压电式传感器标定装置、方法及振动传感器与流程

1.本技术涉及压电材料层技术领域，具体涉及一种压电式传感器标定装置、方法及振动传感器。


背景技术：

2.本技术对于背景技术的描述属于与本技术相关的相关技术，仅仅是用于说明和便于理解本技术的申请内容，不应理解为申请人明确认为或推定申请人认为是本技术在首次提出申请的申请日的现有技术。
3.压电式传感器作为一种动态应变传感器应用十分广泛，以压电薄膜为例，广泛用于医用传感器以及振动传感器等。一般来说压电式传感器需要进行标定。如压电薄膜材料具有蠕变特性，传感器性能参数会随时间与温度发生变化，因此需要对压电材料层传感器进行标定。
4.以往标定方法多在实验室利用霍普金森杆对其进行标定，实验方法较为精密，一般非技术人员难以实现，并且无法在现场对其进行标定。对于使用状态中的振动传感器无法实现在线自标定。


技术实现要素：

5.本技术实施例提供了一种压电式传感器标定装置、方法及振动传感器，能够方便对振动传感器进行标定。
6.第一方面，本技术实施例提供了一种振动传感器，包括：
7.壳体；
8.悬臂梁，其一端与所述壳体的侧壁固定，所述悬臂梁具有相对的第一表面和第二表面，所述第一表面朝向所述壳体的顶面，所述第二表面朝向所述壳体的底面，所述第一表面贴附有第一压电材料层，所述第二表面贴附有第二压电材料层，所述第一压电材料层与所述第二压电材料层并联或串联；
9.质量块，其与所述悬臂梁的另一端固定；
10.第一感应线圈，其与所述壳体的顶部连接，用于通电时吸附所述质量块，以使所述悬臂梁向所述第一感应线圈方向弯曲；
11.第二感应线圈，其与所述壳体的底部连接，用于通电时吸附所述质量块，以使所述悬臂梁向所述第二感应线圈方向弯曲；
12.信号输出电路，其用于与并联或串联的所述第一压电材料层和所述第二压电材料层连接，以输出并联或串联的所述第一压电材料层和所述第二压电材料层随所述悬臂梁弯曲产生的电信号。
13.可选实施例中，所述悬臂梁为铍青铜片。
14.可选实施例中，所述信号输出电路包括电荷放大器，所述电荷放大器用于将并联或串联的所述第一压电材料层和所述第二压电材料层随所述悬臂梁弯曲产生的电荷转换
为电压信号输出。
15.第二方面，本技术实施例提供了一种上述任一实施例所述的振动传感器的标定方法，所述方法包括：
16.将质量块吸附至所述第一感应线圈后释放，使被释放的质量块带动所述悬臂梁产生第一振动；
17.获取第一电压信号，所述第一电压信号为所述压电材料层基于所述第一振动产生；
18.将质量块吸附至所述第二感应线圈后释放，使被释放的质量块带动所述悬臂梁产生第二振动；
19.获取第二电压信号，所述第二电压信号为所述压电材料层基于所述第二振动产生；
20.根据所述第一电压信号形成的波形的一个周期，获取第一波峰电压幅值、第一波谷电压幅值和周期，所述第一波峰电压幅值和所述第一波谷电压幅值分别为所述第一电压信号形成的波形的一个周期的波峰电压值幅值和波谷电压幅值；
21.根据所述第二电压信号形成的波形的一个周期，获取第二波峰电压幅值和第二波谷电压幅值，所述第二波峰电压幅值和所述第二波谷电压幅值分别为所述第二电压信号形成的波形的一个周期的波峰电压值幅值和波谷电压幅值；
22.根据所述第一波峰电压幅值、所述第一波谷电压幅值、周期、所述第二波峰电压幅值和所述第二波谷电压幅值得到所述振动传感器的参数。
23.可选实施例中，所述第一波峰电压幅值为所述第一电压信号形成的波形的第二个波峰的电压值，所述第一波谷电压幅值为所述第一电压信号形成的波形的第一个波谷的电压值；
24.所述第二波峰电压幅值为所述第二电压信号形成的波形的第一个波峰的电压值，所述第二波谷电压幅值为所述第二电压信号形成的波形的第二个波谷的电压值。
25.可选实施例中，得到所述振动传感器的参数，包括：
26.根据所述第一波峰电压幅值、所述第一波谷电压幅值得到阻尼比d(无量纲)；所述阻尼比d通过下式得到，
[0027][0028]
式中，u1为第一波谷电压幅值(单位：v)，u2为第一波峰电压幅值(单位：v)。
