专利名称：振动与冲击传感器磁灵敏度检定系统及检测方法
技术领域：
本发明属于磁灵敏度检定，尤其涉及振动与冲击传感器的磁灵敏度检定系统及检测方法。
背景技术：
磁灵敏度是反映压电传感器对交变磁场敏感程度的一项指标，它是指传感器(以压电加速传感器为例)在均勻旋转磁场中的输出最大值与磁场的磁感应强度的比值。磁灵敏度是振动与冲击传感器的重要参数之一，特别是在强磁场下，这一参数尤为重要，因此本发明中所指的传感器特指振动与冲击传感器。例如某些压电加速度计磁灵敏度竟近达 103m/(s_2. T)数量级，也就是说，如果在IT的磁场下应用这个压电加速度计，仅磁场引起的噪声输出就有103m/S_2。即使是磁灵敏度低的标准压电加速度计，IT的磁场引起的噪声输出也能达到lOm/V2数量级，足以把待测信号淹没。在某些场合，如在飞机上，对传感器的安全性能要求非常高，对其磁灵敏度的要求就非常苛刻。如果将上述类型的加速度计用于这样高要求的场合，由于磁场干扰的随机性，传感器的使用就存在着重大的安全隐患。况且， 有些振动与冲击传感器如电磁式振动与冲击传感器、涡流振动与冲击传感器，由于其工作原理就是磁感应原理，它们对磁场往往更加敏感，磁灵敏度检测对其尤为重要。目前传感器磁灵敏度的测试有两种方式一是采用“磁场静止，传感器旋转”，然而由于传感器本身就是振动的敏感器件，当传感器旋转时，它引起的无用信号往往比待测的信号大很多，使放大器一直处在过载堵塞状态，并且测试时环境振动和导线移动引起的无用信号也和待测信号混在一起而无法分开，用这样的方法测试信噪比低且非常困难，对于许多传感器，用这种方法根本无法测试；二是采用“传感器静止，磁场旋转”，只测量了传感器某个平面的磁灵敏度，不能全面检测传感器各个平面磁灵敏度，若其磁灵敏度最大值处于其他平面，将无法测得。
发明内容
本发明的目的在于克服现有磁灵敏度测试方法的缺点，提供一种更为准确、科学的用于振动与冲击传感器的磁灵敏度检定系统及检测方法。本发明为一种振动与冲击传感器磁灵敏度检定系统，其要点在于它包括检测线圈、测试平台、上位机，线圈驱动电机固定于电机防振台上，电机防振台固定于支撑支架上， 两个检测线圈与线圈驱动电机的旋转轴连接，对称地安装在测试平台的上方，旋转轴带动双线圈在水平面上旋转，两线圈串联，测试平台上固定有检测传感器固定架，待测传感器的固定座位于检测传感器固定架上，待测传感器水平地安装在检测传感器固定架上且位于两检测线圈中央，检测线圈与励磁电源相接，被测传感器的输出信号与上位机相连，被测传感器固定座上接有传感器转动电机，传感器转动电机、线圈驱动电机与电机控制器相接，电机控制器与上位机相接，固定座的旋转中心线与旋转轴的旋转中心线相垂直。本发明的原理在于两个线圈对称地安装在测试平台上方，两个线圈与测试平台是不接触的，旋转轴带动双线圈在水平面上自由旋转；两线圈相互串联，通以同方向电流，线圈间距等于线圈半径，两个载流线圈的总磁场在被测传感器的中心平面附近有一定范围的均勻磁场。测试平台用于安装待测传感器，将待测传感器水平地安装在测试平台上且位于两线圈中央，并可绕振动灵敏轴灵活地转动、固定；用隔振器将测试平台与周围环境隔离， 以提高测试信噪比，排除干扰信号。励磁电源用于产生测试磁场，频率为50Hz (或60Hz)。 励磁电源产生的交变电流同时流过两个相互串联的线圈。通过调整交变电流的电流强度， 使之在传感器安装处产生一个磁感应强度为(1 士2%) 1(Γ2Τ (r. m. s)、频率为50Hz (或60Hz) 的交变测试磁场。传感器磁灵敏度测试装置是特殊设计用以实现上述过程的装置，通过传感器转动电机带动待测传感器旋转，对待测传感器的磁输出各个平面进行测试，找出其在磁场中的最大输出值。