测振传感器常用的标定方法 (声传感器的标定)

一、需求:

声发射信号分析领域中很多利用信号频域的分析方法,比如:

1 快速傅里叶变换得到频率分布情况,查看信号主要分布频段

2 根据信号的分布段判断信号源的产生机理

3 根据信号段的变化分析时间维度的信号源变化

4 小波分解拟合进行时频分析

5 滤波之后再次求解特征参数,进行参数分析

6 信号滤波之后进行重新定位

7 单频率段信号的监测等

声传感器的标定,测振传感器常用的标定方法

声传感器的标定,测振传感器常用的标定方法

所以信号采集时候的还原度要求就比较高,传感器输出端的信号要求尽量和信号源原始信号一致,减小因传感器造成的数据失真。

二、失真原因分析

通过分析信号的传播路径,可以发现影响失真度主要有以下几个因素

1.耦合

2监测点选择

3 传感器的一致性和稳定性

4 传感器频响参数

这次我们主要关注第四点的影响。

声传感器的标定,测振传感器常用的标定方法

三、传感器的频率响应

传感器的频率响应是传感器输出和输入之间的一种对应关系,显示了传感器对信号中不同频率成分的响应能力。

一般产品会提供一个频率段,告诉您这个传感器的频率范围,常见的20-100khz,100-400kHz等等,不过仅根据这个值是不能了解传感器具体的频响特性的。

还有些产品会提供一个图,表示一个型号传感器的大致频率范围。这个如果在传感器一致性比较好的情况下是有参考价值的。

声传感器的标定,测振传感器常用的标定方法

最好的厂家是会提供每个出厂传感器的标定数据。这样我们就可以用自己方法验证传感器了。

这里总结了几个方法,一般的实验室都可以验证

方法1:两个同型号传感器互相标定

缺点:两个传感器的一致性要好,如果差异太大,结果的可靠度也会打折扣。

原理:我们假设两个传感器有相同的频响曲线,由于压电陶瓷的逆压电效应,声发射传感器也可以作为发射信号使用,通过接一个信号源可以将电信号转变成应力波信号。如下图,两个传感器中间可以加一个一致性不错的材料,如钢铁块。

声传感器的标定,测振传感器常用的标定方法

检测方法可以用定点扫频的方法,信号源依次从低频向高频移动,记录示波器上对应频率的响应幅度,最后连成线,就是传感器的频响曲线。

  • 多次重复测量进行曲线拟合可以减低误差。
  • 注意测量的过程中不可移动到传感器,以保证耦合的一致性。

方法2:一个低灵敏度传感器作为发射传感器

缺点:检测高灵敏度的传感器效果比较好,只能检测某些频率段

原理:由于低灵敏度的传感器虽然有波动,但是有造成的影响比高灵敏度的待测传感器要低。我们来模拟一下效果:

声传感器的标定,测振传感器常用的标定方法

信号源固定为1,生成一个0-1的随机数,SL表示低灵敏度传感器产生的应力波信号,随机误差*0.1+1(信号源),SH表示高灵敏度的传感器产生的应力波信号,随机数*0.5+1(信号源)。假定传感器的响应趋势为1-20,接收低灵敏度传感器产生的信号如图OL所示,高频的如OH所示,可以看出OL更贴合假设的传感器响应。

声传感器的标定,测振传感器常用的标定方法

测试时,我们可以用传感器的非谐振段作为信号源,比如传感器谐振点是30khz,那么100khz以上的频率段就响应比较低了,可以用之检测另一个谐振在100kHz以上传感器的频率响应。所以该方法不能检测全频率段。用于检测高灵敏度的传感器效果会比较好。

方法3:一个平滑宽度传感器作为发射

原理与2相同,但是解决了2中的2点不足。

方法4:用电火花作为信号源

电火花产生的信号有很宽的频率段,而且各个频率段的信号幅度都比较接近,是个比较理想的信号源。直接用待测传感器接收一段电火花产生的信号,做FFT就可以。由于不同频率信号的空间衰减程度不一样,所以要控制好信号源和接收传感器的距离。

声传感器的标定,测振传感器常用的标定方法

方法5:激光测振仪

这个是最接近原理的测量方法了,传感器的灵敏度定义是传感器输出的电压和表面质子振动速度的比值,单位是V/m/s。激光测振仪直接测传感器表面的振动,同时测传感器的输出,两者相除就可以确定某个振动频率对应的灵敏度值了。

声传感器的标定,测振传感器常用的标定方法

以上

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