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振动 传感器 频率响应特性的测量方法

阅读：1012发布：2020-06-30

专利汇可以提供振动传感器频率响应特性的测量方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提供一种振动传感器频率响应特性的测量方法，其包括：a)将待测振动传感器和参考振动传感器方向一致地固定在同一振动发生器上；b)使振动发生器在垂直方向上产生频率为f的简谐振动；c)将待测振动传感器和参考振动传感器输出的电平值对应求差；d)将待测振动传感器和参考振动传感器输出的电平的对应差值分别与参考振动传感器的预先标定的在同方向、同振幅、同频率振动下输出的电平对应值求和，以得到待测振动传感器的与频率f对应的灵敏度；e)在一定范围内改变频率f，并重复上述步骤b)至步骤d)，从而获得待测振动传感器的频率响应特性。使用该方法可以提高测量精度，使得利用普通测试设备也能测出精确的频率响应特性曲线。，下面是振动传感器频率响应特性的测量方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种振动传感器频率响应特性的测量方法，包括：
a)将待测振动传感器和参考振动传感器方向一致地固定在同一个振动发生器上；
b)使所述振动发生器在垂直方向上产生频率为f的简谐振动；
c)将所述待测振动传感器和所述参考振动传感器输出的电平值对应求差；
d)将所述待测振动传感器和所述参考振动传感器输出的电平值的对应差值分别与所述参考振动传感器的预先标定的在同方向、同振幅、同频率振动下输出的电平对应值求和，以得到所述待测振动传感器的与频率f对应的灵敏度；
e)在一定范围内改变频率f，并重复上述步骤b)至步骤d)，从而获得所述待测振动传感器的频率响应特性。
2.如权利要求1所述的振动传感器频率响应特性的测量方法，其中，所述待测振动传感器和所述参考振动传感器为三向振动传感器，具有相互正交的第一、第二和第三振动感受方向，可同时感受该三个方向上的振动加速度。
3.如权利要求2所述的振动传感器频率响应特性的测量方法，其中，所述待测振动传感器和参考振动传感器固定在所述振动发生器上，使得所述振动发生器产生的垂直方向的振动加速度在所述第一、第二和第三振动感受方向上的分量分别为：
ax＝a·sinα·sinβ，ay＝a·sinα·cosβ，az＝a·cosα
其中，a为所述振动发生器产生的垂直方向的振动加速度，ax、ay、az分别为a在所述第一、第二和第三振动感受方向上的分量，α为所述垂直方向的振动加速度与所述第三振动感受方向之间的夹角，β为所述垂直方向的振动加速度在所述第一和第二振动感受方向所在平面的投影与所述第二振动感受方向之间的夹角。
4.如权利要求1所述的振动传感器频率响应特性的测量方法，其中，所述振动发生器包括工作台，该工作台具有两个或多个平行的倾斜台面，用于方向一致地固定所述待测振动传感器和参考振动传感器。
5.如权利要求1所述的振动传感器频率响应特性的测量方法，其中，所述参考振动传感器与所述待测振动传感器具有同样的结构、并由同样的过程制造。

说明书全文

振动传感器 频率响应特性的测量方法

技术领域

[0001] 本发明涉及传感器领域，具体说，涉及一种振动传感器频率响应特性的测量方法。

背景技术

[0002] 随着通信行业的发展和可穿戴智能设备的兴起，振动传感器得到了更加广泛的应用。一类普遍使用的振动传感器的工作原理是，通过前置结构感受外界的振动加速度，然后通过后置芯片输出与该振动加速度对应的电平值，从而根据该电平值可以求得振动传感器所感受的振动加速度。振动传感器性能的一个重要方面可以由其频率响应特性曲线来衡量。振动传感器的频率响应特性曲线是指振动传感器的灵敏度随其所感受的振动频率而变化的曲线，具体说，对于振幅一定、频率为f的振动，振动传感器感受该振动的灵敏度可以表示为10×log(V(f)/V0),其中，V(f)为振动传感器感受该频率振动所输出的电平值，V0＝1V。

[0003] 实际中使用的振动传感器多为三向振动传感器，可以同时感受三个正交方向上的振动，并分别输出与该三个方向的振动相对应的电平值。图1a和1b为示意图，示出了现有的振动传感器频率响应特性的测量方法。应该注意，在图1a和1b中，为了简洁和清楚，只画出了与一个方向上的振动相对应的电平输出。在后面的描述中，也是只针对与一个方向上的振动相对应的电平输出进行描述。本领域技术人员很容易将其推广到三个振动方向的描述上。在测量振动传感器的频率响应特性时，现有的测量方法分两步进行。