具体而言本发明的两检测线圈为亥姆霍兹线圈，匝数相等、尺寸和形状都相同，线圈间距等于线圈半径。实际制作的通电线圈具体参数为线圈半径为200mm，单边绕线匝数为130，线圈间距等于线圈半径，所使用的线为横截面为2mmX4mm的方形线，两线圈串联后的总电阻为 0. 7士0. 03 Ω，串联电感25. 7mH，调节电压在147士3 (V)，50Hz时中心交流磁场为lOOGs，均勻区为Φ60Χ60(πιπι)即半径为30mm的球形，均勻度IX 1(Γ3 Δ Η/Η。测试平台为隔振测试平台，在平台的下方装有隔振器。以防止振动对检测结果影响。所述的待测传感器的输出信号与上位机相连，是指待测传感器的输出信号通过电荷放大器、电压表与上位机相连。用本装置检测传感器磁灵敏度的具体步骤为1)用非导磁固定件把待测传感器水平安装在检测传感器固定架的固定座上，并且位于两线圈中央(可通过调整检测传感器固定架实现)，传感器转动电机可绕其振动灵敏轴即X轴灵活地转动、固定；2)线圈通电稳定后，用特斯拉计测量两线圈中央磁场的磁感应强度，同时调节两线圈中的电流，把两线圈中央磁场的磁感应强度调整至(1 士2% )10_2T(r.m. s) ；3)记录此时线圈角度α为0°，传感器角度β为0°，并记录此时电压表输出V(0°，0° ) ;4)a)上位机发一指令给线圈电机控制器，带动线圈旋转所设定的角度间隔m，360°可被m整除；b)旋转完成后，上位机发指令给数字电压表，令其作一次测试，并记录其数据；c)重复步骤a) 步骤b)，当线圈旋转一周360°后，即可得到这一测试平面的360°传感器磁输出数据力)计算机发布指令给传感器电机控制器，传感器转动电机带动传感器旋转设定的角度间隔n，360°可被η整除，重复步骤4，记录传感器在该平面的传感器输出；6)当传感器绕其中心轴转动一周即360°后，
即可得到传感器全空间方位上的磁输出数据组V( α，β) (α = 0°、！ιι° ....... 360°，β
=0°、！ι° ........360° )，通过上位机对检测数据进行存储、处理，通过比较可得传感器
在磁场中的输出最大值Vmax (a t，i3t)。不同的m、n值决定了不同的检测精度，为了节省检测时间也可先用较大的m、n值进行检测后，再用较小的mp II1进行检测，在得到输出最大值输出最大值Vmax (a t，β,)后， 在α t、β t的左右间隔中即在α η与α t+1、β 与t+1之间以较小的H^n1间隔重复4、5步骤，以得到精确输出最大值V' fflax(a ‘ t, β ‘ t)，m可被Hi1整除，η可被Ii1整除。由于磁灵敏度的分布并不是有规律的波形，所以为了防止Vmax(at，i3t)被漏过m、η值不能过大，一般线圈角度α的角度间隔m为(1_5) °、传感器旋转角度β的角度间隔 η 为 1° 、2° 、3° 、4° 、5° 、6° 、8° 、9° 、10° 、12° 、15° 或 30° 。磁灵敏度的测试过程就是寻找传感器在测试磁场中的最大磁输出的过程。为了寻找传感器在磁场中的最大磁输出值，测试磁场与待测传感器必须在空间上交成任意的各个不同角度，同时测量、比较这些角度上的传感器磁输出，从而找出最大磁输出值。本发明专利采用“多平面固定传感器，360°旋转测试磁场”的方法，利用亥姆霍兹线圈使两个载流线圈的总磁场在轴的中点附近的较大范围内是均勻的，待测传感器每更换一次测试平面，测试磁场旋转一周，记录传感器输出最大值，待测传感器转过一周，记录其输出最大值即完成检定过程，使用该方法能方便、准确地测试振动与冲击传感器的磁灵敏度。
图1为磁灵敏度检定系统的结构示意2为本发明实施例1的程序方框3为本发明实施例2的程序方框4为实施例2的检测结果的极坐标图其中1线圈驱动电机2检测线圈3待测传感器4励磁电源5电机控制器 6电荷放大器7电压表8上位机9测试平台11旋转轴12支撑支架13检测传感器固定架14电机防振台 31传感器转动电机。