[0029]
可选实施例中，得到所述振动传感器的参数，还包括：
[0030]
根据所述第一波峰电压幅值、所述第一波谷电压幅值和所述周期得到固有频率ω0(单位：rad/s)，所述固有频率ω0通过下式得到，
[0031]
[0032]
式中，u1为第一波谷电压幅值，u2为第一波峰电压幅值，t为第一波谷至第一波峰之间的时间间隔(单位：s)可选实施例中，得到所述振动传感器的参数，还包括：
[0033]
根据所述阻尼比、所述第一波谷电压幅值、第二波峰电压幅值以及质量块到第一感应线圈和第二感应线圈的距离之和，得到灵敏度；所述灵敏度k通过下式得到，
[0034][0035]
式中，u1为第一波谷电压幅值，u1′
为第二波峰电压幅值，d为阻尼比，d为质量块到第一感应线圈和第二感应线圈的距离之和(单位：m)。
[0036]
第三方面，本技术实施例提供了一种压电式传感器标定装置，包括：
[0037]
架体；
[0038]
悬臂梁，其一端与所述架体固定，所述悬臂梁具有相对的第一表面和第二表面，所述第一表面和所述第二表面提供待标定压电材料层的贴附面；
[0039]
质量块，其与所述悬臂梁的另一端固定；
[0040]
第一感应线圈，其与所述架体连接，位于所述第一表面一侧，用于通电时吸附所述质量块，以使所述悬臂梁向所述第一感应线圈方向弯曲；
[0041]
第二感应线圈，其与所述架体连接，位于所述第二表面一侧，用于通电时吸附所述质量块，以使所述悬臂梁向所述第二感应线圈方向弯曲；
[0042]
信号输出电路，其用于与待标定压电材料层连接，以输出待标定压电材料层随所述悬臂梁弯曲产生的电信号。
[0043]
可选实施例中，所述装置还包括：
[0044]
数据处理模块，其与所述信号输出电路电连接，用于对所述信号输出电路的电信号进行处理。
[0045]
第四方面，本技术实施例提供了一种压电式传感器标定方法，其特征在于，所述方法采用上述任一实施例所述的装置实现
[0046]
本技术实施例提供一种振动传感器中，第一感应线圈或第二感应线圈通电能后够对质量块进行吸附，使质量块向第一感应线圈或第二感应线圈移动，从而使悬臂梁弯曲，第一感应线圈或第二感应线圈断电后释放质量块，质量块带动悬臂梁振动，第一压电材料层和第二压电材料层随振动产生的电荷发生变化，基于此，能获得振动传感器的相关参数，在振动传感器使用状态即可实现对其在线标定。方案简单、实用。
附图说明
[0047]
为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0048]
图1示出本技术实施例的振动传感器的结构示意图；
[0049]
图2为振动传感器的悬臂梁的模型示意图。
[0050]
图3示出本技术实施例的振动传感器的信号输出电路的原理结构示意图；
[0051]
图4为两个压电材料层并联的示意图。
[0052]
图5为振动传感器力学模型的示意图。
[0053]
图6为悬臂梁的应变分布示意图。
[0054]
图7为信号输出电路输出的第一电压信号的波形示意图。
[0055]
图8为信号输出电路输出的第二电压信号的波形示意图。
[0056]
附图标记说明：
[0057]
1-壳体；2-悬臂梁；3-质量块；4-第一感应线圈；5-第二感应线圈；6-第一压电材料层；7-第二压电材料层7。
具体实施方式
[0058]
为了使本技术领域的人员更好地理解本技术方案，下面将对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
[0059]
本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。
[0060]
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本技术的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
[0061]
