一种光纤加速度传感器的标定系统的制作方法

本发明涉及一种光纤加速度传感器的标定系统，属于自动化技术领域。

背景技术：

在光纤加速度传感器的研发过程中，需要对加速度传感器的各项参数进行多次标定来验证方案的可行性，以不断优化设计。但是传统的加速度传感器标定系统所需仪器繁多，标定系统体积大、自动化程度较低，且标定成本高，这些缺点不仅严重影响了加速度传感器的研发和生产效率，而且使标定操作变得复杂繁琐，一般的非技术人员难以完成标定操作，更无法实现推广。

另外由于每一次标定和校准都需要通过计量局等专业标定机构进行，不但花费较大，还会浪费大量的人力和时间。目前市场上的加速度传感器标定系统主要标定对象为电压或电荷输出型的加速度传感器。随着加速度传感器的快速发展，急需开发一种标定对象为光纤加速度传感器的标定系统，使之能够在实验室和工厂对加速度传感器进行标定实验，并可节省大量的人力、物力和财力。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服上述现有技术的不足，而提供了一种体积小、操作难度和标定成本较低，且能够保证高精度、高效率和高自动化程度的光纤加速度传感器标定系统。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：提供一种光纤加速度传感器标定系统，包括主控单元，信号发生器，功率放大器，振动平台，电荷放大器，采集卡，上位机，解调仪和直流电源；

所述的直流电源分别与主控单元、信号发生器和功率放大器连接组成驱动模块供电；所述的主控单元与信号发生器、功率放大器顺序连接，功率放大器与振动平台中的激振器连接；

所述的振动平台包括激振器和振动台面，激振器通过螺杆与在其上方的振动台面相连；振动台面上设有安装孔用于固定标准加速度传感器和待测光纤加速度传感器，标准加速度传感器与电荷放大器，采集卡，上位机顺序连接；待测光纤加速度传感器与解调仪连接后直接与上位机连接；

其中：主控单元用于控制正弦信号的频率和幅值，并通过自带的液晶屏显示正弦信号的设定值；

信号发生器用于生成频率和幅值可调的正弦波信号；

功率放大器用于将信号发生器产生的正弦信号进行放大，产生稳定的高电压、大电流的驱动信号；

振动平台的激振器用于根据驱动信号产生垂直方向的振动，为固定在振动台面上的标准加速度传感器和待测加速度传感器提供频率和大小可控的加速度；

电荷放大器用于将标准加速度传感器的输出转换成电压并进行放大滤波；

采集卡用于采集标准加速度传感器的输出信号并通过USB发送给上位机；

解调仪用于解调待测光纤加速度传感器输出的波长信息，并将波长信息以文档的形式通过网口发送给上位机；

上位机用于接收标准加速度传感器和待测光纤加速度传感器的输出信号、在上位机界面中显示和处理信号波形，并计算待测光纤加速度传感器的灵敏度、线性度和频响特性，绘制线性度和频率响应曲线。

所述的主控单元、信号发生器和功率放大器集成到一块PCB板中，并封装在机柜内。

所述的信号发生器通过主控单元的单片机控制，采用DDS技术产生频率可调的正弦波，再通过乘法型DAC进行调幅，幅度和频率可通过矩阵键盘调节。

所述的功率放大器采用集成高电压大电流功放芯片，搭建外围直流伺服电路和过流过压保护电路，形成稳定的恒流输出。

本发明的光纤加速度传感器标定系统与现有的技术相比具有的优点是：

⑴、本发明的标定对象为光纤加速度传感器，而目前市场上的加速度传感器标定系统主要标定对象为电压或电荷输出型的加速度传感器。

⑵、本发明的标定系统中，信号发生器以DDS芯片和乘法型DAC芯片为核心，提高了正弦信号的精度，降低了频率和幅值误差；功率放大器采用集成功放芯片，利用直流伺服电路实现恒流输出，降低了波形失真和振动平台的控制难度；同时将主控单元、信号发生器和功率放大器集成到一块PCB板中，在保证了精度的同时，大大降低了标定系统的体积和成本。