[0004] 第一步,如图1a所示。首先，将参考振动传感器100固定在振动发生器10上。参考传感器100可以为知名传感器制造商生产的高精度、高稳定性振动传感器，其出厂时一般均自带一组频率响应数据作为校准使用。或者，参考传感器100也可以为一般振动传感器，但已在高规格试验中测得了精确的频率响应数据。然后，驱动信号源20发出频率为f的正弦波驱动信号，使振动发生器10在垂直方向上产生频率为f的简谐振动。设置在振动发生器10上的参考振动传感器100感受该振动后输出与其对应的电平值Vr(f)+Ve(f)，其中，Vr(f)表示参考振动传感器100在高规格试验中测得的在频率f振动下输出的电平值，Ve(f)反映了由于振动发生器10产生的振动偏离了简谐振动(即振动失真)而引起的参考振动传感器100的输出电平值Vr(f)的变化(即测量误差)。接着，将参考振动传感器100输出的电平值Vr(f)+Ve(f)与参考振动传感器100在高规格试验中测得的电平值Vr(f)一起输入求差装置30(例如差分运算放大器)，从而得到由于振动发生器10的振动失真而引起的电平值的测量误差Ve(f)。

[0005] 第二步，如图1b所示。首先，将待测振动传感器200固定在振动发生器10上。然后，驱动信号源20发出频率为f的正弦波驱动信号，使振动发生器10在垂直方向上产生频率为f的简谐振动。设置在振动发生器10上的待测振动传感器200感受该振动后输出与其对应的电平值Vd(f)+Ve(f)，其中，Vd(f)表示待测振动传感器200如果在高规格试验中测试的话在频率f的振动下应测得的电平值，Ve(f)反映了由于振动发生器10产生的振动失真而引起的待测振动传感器200的输出电平值Vd(f)的测量误差。接着，将待测振动传感器200输出的电平值Vd(f)+Ve(f)与在第一步中求得的由于振动发生器10的振动失真而引起的电平值的测量误差Ve(f)一起输入求差装置30，从而得到待测振动传感器200在频率f振动下应输出的电平值Vd(f)。最后，根据10×log(Vd(f)/V0)可以求得待测振动传感器200的灵敏度，从而可以得到待测振动传感器200的频率响应特性曲线。

[0006] 振动传感器频率响应特性的上述现有测量方法的不足之处在于，首先，在上述两步测量方法中，没有考虑测量参考振动传感器100时和测量待测振动传感器200时振动发生器10产生的振动失真不一定完全相同，因此，由于振动发生器10的振动失真而引起的参考振动传感器100的电平值测量误差与待测振动传感器200的电平值测量误差也不完全相同，不能完全相互抵消，换言之，Ve(f)是随时间变化的；其次，上述方法没有考虑参考振动传感器100和待测振动传感器200的输出电平值的普通测试设备与参考振动传感器100输出电平值的高规格测试设备之间的设备差异所引起的电平值测量误差。因此，现有的振动传感器频率响应特性的测量方法对测试振动传感器的频率响应特性的设备(主要是振动发生器)的精度要求极高，不利于大规模生产中使用。而如果该设备为普通的设备，则测试结果的误差比较大。

发明内容

[0007] 本发明的目的在于提供一种振动传感器频率响应特性的测量方法，在该测量方法中，考虑了电平值测量误差随时间的变化，也考虑了普通测试设备与高规格测试设备之间的设备差异所导致的测量误差，因而，使用本发明的测量方法可以提高测量精度，使得利用普通测试设备也能测出精确的频率响应特性曲线。

[0008] 本发明的一个实施例所述的振动传感器频率响应特性的测量方法包括：a)将待测振动传感器和参考振动传感器方向一致地固定在同一个振动发生器上；b)使所述振动发生器在垂直方向上产生频率为f的简谐振动；c)将所述待测振动传感器和所述参考振动传感器输出的电平值对应求差；d)将所述待测振动传感器和所述参考振动传感器输出的电平值的对应差值分别与所述参考振动传感器的预先标定的在同方向、同振幅、同频率振动下输出的电平对应值求和，以得到所述待测振动传感器的与频率f对应的灵敏度；e)在一定范围内改变频率f，并重复上述步骤b)至步骤d)，从而获得所述待测振动传感器的频率响应特性。

[0009] 所述待测振动传感器和所述参考振动传感器为三向振动传感器，具有相互正交的第一、第二和第三振动感受方向，可同时感受该三个方向上的振动加速度。显然，但本发明不限于此，所述待测振动传感器和参考振动传感器也可以为单向或两向振动传感器。

[0010] 优选地，所述待测振动传感器和参考振动传感器固定在所述振动发生器上，使得所述振动发生器产生的垂直方向的振动加速度在所述第一、第二和第三振动感受方向上的分量分别为：