如图1所示，本技术实施例提供了一种振动传感器，包括壳体1、悬臂梁2、质量块3、感应线圈、压电材料层和信号输出电路。
[0062]
悬臂梁2的一端与壳体1的侧壁固定，悬臂梁2具有相对的第一表面和第二表面，第一表面朝向壳体1的顶面，第二表面朝向壳体1的底面。压电材料层包括第一压电材料层6和第二压电材料层7，第一压电材料层6贴附于悬臂梁2的第一表面，第二压电材料层7贴附于悬臂梁2的第二表面。第一压电材料层6与第二压电材料层7可以是并联，也可以是串联。
[0063]
质量块3与悬臂梁2的另一端固定。悬臂梁2与质量块3连接的一端为自由端，质量块3能够带动悬臂梁2振动。
[0064]
感应线圈与壳体1连接，感应线圈用于通电时对质量块3进行吸附，断电时，释放质量块3，从而引发振动。感应线圈包括第一感应线圈4和第二感应线圈5。第一感应线圈4与壳体1的顶部连接，用于通电时吸附质量块3，以使悬臂梁2向第一感应线圈4方向弯曲。第二感应线圈5与壳体1底部连接，用于通电时吸附质量块3，以使悬臂梁2向第二感应线圈5方向弯曲。
[0065]
信号输出电路用于与串联或并联的第一压电材料层6和第二压电材料层7连接，以输出串联或并联的第一压电材料层和第二压电材料层随悬臂梁2弯曲产生的电信号。
[0066]
本技术实施例提供一种振动传感器中，第一感应线圈4或第二感应线圈5通电能后
够对质量块3进行吸附，使质量块3向第一感应线圈4或第二感应线圈5移动，从而使悬臂梁2弯曲，第一感应线圈4或第二感应线圈5断电后释放质量块3，质量块3带动悬臂梁2振动，第一压电材料层6和第二压电材料层7随振动产生的电荷发生变化，基于此，能获得振动传感器的相关参数，在振动传感器使用状态即可实现对其在线标定。方案简单、实用。
[0067]
本技术实施例中，悬臂梁2的具体材质不限，只要其性能参数符合振动传感器的要求即可。示例性实施例中，悬臂梁2为铍青铜片。铍青铜片具有很高的硬度、弹性极限、疲劳极限和耐磨性，还具有良好的耐蚀性、导热性和导电性，能够使振动传感器具有良好的性能及较长的使用寿命。
[0068]
本技术实施例中的压电材料层可以选用任意合适的能产生压电效应的敏感功能材料。示例性实施例中，压电材料层可以是压电薄膜或压电陶瓷等。以压电薄膜为例，本技术实施例中的第一压电材料层6和第二压电材料层7则分别为第一压电薄膜和第二压电薄膜。
[0069]
参见图3，一些实施例中，信号输出电路包括电荷放大器，电荷放大器用于将第一压电材料层6和第二压电材料层7随悬臂梁2弯曲产生的电荷转换为电压信号输出。
[0070]
一些实施例中，本技术实施例的振动传感器还包括数据处理模块，数据处理模块与信号输出电路电连接，用于对信号输出电路的电信号进行处理。数据处理模块对电信号进行处理可以得到振动传感器的相关参数，从而实现对振动传感器的标定。
[0071]
数据处理模块可以具有一定算力的计算机模块。具体的，可以是平板电脑，笔记本电脑，手机，以及单片机等。数据处理模块与信号输出电路可以是有线连接，也可以是无线连接。实现数据处理模块与信号输出电路之间实现数据传输的连接方式不限。数据处理模块可以是集成在壳体1内，也可以是相对独立的部件，需要时再与信号输出电路连接。
[0072]
一些实施例中，本技术实施例的振动传感器还包括显示模块，显示模块与数据处理模块连接，显示模块用于对数据处理模块的处理结果进行显示。例如，将振动传感器的参数显示在显示模块上。显示模块可以是任意的显示器。显示模块可以是集成在壳体1上，也可以是相对独立的部件，或者与数据处理模块构成一体。例如，笔记本电脑的主机可以作为数据处理模块，笔记本电脑的显示屏可以作为显示模块。
[0073]
本技术实施例的振动传感器还包括电源，电源用于给振动传感器的用电部件供电。例如，电源与第一感应线圈4和第二感应线圈5连接，用于给第一感应线圈4或第二感应线圈5供电，使第一感应线圈4或第二感应线圈5吸附质量块3。电源也可以与数据处理模块连接，用于给数据处理模块供电。
[0074]