具体实施例方式下面的实施例可以使本专业的技术人员更理解本发明，但不以任何形式限制本发明，本发明中所指的传感器特指振动与冲击传感器。如图1所示，一种振动与冲击传感器磁灵敏度检定系统，它包括检测线圈2、测试平台9、上位机8，线圈驱动电机1固定于电机防振台14上，电机防振台14固定于支撑支架12上，两个检测线圈2与线圈驱动电机1的旋转轴11连接，对称地悬空安装在测试平台 9的上方，测试平台9为隔振测试平台，在平台的下方装有隔振器，为了更好地防振，测试平台9的固定基础与支撑支架12的固定基础是隔开的。两检测线圈2为亥姆霍兹线圈，匝数相等、尺寸和形状都相同，线圈间距等于线圈半径，线圈与测试平台是不接触的，旋转轴11 带动双线圈2在水平面上旋转，两线圈串联，测试平台上固定有检测传感器固定架13，待测传感器3的固定座位于检测传感器固定架13上，待测传感器3水平地安装在检测传感器固定架13上，并通过调整检测传感器固定架13使其位于两检测线圈中央，检测线圈2与励磁电源4相接，被测传感器3的输出信号通过电荷放大器6、数字电压表7与上位机8相连。 旋转轴11上接有线圈驱动电机1，被测传感器固定座上接有传感器转动电机31，传感器转动电机31、线圈驱动电机1与电机控制器5相接，电机控制器5与上位机8相接，固定座的旋转中心线与旋转轴的旋转中心线相垂直。实际制作的通电线圈具体参数为线圈半径为200mm，单边绕线匝数为130，线圈间距等于线圈半径，所使用的线为横截面为2mmX4mm的方形线，两线圈串联后的总电阻为 0. 7 士 0. 03Ω，串联电感25. 7mH，调节电压在147 士 3 (V)，50Hz时中心交流磁场为lOOGs，均勻区为Φ60Χ60(πιπι)即半径为30mm的球形，均勻度IX 1(Γ3 Δ Η/Η。
根据磁感应强度的计算公式B-----两线圈中央处的磁场的磁感应强度，T (r. m. s.)；I-----每个线圈中的电流强度，A(r.m. s.)；N-----每个线圈的匝数；R-----每个线圈的半径，m;L-----两个线圈的间距，m。可知，当线圈参数确定，即可通过调节电流来调节磁场，而调节电流又是通过调节电压实现，Z = R+jwL其中(都是交流值)U线圈两端的电压，I是线圈的电流，Z电线圈的阻值，Z是阻抗与感抗的和，其中感抗的值跟通电的电流的频率有关，频率越高，感抗越大， 因此可以根据所需的B值来进行调整。一种应用上述传感器磁灵敏度检定系统检测传感器磁灵敏度的方法1)用非导磁固定件把待测传感器水平安装在检测传感器固定架13的固定座上，通过调整检测传感器固定架13使振动与冲击传感器位于两线圈中央，传感器转动电机可绕其振动灵敏轴即 X轴灵活地转动、固定；幻线圈通电稳定后，用特斯拉计测量两线圈中央磁场的磁感应强度，同时调节两线圈中的电流，把两线圈中央磁场的磁感应强度调整至(1 士2% )10_2T(r. m. s) ；3)记录此时线圈角度α为0°，传感器角度β为0°，并记录此时电压表输出V(0°， 0° ) ；4)a)上位机8发一指令给线圈电机控制器，线圈驱动电机1带动线圈(磁场)旋转所设定的角度间隔m(360°可被m整除)；b)旋转完成后，上位机8发指令给数字电压表，令其作一次测试，并记录其数据；c)重复步骤a) 步骤b)，当线圈旋转一周360°后，即可得到这一测试平面的360°传感器磁输出数据；即待测传感器3的输出信号通过电荷放大器6 放大后接到数字电压表7，上位机8通过IEEE485接口与数字电压表7、励磁电源4、电机控制器5通信，线圈驱动电机1等间隔运行停止时，数字电压表采样发送给上位机存储数据， 当线圈旋转360°即完成传感器一个角度的一个圆周的检测力)计算机发布指令给传感器电机控制器，传感器转动电机带动传感器旋转设定的角度间隔n(360°可被η整除)，重复步骤4，记录传感器在该平面的传感器输出；6)当传感器绕其中心轴转动一周(360° )后，