[0011] ax＝a·sinα·sinβ，ay＝a·sinα·cosβ，az＝a·cosα

[0012] 其中，a为所述振动发生器产生的垂直方向的振动加速度，ax、ay、az分别为a在所述第一、第二和第三振动感受方向上的分量，α为所述垂直方向的振动加速度与所述第三振动感受方向之间的夹角，β为所述垂直方向的振动加速度在所述第一和第二振动感受方向所在平面的投影与所述第二振动感受方向之间的夹角。

[0013] 另外，优选地，所述振动发生器包括工作台，该工作台可以具有两个或多个平行的倾斜台面，用于方向一致地固定所述待测振动传感器和参考振动传感器。使用多台面工作台可以同时测试多个待测振动传感器的频率响应特性曲线。

[0014] 再者，所述参考振动传感器与所述待测振动传感器可以具有同样的结构、并由同样的过程制造。这样，可以使测量精度进一步提高。

[0015] 从上面的描述和实践可知，本发明考虑到振动传感器电平值测量误差随时间而变化，因而将待测振动传感器和参考振动传感器同时放在同一振动发生器上进行测量，这样就可以使得因振动发生器的振动失真而引起的待测振动传感器和参考振动传感器的电平值测量误差相互抵消，另外，本发明也考虑到普通测试设备与高规格测试设备之间的设备差异所导致的测量误差，因此参考振动传感器采用与待测振动传感器具有同样的结构、并由同样的过程制造的振动传感器，从而使因测试设备差异而引起的待测振动传感器和参考振动传感器的电平值测量误差也相互抵消。从而，使用本发明的测量方法可以提高测量精度，使得利用普通测试设备也能测出精确的频率响应特性曲线。附图说明

[0016] 图1a和1b是示意图，示出了现有的振动传感器频率响应特性测量方法；

[0017] 图2是示意图，示出了本发明的一个实施例所述的振动传感器频率响应特性的测量方法；

[0018] 图3是侧视图，示出了本发明使用的振动发生器的工作台的一个实施例；

[0019] 图4是侧视图，示出了本发明使用的振动发生器的工作台的另一实施例；

[0020] 图5是立体图，示出了振动发生器产生的垂直振动加速度在振动传感器三个振动感受方向上的分量；

[0021] 图6a至6d是测量曲线，分别示出了待测振动传感器在本发明的振动发生器上输出的原始的频率响应特性曲线、参考振动传感器在本发明的振动发生器上输出的原始的频率响应特性曲线、参考振动传感器在高规格测试设备上测出的频率响应特性曲线、以及待测振动传感器通过本发明测试设备最终测出的频率响应特性曲线。

具体实施方式

[0022] 下面将参考附图来描述本发明所述的振动传感器频率响应特性的测量方法的实施例。本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同方式对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，不用于限制权利要求的保护范围。此外，在本说明书中，附图未按比例画出，并且相同的附图标记表示相同的部分。

[0023] 图2是示意图，示出了本发明的一个实施例所述的振动传感器频率响应特性的测量方法。如图2所示，本发明的一个实施例所述的振动传感器频率响应特性的测量方法包括如下步骤a)至e)：

[0024] 首先，在步骤a)中，将待测振动传感器200和参考振动传感器100方向一致地固定在同一个振动发生器10上。在本实施例中，待测振动传感器200和参考振动传感器100可以为三向振动传感器，具有相互正交的第一、第二和第三振动感受方向(分别可定义为x、y和z方向)，可同时感受该三个方向上的振动加速度。图3是侧视图，示出了本实施例使用的振动发生器的工作台的一个实施例。如图3所示，振动发生器10的工作台11具有两个平行的倾斜台面11a和11b，待测振动传感器200和参考振动传感器100可以分别固定在这两个台面上，并且方向一致。这里所谓的方向一致是指待测振动传感器200的第一、第二和第三振动感受方向分别与参考振动传感器100的第一、第二和第三振动感受方向平行。本发明不限于此，图4是侧视图，示出了振动发生器的工作台的另一实施例。如图4所示，振动发生器10’的工作台11’可以具有多个平行的倾斜台面11a、11b，这样可以同时测试多个待测振动传感器200的频率响应特性曲线。

[0025] 另外，为了更精确地测量频率响应特性曲线，参考振动传感器100可以与待测振动传感器200具有同样的结构、并由同样的过程制造。

[0026] 然后，在步骤b)中，使振动发生器10在垂直方向上产生频率为f的简谐振动。在本实施例中，可以使用驱动信号源20发出频率为f的正弦波驱动信号来使振动发生器10在垂直方向上产生频率为f的简谐振动。图5是立体图，示出了振动发生器产生的垂直振动加速度在振动传感器三个振动感受方向上的分量。如图5所示，待测振动传感器200和参考振动传感器100(图5中未示出)固定在振动发生器10的工作台11上，使得振动发生器10产生的垂直方向的振动加速度a在所述第一、第二和第三振动感受方向(即x、y和z方向)上的分量分别为：