本技术实施例提供了一种上述任一实施例的振动传感器的标定方法，下面关于方法的实施例可以用于进一步理解上述实施例的振动传感器，上述关于振动传感器的实施例可以用于理解本技术实施例的标定方法。本技术实施例的振动传感器的标定方法包括：
[0075]
将质量块3吸附至述第一感应线圈4后释放，使被释放的质量块3带动所述悬臂梁2产生第一振动。例如通过给第一感应线圈4，吸附质量块3，使悬臂梁2弯曲后，切断供电，使被释放的质量块3带动悬臂梁2振动。
[0076]
获取第一电压信号，第一电压信号为压电材料层基于第一振动产生。振动过程中，压电材料层随悬臂梁2弯曲，压电材料层产生电荷，其输出的电荷数据可以称为第一电荷数据，根据压电材料层输出的第一电荷数据，可以得到第一电压信号。
[0077]
第一电压信号可以由第一电荷数据转换得到，具体实施中，可以是信号输出电路将第一电荷数据转换为第一电压信号。
[0078]
根据第一电压信号，得到振动传感器的参数。例如，阻尼比d和固有频率ω0。
[0079]
当然，也可以是将质量块3吸附至述第二感应线圈5后释放，使被释放的质量块3带动所述悬臂梁2产生第二振动。例如通过给第二感应线圈5，吸附质量块3，使悬臂梁2弯曲后，切断供电，使被释放的质量块3带动悬臂梁2振动。
[0080]
获取第二电压信号，第二电压信号为压电材料层基于第二振动产生。振动过程中，压电材料层随悬臂梁2弯曲，压电材料层产生电荷，其输出的电荷数据可以称为第二电荷数据，根据压电材料层输出的第二电荷数据，可以得到第二电压信号。
[0081]
第二电压信号可以由第二电荷数据转换得到，具体实施中，可以是信号输出电路将第二电荷数据转换为第二电压信号。
[0082]
根据第二电压信号，得到振动传感器的参数。例如，阻尼比d和固有频率ω0。
[0083]
得到灵敏度k，需要根据第一电压信号和第二电压信号。
[0084]
下面以根据第一电压信号，得到阻尼比d和固有频率ω0为例进行说明。
[0085]
根据第一电压信号形成的波形的一个周期，获取第一波峰电压幅值、第一波谷电压幅值和周期。第一波峰电压幅值和第一波谷电压幅值分别为第一电压信号形成的波形的一个周期的波峰电压值幅值和波谷电压幅值，即第一波峰和第一波谷相邻，周期为第一波峰和第二波峰之间的时间。
[0086]
根据一波峰电压幅值、第一波谷电压幅值得到阻尼比d；阻尼比d通过下式得到，
[0087][0088]
式中，u1为第一波谷电压幅值(单位：v)，u2为第一波峰电压幅值(单位：v)。
[0089]
根据第一波峰电压幅值、第一波谷电压幅值和所述周期得到固有频率ω0，所述固有频率ω0通过下式得到，
[0090][0091]
式中，u1为第一波谷电压幅值，u2为第一波峰电压幅值，t为第一波谷至第一波峰之间的时间间隔与两点时间间隔，为半个震荡周期(单位：s)。
[0092]
根据第二电压信号，得到阻尼比d和固有频率ω0，示例性实施例中，根据第二电压信号，得到振动传感器的参数，包括：根据第二电压信号形成的波形的一个周期，获取第二波峰电压幅值、第二波谷电压幅值和周期。第二波峰电压幅值和第二波谷电压幅值分别为第二电压信号形成的波形的一个周期的波峰电压值幅值和波谷电压幅值，即第二波峰和第二波谷相邻，周期为第二波峰和第二波峰之间的时间。得到阻尼比d和固有频率ω0的具体公式可参考上述实施例，在此不再赘述。
[0093]
一些实施例中，根据第一电压信号和第二电压信号得到灵敏度，包括：根据阻尼
比、第一波谷电压幅值、第二波峰电压幅值以及质量块3到第一感应线圈4和第二感应线圈5的距离之和，得到灵敏度。灵敏度k通过下式得到，
[0094][0095]
式中，u1为第一波谷电压幅值，u1′
为第二波峰电压幅值，d为阻尼比，d为质量块3到第一感应线圈4和第二感应线圈5的距离之和(单位：m)。
[0096]