即可得到传感器全空间方位上的磁输出数据组V( α，β) (α =0°、！ιι° ....... 360°，β
=0°、！ι° ........360° )，通过上位机(8)对存储的检测数据进行处理、比较即可得传感
器在磁场中的最大输出值Vmax(a t，i3t)。3.测试结果通过用公式(2)计算传感器磁灵敏度，即Sb =( 2 )式中VB,max——传感器在磁场中的最大输出值，m/s2 (对于加速度传感器)、m/s (对于速度传感器)、mm (对于位移传感器)；
B——测试磁场的磁感应强度，T。经试验上述的检测方法中的m、η可以为m为(1-5) °、11为1°、2°、3°、4°、 5° 、6° 、8° 、9° 、10° 、12° 、15° 或 30° 。间隔越小测量所得的结果越精准，但所花的时间越长，所以可根据测量需要来选择测量间隔。不同的m、n值决定了不同的检测精度，为了节省检测时间也可先用较大的m、 η值进行检测后，再用较小的m” H1进行检测，在得到输出最大值输出最大值Vmax (at, β t) 后，在at、β t的左右间隔中即在at_i与at+1、β ^与β ^之间以较小的叫、Ii1间隔重复 4、5步骤，以得到精确输出最大值V' fflax(a ‘ t, β ‘ t)，m可被Hi1整除，η可被Ii1整除，通常选择IIi1、II1为1。实施例1 线圈半径为200mm，单边绕线匝数为130，线圈间距等于线圈半径，所使用的线为横截面为2mmX4mm的方形线，两线圈串联后的总电阻为0. 7士0. 03 Ω，串联电感25. 7mH, 调节电压在147士3(V)，50Hz时中心交流磁场为lOOGs，均勻区为Φ60Χ60(πιπι)即半径为 30mm的球形，均勻度1 X 10-3 Δ Η/Η。如图2所示，具体检测步骤1、将待测传感器水平地安装在测试平台电机支架上并且位于两线圈中央，电机可绕其振动灵敏轴(X轴)灵活地转动、固定。2.线圈通电稳定后，用特斯拉计测量两线圈中央磁场的磁感应强度，同时调节两线圈中的电流，把两线圈中央磁场的磁感应强度调整至(1 士 2 % ) IO-2T (r. m. s)。3.记录此时线圈角度α为0°，传感器角度β为0°，并记录此时电压表输出 V(0°，0° )。4. a)计算机发一指令给线圈电机控制器，线圈驱动电机带动线圈(磁场)旋转 5° ；b)旋转完成后，计算机发一指令给数字电压表，令其作一次测试，并记录其数据；c)重复步骤a) 步骤b)，即测试磁场每旋转5°，电压表测量一次。当线圈(磁场)旋转一周(360° )后，即可得到这一测试平面的360°传感器磁输出数据。5.计算机发布指令给传感器电机控制器，传感器转动电机带动传感器旋转30°， 重复步骤4，记录传感器在该平面的磁输出。6.当传感器绕其灵敏轴转动一周(360° )后，即可得到传感器全空间方位上的磁
输出数据组V(a，β) (α =0°、30° ....... 360°，β = 0°、5° ........360° )，找出