⑶、本发明的标定系统采用了上位机对待测光纤加速度传感器输出与标准加速度传感器进行对比显示和处理，并绘制线性度和频率响应曲线，整个标定过程都在上位机中完成，降低了标定的操作难度，提高了标定系统的效率和自动化程度，同时降低了标定成本。

附图说明

图1为本发明光纤加速度传感器标定系统的结构示意图。

图2为本发明标定系统的信号发生器中信号发生电路示意图。

图3为本发明标定系统的信号发生器中调幅电路示意图。

图4为本发明标定系统的信号发生器输出的部分波形示意图。

图5为本发明标定系统的功率放大器电路示意图。

图6为本发明标定系统的上位机界面示意图。

图7为本发明标定系统的上位机绘制的线性度曲线图。

图8为本发明标定系统的上位机绘制的频响曲线图。

上述图中：1—主控单元；2—信号发生器；3—功率放大器；4—振动平台；5—电荷放大器；6—采集卡；7—上位机；8—解调仪；9—直流电源；10—待测光纤加速度传感器；11—标准加速度传感器；12—激振器；13—振动台面。

具体实施方式

下面结合附图对本发明光纤加速度传感器标定系统作进一步详细的描述，但本发明的实施不限于此。

实施例1：本发明提供一种光纤加速度传感器标定系统，其整体结构如图1的框图所示，本系统包括主控单元1，信号发生器2，功率放大器3，振动平台4，电荷放大器5，采集卡6，上位机7，解调仪8和直流电源9；

所述的直流电源9分别与主控单元1，信号发生器2和功率放大器3连接组成驱动模块供电。所述的主控单元与信号发生器、功率放大器顺序连接，主控单元、信号发生器和功率放大器集成到一块PCB板中，并封装在机柜内。功率放大器与振动平台4上的激振器12连接。

所述的振动平台4包括激振器12和振动台面13，激振器通过螺杆与在其上方的振动台面相连，振动台面上设有安装孔用于固定标准加速度传感器11和待测光纤加速度传感器10；标准加速度传感器与电荷放大器5，采集卡6，上位机7顺序连接；待测光纤加速度传感器与解调仪8连接后直接与上位机连接。

其中：主控单元1用于控制正弦信号的频率和幅值，并通过自带的液晶屏显示正弦信号的设定值；信号发生器2用于生成频率和幅值可调的正弦波信号；信号发生器通过主控单元的单片机控制，采用DDS技术产生频率可调的正弦波，再通过乘法型DAC进行调幅，幅度和频率可通过矩阵键盘调节。

功率放大器3采用集成高电压大电流功放芯片，搭建外围直流伺服电路和过流过压保护电路，用于将信号发生器产生的正弦信号进行放大，产生稳定的高电压、大电流驱动信号，驱动振动平台的激振器产生垂直方向的振动。

振动平台4的激振器12用于根据驱动信号产生垂直方向的振动，为固定在振动台面13上的标准加速度传感器11和待测加速度传感器10提供频率和大小可控的加速度；

电荷放大器5用于将标准加速度传感器的输出转换成电压并进行放大滤波；

采集卡6用于采集标准加速度传感器的输出信号并通过USB发送给上位机；

解调仪8用于解调待测光纤加速度传感器输出的波长信息，并将波长信息以文档的形式通过网口发送给上位机。

上位机7用于接收标准加速度传感器和待测光纤加速度传感器的输出信号、在上位机界面中显示和处理信号波形，并计算待测光纤加速度传感器的灵敏度、线性度和频响特性，绘制线性度和频率响应曲线。

参见图2，为本发明的光纤加速度传感器标定系统中信号发生器的信号发生电路。本电路采用集成的DDS芯片实现频率0～2³²Hz可调的正弦波输出，频率分辨率为0.029Hz。正弦波的幅值由电阻R26决定，本电路将R26阻值定为100Ω，输出的正弦波信号峰峰值为1V。由于DDS芯片输出信号中含有直流分量，所以在后级加了一个二阶高通滤波器，截止频率为0.1Hz。

本发明的光纤加速度传感器标定系统中信号发生器的调幅电路参见图3。该电路的核心为乘法型DAC芯片，DDS产生的正弦波经滤波之后将作为该DAC芯片的参考电压输入，通过单片机控制可实现正弦波幅度调节。调幅电路之后也加了滤波电路，尽最大可能滤除噪声。