本技术实施例的振动传感器的标定方法中，第一感应线圈4或第二感应线圈5通电能后够对质量块3进行吸附，使质量块3向第一感应线圈4或第二感应线圈5移动，从而使悬臂梁2弯曲，第一感应线圈4或第二感应线圈5断电后释放质量块3，质量块3带动悬臂梁2振动，第一压电材料层和第二压电材料层随振动产生的电荷发生变化，基于此，能获得振动传感器的相关参数，在振动传感器使用状态即可实现对其在线标定。方案简单、实用。
[0097]
本技术实施例中，给第一感应线圈4或第二感应线圈5供电可以通过开关实现，例如通过手动控制或遥控供电给第一感应线圈4或第二感应线圈5，或切断供电。手动控制时，可以采用机械类开关。遥控时，可以采用电磁开关、气动开关等。具体实施中，可以是通过数据处理模块发出供电或切断电源的指令，以供电给第一感应线圈4或第二感应线圈5，或切断供电。
[0098]
参见图7，一些实施例中，第一波峰电压幅值为第一电压信号形成的波形的第二个波峰的电压值，第一波谷电压幅值为第一电压信号形成的波形的第一个波谷的电压值。采用第一个波谷之后的数据，可以避免在初始时刻的时候，由于质量块3有初始位移，此时压电材料层有电荷量产生，电荷会发生泄露，造成的不准确。并且采用第一个波谷和第二个波峰，数据清晰可靠。参见图8，同样，第二波峰电压幅值为第二电压信号形成的波形的第一个波峰的电压值，第二波谷电压幅值为第二电压信号形成的波形的第二个波谷的电压值。
[0099]
下面对本技术实施例的振动传感器的标定原理进行说明。
[0100]
图2为振动传感器的悬臂梁2的模型示意图。如图2所示，悬臂梁2为铍青铜片，在悬臂梁2的上下表面分别设有压电材料层，悬臂梁2的左端固定在外壳上，右端固定连接有质量块3作为自由端。整体悬臂梁2的长度为l(单位：m)，宽度为w(单位：m)，假设梁中性轴到铍青铜表面的厚度为t1(单位：m)，梁中性轴到压电材料表面厚度为t2(单位：m)，据此可知铍青铜片的厚度是2t1，单层压电材料层的厚度为t
2-t1。
[0101]
以压电薄膜为例，单层压电薄膜通常由压电体、电极、压电保护层、接线端子构成。电极和保护层分别覆盖在压电体的上下表面，接线端子分别连接压电体的电极。多层压电薄膜可以是串联或并联。考虑到想要输出更大的电荷，本技术实施例以采用并联的方式连接上下两层压电材料层进行说明。图4为两个压电材料层并联的示意图。参见图4，上下两个压电材料层按照相反的极化方向粘结在中间的铍青铜片上。假设在机械外力作用下压电材料层产生的微小变形对电容的改变很小，可近似认为压电材料层的电容是个常数。假设压电材料层本身绝缘、无泄漏，粘结层的能量耗损忽略不计。
[0102]
压电材料层采用极性相一致的方法分别贴附在中层铍青铜片的上下表面，同时对两片压电材料层采取并联的连接方法。压电材料层并联时，内阻减小，泄露电荷减少，双倍的正负电荷分别在两极聚集进入回路，可有效增大输出信号。
[0103]
当地面振动时，振动传感器的壳体1跟随着地面一起运动，而悬臂梁2带着质量块3会因为惯性与传感器的外壳会产生一个相对位移，力学模型如图5所示。m为质量块3质量(单位：kg)，k是悬臂梁2的劲度系数(n/m)，c为阻尼系数(单位：n/(m/s))，振动传感器的壳体1相对于地面振动的绝对位移为xu(t)(单位：m)，振动传感器的壳体1的位移使得质量块3和壳体1之间产生一个相对位移x
ξ
(t)(单位：m),那么质量块3相对于地面的绝对位移是x(t)＝xu(t)+x
ξ
(t)。
[0104]
弹簧施加的力为kx
ξ
(t)，阻尼器施加的力为-cdx
ξ
(t)/dt，有牛顿第二定律有：
[0105][0106]
两边进行拉氏变化，可得到绝对位移和相对位移的传递函数为：
[0107][0108]
取作为无阻尼固有频率参数，d＝c/(2mω0)作为阻尼比。因此传递函数可以写成标准的二阶传递函数：
[0109][0110]
压电材料层产生的输出电压，首先要求出压电材料层产生的电荷量，电荷量与应力有关，所以需要构建应变示意图，再计算应力分布，悬臂梁2的应变分布如图6所示：e1是铍青铜片的弹性模量(单位：pa)，σ1是铍青铜片所受的应力(单位：pa)，e2是压电材料层的弹性模量(单位：pa)，σ2是压电材料层所受的应力(单位：pa)。