传感器在磁场中的输出最大值Vmax (a t，i3t)。7.在输出最大值Vmax (α t，β,)附近减小搜索间隔。a)计算机发一指令给传感器电机控制器，传感器转动电机带动传感器转至 (3t-30° )。b)计算机发一指令给线圈电机控制器，带动线圈转至(α t_5° )。8. a)计算机发一指令给线圈电机控制器，带动线圈(磁场)旋转1° ；b)旋转完成后，计算机发一指令给数字电压表，令其作一次测试，并记录其数据；c)重复步骤a) 步骤b)，即测试磁场每旋转1°，电压表测量一次。当线圈(磁场)旋转至(at+5° )后，此平面细搜索完成。9.计算机发布指令给传感器电机控制器，传感器转动电机带动传感器旋转1°，重复步骤8，记录传感器在该平面的传感器细搜索输出。10.当传感器旋转至(i3t+30° )，磁场旋转至(at+5° )后，即可得到传感器(at，i3t)范围内的细搜索磁输出数据组V' (α，β)，找出V' (α，β)中最大值 V' _(a' t, β ‘ t)，即为传感器在磁场中的输出最大值。实施例2，如图3所示1.待测传感器水平地安装在测试平台电机支架上并且位于两线圈中央，电机可绕其振动灵敏轴(X轴)灵活地转动、固定。2.线圈通电稳定后，用特斯拉计测量两线圈中央磁场的磁感应强度，同时调节两线圈中的电流，把两线圈中央磁场的磁感应强度调整至(1 士 2 % ) IO-2T (r. m. s)。3.记录此时线圈角度α为0°，传感器角度β为0°，并记录此时电压表输出 V(0°，0° )。4. a)计算机发一指令给线圈电机控制器，线圈驱动电机1带动线圈(磁场)旋转 1°b)旋转完成后，计算机发一指令给数字电压表，令其作一次测试，并记录其数据；c)上位机8以设定的角度间隔1°发指令给线圈电机控制器，线圈驱动电机带动线圈旋转设定的角度间隔1°，重复步骤a) 步骤b)，即测试磁场每旋转Γ，电压表测量一次。当线圈(磁场)旋转一周(360° )后，即可得到这一测试平面的360°传感器磁输出数据，如图4所示，为这一测试平面传感器磁输出数据的极坐标，从图中可以看出该平面传感器转至180°时有输出最大值，为0. 6279m/s2。5.计算机发布指令给传感器电机控制器，传感器转动电机31带动待测传感器旋转5°，重复步骤4，记录传感器在该平面的传感器输出，可以得出不同于图4的这一平面的测试数据图。6.当传感器绕其灵敏轴转动一周(360° )后，即可得到传感器全空间方位上的磁
输出数据组 V(a，β) (α =0°、1° ....... 360°，β = 0°、5° ........360° )，上位
机通过比较找出传感器在磁场中的输出最大值Vmax ( α t，β t)。
权利要求
1.一种振动与冲击传感器磁灵敏度检定系统，其特征在于，它包括检测线圈O)、测试平台(9)、上位机(8)，线圈驱动电机(1)固定于电机防振台(14)上，电机防振台(14)固定于支撑支架(12)上，两个检测线圈(2)与线圈驱动电机⑴的旋转轴(11)连接，对称地安装在测试平台(9)的上方，旋转轴(11)带动双线圈在水平面上旋转，两线圈串联，测试平台(9)上固定有检测传感器固定架(13)，待测传感器(3)的固定座位于检测传感器固定架 (13)上，并能使待测传感器(3)水平地安装在检测传感器固定架(13)上且位于两检测线圈 ⑵中央，检测线圈⑵与励磁电源⑷相接，待测传感器⑶的输出信号与上位机⑶相连，待测传感器C3)固定座上接有传感器转动电机(31)，传感器转动电机(31)、线圈驱动电机⑴与电机控制器(5)相接，电机控制器(5)与上位机⑶相接，固定座的旋转中心线与旋转轴(11)的旋转中心线相垂直。
2.根据权利要求1所述的一种振动与冲击传感器磁灵敏度检定系统，其特征在于，两检测线圈⑵匝数相等、尺寸和形状都相同，线圈间距等于线圈半径。
3.根据权利要求1所述的一种振动与冲击传感器磁灵敏度检定系统，其特征在于，线圈半径为200mm，单边绕线匝数为130，所使用的线为横截面为2mmX4mm的方形线，两线圈串联后的总电阻为0. 7士0. 03 Ω，串联电感25. 7mH，调节电压在147士3 (V)，50Hz时中心交流磁场为IOOGs，均勻区Φ 60 X 60 (mm)即半径为30mm的球形，均勻度1Χ1(Γ3ΔΗ/Η。