本发明的光纤加速度传感器标定系统中信号发生器的输出波形参见图4。图中只展示了信号发生器输出频率为1Hz，峰峰值为50mV、5V时的波形以及频率为5kHz，峰峰值为50mV、5V时的波形。由波形图整体分析可以得出以下结论，信号发生器能产生频率1～5kHz，峰峰值0～5V的正弦波信号，频率误差小于2.3％，幅值误差小于2％，这样的正弦波信号经功率放大器电路后可为激振器13提供良好的驱动信号。

参见图5，为本发明的光纤加速度传感器标定系统中的功率放大器电路。功率放大器是本系统的一个重要部分。本系统功率放大器采用一款集成的高电压大电流功放芯片，该芯片能够输出峰值5A的电流信号，但是其输出方式为恒压输出，所以还需要加上电阻R53形成电流负反馈，反馈回路中加上高保真运放U13，钳位二极管D5、D6以及阻容元件，使功放芯片实现0～2A恒流输出。同时该电路能够减小波形失真，为后续标定提供稳定的校准环境。

本发明光纤加速度传感器标定系统的上位机界面如图6所示。本发明为了简化操作，将参数设置、测量参数显示以及波形显示界面整合到了一起，整个上位机系统的各项参数一目了然。利用选项卡控件将灵敏度幅值、灵敏度线性度和灵敏度频响曲线的标定过程分别设置在三个选项卡中，使整个标定流程更加清晰，界面更加整洁。数据采集之前可以通过界面对物理通道和采样时钟进行选择，设置通道电压幅值限制、采样率、采样数、放大倍数、文件存储路径等参数；数据采集开始之后，将数据转换成波形进行对比显示，并分析其频率、幅值等参数，根据这些参数计算出加速度和灵敏度大小，显示在上位机界面中，供用户查看。用户可以随时切换到其他参数的标定界面，观察标定进度。用户可以通过停止按钮结束标定。

本发明的光纤加速度传感器标定系统绘制的线性度曲线如图7所示。固定驱动信号频率，改变幅值测试多组数据之后，上位机即可根据所测的数据绘制出光纤加速度传感器的线性度曲线。

图8是本发明的光纤加速度传感器标定系统绘制的频响曲线图。固定驱动信号幅值，改变频率测试多组数据之后，上位机即可根据所测的数据绘制出光纤加速度传感器的频响曲线，整个标定过程只需要手动设置信号扫频范围和步进频率，大大减少了标定工作量。

本发明的光纤加速度传感器标定系统工作过程：

⑴、首先将待测光纤加速度传感器和标准加速度传感器背靠背地固定在振动台面上，开启直流电源9向主控单元1、信号发生器2和功率放大器3供电。

⑵、通过矩阵键盘输入驱动信号的频率和幅值，按下确认键，信号发生器2将根据设定产生相应频率和幅值的正弦驱动信号。

⑶、正弦驱动信号经过功率放大器3产生恒定电流输出，然后再传输给振动平台4。振动平台的激振器12随着驱动信号的大小产生垂直方向的振动，为待测光纤加速度传感器10和标准加速度传感器11提供频率、大小可控的加速度信号。

⑷、标准加速度传感器输出为电荷信号，该信号通过电荷放大器5转换成电压信号，电压信号通过采集卡6采集并发送给上位机7。

⑸、待测光纤加速度传感器10输出信号通过解调仪8转换成波长变化的信息，并将数据以文档形式通过网口发送给上位机7。

⑹、上位机将对比及显示标准加速度传感器和待测光纤加速度传感器的输出信号波形，并通过标准加速度传感器的输出计算出振动平台所提供的加速度大小，然后根据待测光纤加速度传感器的输出计算其灵敏度。

⑺、固定频率值，调整正弦信号幅值进行多组测试，上位机可以绘制出待测光纤加速度传感器的线性度曲线；固定正弦信号幅值，设置扫频范围和步进频率进行多组测试，上位机可以绘制出待测光纤加速度传感器的频响曲线。

本发明的光纤加速度传感器标定系统体积小，标定系统的成本低，整个标定过程都在上位机中完成，降低了标定操作的难度，提高了标定系统的效率和自动化程度。