[0111]
根据力矩平衡可得：
[0112][0113]
其中，σ1是铍青铜片所受应力，σ2是压电材料层所受应力。
[0114]
应力与材料应变ε(无量纲)的关系式如下：
[0115]
σ1＝e1·
ε
[0116]
σ2＝e2·
ε
[0117]
因此曲率半径ρ(单位m-1
)可表示为：
[0118][0119]
ξ为悬臂梁2不同x位置上一点在z方向上相对于平衡状态时的移位。忽略弯曲对厚度影响，弯曲后中性轴的弧长为ρθ，其中θ是中性轴弧长对应的中心角(单位：rad)。中性轴上方z处的弧长为(ρ+z)θ，可得应变的表达式为：
[0120]
[0121]
整理可得：
[0122][0123]
代入应力的表达式，可得：
[0124][0125][0126]
代入力矩平衡的关系式：
[0127][0128][0129][0130][0131]
令有:
[0132][0133]
可得：
[0134][0135]
由边界条件可得，c1＝c2＝0，因此可得：
[0136][0137]
当x＝l时，ξ(l)代表悬臂梁2末端质量块3相对于外壳的位移，此时，由此可得到力与位移的关系：
[0138][0139]
即悬臂梁2的劲度系数为：
[0140][0141]
压电材料层产生的电荷q(单位：c)的表达式为：
[0142][0143]
其中d
31
为压电材料压电系数(单位：c/n)
[0144]
压电材料层的应力表达式为：
[0145][0146][0147]
代入电荷的表达式可得：
[0148][0149]
可得：
[0150][0151]
代入力与位移的表达式，可得产生的电荷与位移的表达关系为：
[0152][0153]
化简可得：
[0154][0155][0156]
根据上式可知，压电材料层产生的电荷量与位移成正比。
[0157]
参见图2，压电材料层的电容c
p
(单位：f)为：
[0158][0159]
其中，∈为压电材料层的介电常数(单位：f/m)，a是压电材料层的表面积(单位：m2)，大小等于lw，dg是压电材料层两极板之间的距离(单位：m)，即压电材料层厚度，大小等于t
2-t1。因为上下表面都附有压电材料层，并采取并联模式，因此，振动传感器等效电容为：
[0160]
c＝2c
p
[0161]
参见图3，采用电荷放大器构建电荷读出电路，使得(1+kf)cf＞＞c，其中kf为放大
器开环增益(无量纲)，且数值较大，cf为反馈回路电容，此时电路输出电压为：
[0162][0163][0164]
令：
[0165][0166]
输出电压与相对位移成正比：
[0167]
u＝k
·
x
ξ
[0168]
振动传感器总的传递函数由机械传递函数、电气传递函数、读出电路传递函数组成：
[0169][0170]
参见图1，已知质量块3到第一感应线圈位移为d
up
，到第二感应线圈位移为d
down
，第一感应线圈4和第二感应线圈5与质量块3的距离之和d＝|d
up
|+|d
down
|，向线圈通电，质量块3会被线圈通电产生的磁场吸附，从而产生位移。当线圈不通电的时候，质量块3会失去吸附作用产生阻尼震荡，使得压电材料层发生形变而产生电荷信号。压电材料层和悬臂梁2材料会随时间蠕变，使得质量块3不处于中心位置，但是d值不会发生变化，选择第一感应线圈4和第二感应线圈5联合标定，可得到准确标定结果。
[0171]
质量块3被吸附抬升至d
up
处，然后释放，解二阶系统微分方程得其位移-时间函数表达式为：
[0172][0173]
解为指数衰减项与三角函数周期项的乘积，其中代表解周期项频率(单位：rad/s),a为周期项幅值，为周期项相位(单位：rad)
[0174]
电压-时间函数为
[0175][0176]
电压信号被采集出来，第一电压信号如图7所示。根据输出的响应曲线图，通过峰值检测容易得知第一个波谷幅值u1和第二个波峰幅值u2，及其时间差t(半个周期)，下面推导用上述三个参数标定阻尼比d，频率ω0。t1,t2分别为u1，u2所对应的时间，t为半个三角函数周期。