4.根据权利要求1所述的一种振动与冲击传感器磁灵敏度检定系统，其特征在于，测试平台(9)为隔振测试平台，在平台的下方装有隔振器。
5.根据权利要求1所述的一种振动与冲击传感器磁灵敏度检定系统，其特征在于，所述的待测传感器⑶的输出信号与上位机⑶相连，是指待测传感器⑶的输出信号通过电荷放大器(6)、电压表(7)与上位机⑶相连。
6.一种应用根据权利要求1所述的振动与冲击传感器磁灵敏度检定系统检测传感器磁灵敏度的方法，其特征在于，其步骤为1)用非导磁固定件把待测传感器水平安装在检测传感器固定架(13)的固定座上，并且位于两线圈中央，传感器转动电机可绕其振动灵敏轴即X轴灵活地转动、固定；幻线圈通电稳定后，用特斯拉计测量两线圈中央磁场的磁感应强度，同时调节两线圈中的电流，把两线圈中央磁场的磁感应强度调整至 (1 士2%)10-2T(r.m. s) ；3)记录此时线圈角度α为0°，传感器角度β为0°，并记录此时电压表输出V(0°，0° ) ；4)a)上位机(8)发一指令给线圈电机控制器，线圈驱动电机 (1)带动线圈旋转所设定的角度间隔m，360°可被m整除；b)旋转完成后，上位机(8)发指令给数字电压表，令其作一次测试，并记录其数据；c)重复步骤a) 步骤b)，当线圈旋转一周360°后，即可得到这一测试平面的360°传感器磁输出数据力)计算机发布指令给传感器电机控制器，传感器转动电机(31)带动待测传感器旋转设定的角度间隔n，360° 可被η整除，重复步骤4，记录传感器在该平面的传感器输出；6)当传感器绕其中心轴转动一周即360°后，即可得到传感器全空间方位上的磁输出数据组V(a，β) (α = 0°、m° ....... 360° , β = 0°、！ι° ........360° )，通过上位机(8)对检测数据进行存储、处理，通过比较可得传感器在磁场中的输出最大值Vmax ( α t，β t)。
7.根据权利要求6所述的检测传感器磁灵敏度的方法，其特征在于，在得到输出最大值输出最大值Vmax (a t，i3t)后，在α t、β t的左右间隔中即在Ci^与α^^β^与日讯之间以较小的Hipn1间隔重复4、5步骤，以得到精确输出最大值V' fflax(a ‘ t, β ‘ t)，m可被Hi1整除，η可被Ii1整除。
8.根据权利要求6所述的检测传感器磁灵敏度的方法，其特征在于，线圈角度α的角度间隔m为(1-5)。。
9.根据权利要求6所述的检测传感器磁灵敏度的方法，其特征在于，传感器旋转角度 β 的角度间隔 η 为 1°、2°、3°、4°、5°、6°、8°、9°、10°、12°、15° 或 30°。
全文摘要
本发明为一种传感器磁灵敏度检定系统，其要点在于两个检测线圈与旋转轴连接，对称地安装在测试平台的上方，旋转轴带动双线圈在水平面上旋转，两线圈串联，测试平台上固定有检测传感器固定架，待测传感器的固定座位于检测传感器固定架上，位于两检测线圈中央，检测线圈与励磁电源相接，被测传感器的输出信号与上位机相连，旋转轴上接有线圈驱动电机，被测传感器固定座上接有传感器转动电机，传感器转动电机、线圈驱动电机与电机控制器相接，电机控制器与上位机相接，固定座的旋转中心线与旋转轴的旋转中心线相垂直。本发明采用多平面固定传感器，360°旋转测试磁场，除了磁场旋转外，待测传感器也旋转，能方便、准确地测试振动与冲击传感器的磁灵敏度。
文档编号G01D18/00GK102519512SQ20111044632
公开日2012年6月27日 申请日期2011年12月27日 优先权日2011年12月27日
发明者吕丹, 方祖梅, 方辉, 林军, 许航, 黄志煌 申请人:福建省计量科学研究院