[0027] ax＝a·sinα·sinβ，ay＝a·sinα·cosβ，az＝a·cosα

[0028] 其中，α为垂直方向的振动加速度a与第三振动感受方向z之间的夹角，β为垂直方向的振动加速度a在第一和第二振动感受方向(x和y方向)所在平面的投影与第二振动感受方向(y方向)之间的夹角。

[0029] 这样配置之后，当振动发生器10在垂直方向上产生振动时，待测振动传感器200与参考振动传感器100可以同时在三个振动感受方向上感受到同频振动，并且在每个振动感受方向上的感受到的振动的振幅对应相同。

[0030] 接着，在步骤c)中，将待测振动传感器200和参考振动传感器100输出的电平值对应求差。应该注意，在图2中，为了简洁和清楚，只画出了与一个方向上的振动相对应的电平输出。求差过程可以通过求差装置30(例如差分放大器)进行。如图2所示，参考振动传感器100输出的电平值为Vr(f)+Ve1(f)+Ve2(f,t1)，其中，Vr(f)表示参考振动传感器100在高规格试验中测得的在频率f振动下输出的电平值，Ve1(f)为本实施例中的普通测试设备与高规格测试设备之间的设备差异所导致的电平值Vr(f)的测量误差，Ve2(f,t1)为振动发生器10产生的振动失真所引起的电平值Vr(f)的测量误差，Ve2(f,t1)与测量时刻t1有关。与此同时，待测振动传感器200输出的电平值为Vd(f)+Ve1(f)+Ve2(f,t1)，其中，Vd(f)表示待测振动传感器200如果在高规格设备上测试的话会得到的输出电平值，Ve1(f)为本实施例中的普通测试设备与高规格测试设备之间的设备差异所导致的电平值Vd(f)的测量误差，Ve2(f,t1)为振动发生器10产生的振动失真所引起的电平值Vd(f)的测量误差，Ve2(f,t1)与测量时刻t1有关。在本实施例中，由于参考振动传感器100与待测振动传感器200具有相同的结构并且利用相同的过程制造出来，因此，两者的输出电平值中因设备差异导致的测量误差应该相同，同时，由于两者在同一振动发生器上同时进行测量，因此，两者的输出电平值中因振动发生器的振动失真引起的测量误差也应该相同。于是，求差装置30的输出电平值为Vd(f)-Vr(f)。

[0031] 之后，在步骤d)中，将待测振动传感器200和参考振动传感器100输出的电平的对应差值Vd(f)-Vr(f)分别与参考振动传感器100的预先标定的(即，预先通过高规格测试设备测出的)在同方向、同振幅、同频率下输出的电平对应值Vr(f)求和。求和过程可以通过求和装置40(例如差分放大器)进行。于是，求和装置40输出的电平值为Vd(f)。最后，根据10×log(Vd(f)/V0)可以求得待测振动传感器200的与频率f对应的灵敏度。由此可见，利用本发明中的普通测试设备也能得到利用高规格测试设备所能得到的灵敏度。

[0032] 最后，在步骤e)中，在一定范围内改变频率f，并重复上述步骤b)至步骤d)，从而可以获得待测振动传感器200的高精度频率响应特性。

[0033] 图6a至6d是测量曲线，分别示出了待测振动传感器200在本发明的振动发生器10上输出的原始的频率响应特性曲线、参考振动传感器100在本发明的振动发生器上输出的原始的频率响应特性曲线、参考振动传感器100在高规格测试设备上测出的频率响应特性曲线、以及待测振动传感器200通过本发明测试设备最终测出的频率响应特性曲线。其中，在图6a至6d中，横坐标为频率f，单位为Hz，纵坐标为灵敏度10×log(V(f)/V0)，单位为dBV。

[0034] 由图6c和图6d可以看出利用本发明中的普通测试设备也能得到利用高规格测试设备所能得到的灵敏度。

[0035] 从上面的描述和实践可知，本发明考虑到振动传感器电平值测量误差随时间而变化，因而将待测振动传感器和参考振动传感器同时放在同一振动发生器上进行测量，这样就可以使得因振动发生器的振动失真而引起的待测振动传感器和参考振动传感器的电平值测量误差相互抵消，另外，本发明也考虑到普通测试设备与高规格测试设备之间的设备差异所导致的测量误差，因此参考振动传感器采用与待测振动传感器具有同样的结构、并由同样的过程制造的振动传感器，从而使因测试设备差异而引起的待测振动传感器和参考振动传感器的电平值测量误差也相互抵消。从而，使用本发明的测量方法可以提高测量精度，使得利用普通测试设备也能测出精确的频率响应特性曲线。

[0036] 本领域技术人员应当理解，对于上述本发明所提出的振动传感器频率响应特性的测量方法，还可以在不脱离本发明内容的基础上做出各种改进和组合。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。

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