[0177]
因为初始位移是由质量块3距离第一感应线圈4和第二感应线圈5的距离决定的，因此分别用d
up
，d
down
来进行标定。已知t＝t
2-t1为半个周期，可得：
[0178][0179]
令两处的电压幅值为u0，u1，u2，可得：
[0180][0181][0182][0183]
上式联立可得：
[0184][0185]
参见图7，第一个波峰为初始值u0，其值并不准确，因为在初始时刻的时候，质量块3初始位移为d
up
，此时压电材料层有电荷量产生，电荷会发生泄露，因此选择第一个波谷和第二个波峰来标定，可得d的表达式为：
[0186][0187]
由此可得到标定阻尼比d的表达式。
[0188]
固有频率ω0表达式为：
[0189][0190][0191]
因此得到了固有频率ω0的标定表达式。
[0192]
灵敏度k与输入输出有关，为输入信号与输出信号之比。灵敏度只用单个的感应线圈标定是得不出来的，需要用到第一感应线圈4和第二感应线圈5联立标定。
[0193]
用第一感应线圈4进行标定时，初始相对位移为d
up
，第一个波谷和第二个波峰相对位移为d1，同理有：
[0194][0195]
则第一感应线圈4标定得到的第一个波谷电压幅值
[0196]
同理，第二感应线圈5标定得到的第一个波峰电压幅值u1′
：
[0197]
两式取绝对值联立有：
[0198][0199][0200]
因此可得到灵敏度k的标定表达式。
[0201]
因此，在进行对振动传感器的标定时，已知第一感应线圈4和第二感应线圈5距离质量块3的距离之和d，输入电流，将质量块3吸附至第一感应线圈4，然后释放可得振动传感器输出电压与时间的响应曲线图，由峰值检测容易得到第一个波谷t1时刻对应的幅值u1，第二个波峰t2时刻对应的幅值u2，以及t1与t2之间的时间间隔t，同理，通电将质量块3吸附至第二感应线圈5，易得到第一个波峰t1时刻对应的幅值u1'，由这些测量值，可以标定振动传感器的三个参数：阻尼比d、固有频率ω0、灵敏度k，从而得到完整的振动传感器传递函数。
[0202][0203]
本技术实施例提供了一种压电式传感器标定装置，参考图1及上述关于振动传感器说明部分。上述关于振动传感器及其标定方法的描述均可用于理解本技术实施例的压电式传感器标定装。本技术实施例的压电式传感器标定装置包括：
[0204]
架体；
[0205]
悬臂梁，其一端与架体固定，悬臂梁具有相对的第一表面和第二表面，第一表面和第二表面提供待标定压电材料层的贴附面；
[0206]
质量块，其与悬臂梁的另一端固定；
[0207]
第一感应线圈，其与架体连接，位于第一表面一侧，用于通电时吸附质量块，以使悬臂梁向第一感应线圈方向弯曲；
[0208]
第二感应线圈，其与架体连接，位于第二表面一侧，用于通电时吸附质量块，以使悬臂梁向第二感应线圈方向弯曲；
[0209]
信号输出电路，其用于与待标定压电材料层连接，以输出待标定压电材料层随悬臂梁弯曲产生的电信号。
[0210]
相较于振动传感器，本技术实施例的压电式传感器标定装置将上述振动传感器中的壳体替换为架体，其他部分的结构均可参考振动传感器部分。架体为标定装置提供了安装基础。为便于待标定压电材料层的标定，架体可以采用非封闭结构，例如，可以是一侧或
多侧开口的结构。具体实施中，可以是仅提供顶面、底面和连接顶面和底面的一侧面。标定装置可以对压电式传感器的电学参数进行标定。
[0211]
一些实施例中，标定装置还包括：数据处理模块，其与信号输出电路电连接，用于对信号输出电路的电信号进行处理。
[0212]
本技术实施例提供了一种压电式传感器标定方法，上述关于振动传感器及传感器的标定方法的实施例部分的描述均可用于理解本技术的压电式传感器标定方法的实施例。本技术实施例的压电式传感器标定方法采用上述任一实施例的标定装置实现。
[0213]
参考上述振动传感及振动传感器标定方法的实施例部分，通过上述标定装置能够得到压电材料的杨氏模量e2和压电系数d
