、y、z方向产生的第三组三轴振动加速度信号ax3、ay3、az3的表达式为：

[0069] （13）

[0070] 由式(5)和式(13)可知，运动平台产生的第三组振动加速度信号的初相位与第一组振动加速度信号的初相位的关系式为：

[0071]                  （14）

[0072] 进一步，结合式(14)，可以计算得到ax3、ay3、az3分别与ax1、ay1、az1的关系式为：

[0073]                   （15）

[0074]                   （16）

[0075]                   （17）

[0076] 进一步，基于第三单轴加速度计的灵敏度矩阵，可以得到uz3与ax3、ay3、az3之间的关系式为：

[0077]                  （18）

[0078] 由式(6)、式(12)和式(18)可知，第三单轴加速度计在其横向输出特性的影响下，输出的电信号中存在非主轴灵敏度方向的耦合量，进而产生耦合检测误差。基于耦合误差修正原理，用耦合误差修正模块对第三单轴加速度计输出的电信号中存在的耦合检测误差进行修正，进而可以计算得到运动平台沿z方向准确的振动加速度信号az1、az2、az3。

[0079] 耦合误差修正原理为：将式(9)、(10)及(11)代入式(12)，将式(15)、(16)及(17)代入式(18)，结合式(6)可得：

[0080]     （19）

[0081] 考虑到所述的假设条件0≤φx1=φy1=φz1<2π，0≤φx1<φx2<φy2<φz2<2π，φx2<φx3<φy3<φz3<2π，式(19)的系数行列式可以表示为：

[0082]

[0083] 通常传感器的灵敏度均大于0，结合式(8)和式(14)可知，δx1<δy1，δx2<δz2，所以D3>0。进而基于式(11)和式(17)，可以计算得到准确的振动加速度信号为：

[0084] ， ， ，其中 。

[0085] 进一步，基于第一单轴加速度计的灵敏度矩阵，可以得到ux1与ax1、ay1、az1，ux2与ax2、ay2、az2，ux3与ax3、ay3、az3之间的关系式为：

[0086]                    (20)

[0087] 进一步，与所述的以第三单轴加速度计为例，得到运动平台沿z方向准确的振动加速度信号的计算过程相同。基于耦合误差修正原理，用耦合误差修正模块对第一单轴加速度计输出的电信号中存在的耦合检测误差进行修正，进而可以计算得到运动平台沿x方向准确的振动加速度信号ax1、ax2、ax3。

[0088] 耦合误差修正原理为：将式(9)、(10)、(11)、(15)、(16)、(17)代入式(20)，可得：

[0089]        (21)

[0090] 考虑到所述的假设条件0≤φx1=φy1=φz1<2π，0≤φx1<φx2<φy2<φz2<2π，φx2<φx3<φy3<φz3<2π，式(21)的系数行列式可以表示为：

[0091]

[0092] 通常传感器的灵敏度均大于0，结合式(8)和式(14)可知，δx1<δy1，δx2<δz2，所以D1>0。进而基于式(9)和式(15)，可以计算得到准确的振动加速度信号为：

[0093] ， ， ，其中 。

[0094] 进一步，基于第二单轴加速度计的灵敏度矩阵,可以得到uy1与ax1、ay1、az1，uy2与ax2、ay2、az2，uy3与ax3、ay3、az3之间的关系式为：

[0095]                    (22)

[0096] 进一步，与所述的以第三单轴加速度计为例，得到运动平台沿z方向准确的振动加速度信号的计算过程相同。基于耦合误差修正原理，用耦合误差修正模块对第二单轴加速度计输出的电信号中存在的耦合检测误差进行修正，进而可以计算得到运动平台沿y方向准确的振动加速度信号ay1、ay2、ay3。

[0097] 耦合误差修正原理为：将式(9)、(10)、(11)、(15)、(16)、(17)代入式(22)，可得：

[0098]         (23)

[0099] 考虑到所述的假设条件0≤φx1=φy1=φz1<2π，0≤φx1<φx2<φy2<φz2<2π，φx2<φx3<φy3<φz3<2π，式(23)的系数行列式可以表示为：

[0100]

[0101] 通常传感器的灵敏度均大于0，结合式(8)和式(14)可知，δx1<δy1，δx2<δz2，所以D2>0。进而基于式(10)和式(16)，可以计算得到准确的振动加速度信号为：

[0102] ， ， ，其中 。

[0103] 基于此，即可得到修正耦合检测误差后的第一组、第二组、第三组三轴振动加速度信号。

[0104] 本发明所述的基于单轴加速度计的三轴振动加速度信号耦合修正检测系统的具体检测步骤为：首先由耦合误差修正软件的信号产生模块控制三通道的程控信号发生器产生三组相互线性独立的振动输入信号，该信号分别由三轴激振器各轴对应的功率放大器放大后，驱动三轴激振器的运动平台产生三组三轴振动加速度信号。由三组单轴加速度计及适配的电荷放大器检测所述的三组三轴振动加速度信号，得到相应的电信号。由多通道数据采集卡同步采集该电信号，并传输给信号采集模块。基于耦合误差修正原理，用耦合误差修正模块对三组单轴加速计在检测三轴振动加速度信号时产生的耦合检测误差进行准确、快速修正，计算得到准确的三轴激振器的运动平台沿x、y、z方向输出的三轴振动加速度信号。

[0105] 本发明所需检测系统组成结构简单，操作流程简便，适用范围广泛，可以有效提高三轴激振器输出的三轴振动加速度信号的检测精度。