31
，从而实现对压电材料的杨氏模量e2和压电系数d
31
的标定。例如，通过如下两式可以分别得到压电材料的杨氏模量e2和压电系数d
31
。
[0214][0215][0216]
当标定装置尺寸、悬臂梁杨氏模量e1、质量块质量m以及反馈电容cf为已知量时，从通过上述两式可得到压电材料杨氏模量e2和压电系数d
31
，实现对压电材料的杨氏模量e2和压电系数d
31
标定。
[0217]
本领域的技术人员可以清楚地了解到本技术的技术方案可借助软件和/或硬件来实现。本说明书中的“单元”和“模块”是指能够独立完成或与其他部件配合完成特定功能的软件和/或硬件，其中硬件例如可以是现场可编程门阵列(field－programmable gate array，fpga)、微控制单元(microcontroller unit，mcu)、集成电路(integrated circuit，ic)等。
[0218]
需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本技术并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本技术，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本技术所必须的。
[0219]
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
[0220]
在本技术所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置，可通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。
[0221]
作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络
单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
[0222]
另外，在本技术各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
[0223]
集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储器中。基于这样的理解，本技术的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储器中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本技术各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储器包括：u盘、只读存储器(read-only memory，rom)、随机存取存储器(random access memory，ram)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0224]
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储器中，存储器可以包括：闪存盘、只读存储器(read-only memory，rom)、随机存取器(random access memory，ram)、磁盘或光盘等。
[0225]
以上所述者，仅为本公开的示例性实施例，不能以此限定本公开的范围。即但凡依本公开教导所作的等效变化与修饰，皆仍属本公开涵盖的范围内。本领域技术人员在考虑说明书及实践这里的公开后，将容易想到本公开的其它实施方案。本技术旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未记载的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的范围和精神由权利要求限定。