本發(fā)明涉及一種光纖加速度傳感器的標定系統(tǒng)，屬于自動化技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

在光纖加速度傳感器的研發(fā)過程中，需要對加速度傳感器的各項參數(shù)進行多次標定來驗證方案的可行性，以不斷優(yōu)化設(shè)計。但是傳統(tǒng)的加速度傳感器標定系統(tǒng)所需儀器繁多，標定系統(tǒng)體積大、自動化程度較低，且標定成本高，這些缺點不僅嚴重影響了加速度傳感器的研發(fā)和生產(chǎn)效率，而且使標定操作變得復雜繁瑣，一般的非技術(shù)人員難以完成標定操作，更無法實現(xiàn)推廣。

另外由于每一次標定和校準都需要通過計量局等專業(yè)標定機構(gòu)進行，不但花費較大，還會浪費大量的人力和時間。目前市場上的加速度傳感器標定系統(tǒng)主要標定對象為電壓或電荷輸出型的加速度傳感器。隨著加速度傳感器的快速發(fā)展，急需開發(fā)一種標定對象為光纖加速度傳感器的標定系統(tǒng)，使之能夠在實驗室和工廠對加速度傳感器進行標定實驗，并可節(jié)省大量的人力、物力和財力。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，而提供了一種體積小、操作難度和標定成本較低，且能夠保證高精度、高效率和高自動化程度的光纖加速度傳感器標定系統(tǒng)。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：提供一種光纖加速度傳感器標定系統(tǒng)，包括主控單元，信號發(fā)生器，功率放大器，振動平臺，電荷放大器，采集卡，上位機，解調(diào)儀和直流電源；

所述的直流電源分別與主控單元、信號發(fā)生器和功率放大器連接組成驅(qū)動模塊供電；所述的主控單元與信號發(fā)生器、功率放大器順序連接，功率放大器與振動平臺中的激振器連接；

所述的振動平臺包括激振器和振動臺面，激振器通過螺桿與在其上方的振動臺面相連；振動臺面上設(shè)有安裝孔用于固定標準加速度傳感器和待測光纖加速度傳感器，標準加速度傳感器與電荷放大器，采集卡，上位機順序連接；待測光纖加速度傳感器與解調(diào)儀連接后直接與上位機連接；

其中：主控單元用于控制正弦信號的頻率和幅值，并通過自帶的液晶屏顯示正弦信號的設(shè)定值；

信號發(fā)生器用于生成頻率和幅值可調(diào)的正弦波信號；

功率放大器用于將信號發(fā)生器產(chǎn)生的正弦信號進行放大，產(chǎn)生穩(wěn)定的高電壓、大電流的驅(qū)動信號；

振動平臺的激振器用于根據(jù)驅(qū)動信號產(chǎn)生垂直方向的振動，為固定在振動臺面上的標準加速度傳感器和待測加速度傳感器提供頻率和大小可控的加速度；

電荷放大器用于將標準加速度傳感器的輸出轉(zhuǎn)換成電壓并進行放大濾波；

采集卡用于采集標準加速度傳感器的輸出信號并通過USB發(fā)送給上位機；

解調(diào)儀用于解調(diào)待測光纖加速度傳感器輸出的波長信息，并將波長信息以文檔的形式通過網(wǎng)口發(fā)送給上位機；

上位機用于接收標準加速度傳感器和待測光纖加速度傳感器的輸出信號、在上位機界面中顯示和處理信號波形，并計算待測光纖加速度傳感器的靈敏度、線性度和頻響特性，繪制線性度和頻率響應曲線。

所述的主控單元、信號發(fā)生器和功率放大器集成到一塊PCB板中，并封裝在機柜內(nèi)。

所述的信號發(fā)生器通過主控單元的單片機控制，采用DDS技術(shù)產(chǎn)生頻率可調(diào)的正弦波，再通過乘法型DAC進行調(diào)幅，幅度和頻率可通過矩陣鍵盤調(diào)節(jié)。

所述的功率放大器采用集成高電壓大電流功放芯片，搭建外圍直流伺服電路和過流過壓保護電路，形成穩(wěn)定的恒流輸出。

本發(fā)明的光纖加速度傳感器標定系統(tǒng)與現(xiàn)有的技術(shù)相比具有的優(yōu)點是：

⑴、本發(fā)明的標定對象為光纖加速度傳感器，而目前市場上的加速度傳感器標定系統(tǒng)主要標定對象為電壓或電荷輸出型的加速度傳感器。

⑵、本發(fā)明的標定系統(tǒng)中，信號發(fā)生器以DDS芯片和乘法型DAC芯片為核心，提高了正弦信號的精度，降低了頻率和幅值誤差；功率放大器采用集成功放芯片，利用直流伺服電路實現(xiàn)恒流輸出，降低了波形失真和振動平臺的控制難度；同時將主控單元、信號發(fā)生器和功率放大器集成到一塊PCB板中，在保證了精度的同時，大大降低了標定系統(tǒng)的體積和成本。

⑶、本發(fā)明的標定系統(tǒng)采用了上位機對待測光纖加速度傳感器輸出與標準加速度傳感器進行對比顯示和處理，并繪制線性度和頻率響應曲線，整個標定過程都在上位機中完成，降低了標定的操作難度，提高了標定系統(tǒng)的效率和自動化程度，同時降低了標定成本。

附圖說明

圖1為本發(fā)明光纖加速度傳感器標定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明標定系統(tǒng)的信號發(fā)生器中信號發(fā)生電路示意圖。

圖3為本發(fā)明標定系統(tǒng)的信號發(fā)生器中調(diào)幅電路示意圖。

圖4為本發(fā)明標定系統(tǒng)的信號發(fā)生器輸出的部分波形示意圖。

圖5為本發(fā)明標定系統(tǒng)的功率放大器電路示意圖。

圖6為本發(fā)明標定系統(tǒng)的上位機界面示意圖。

圖7為本發(fā)明標定系統(tǒng)的上位機繪制的線性度曲線圖。

圖8為本發(fā)明標定系統(tǒng)的上位機繪制的頻響曲線圖。

上述圖中：1—主控單元；2—信號發(fā)生器；3—功率放大器；4—振動平臺；5—電荷放大器；6—采集卡；7—上位機；8—解調(diào)儀；9—直流電源；10—待測光纖加速度傳感器；11—標準加速度傳感器；12—激振器；13—振動臺面。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明光纖加速度傳感器標定系統(tǒng)作進一步詳細的描述，但本發(fā)明的實施不限于此。

實施例1：本發(fā)明提供一種光纖加速度傳感器標定系統(tǒng)，其整體結(jié)構(gòu)如圖1的框圖所示，本系統(tǒng)包括主控單元1，信號發(fā)生器2，功率放大器3，振動平臺4，電荷放大器5，采集卡6，上位機7，解調(diào)儀8和直流電源9；

所述的直流電源9分別與主控單元1，信號發(fā)生器2和功率放大器3連接組成驅(qū)動模塊供電。所述的主控單元與信號發(fā)生器、功率放大器順序連接，主控單元、信號發(fā)生器和功率放大器集成到一塊PCB板中，并封裝在機柜內(nèi)。功率放大器與振動平臺4上的激振器12連接。

所述的振動平臺4包括激振器12和振動臺面13，激振器通過螺桿與在其上方的振動臺面相連，振動臺面上設(shè)有安裝孔用于固定標準加速度傳感器11和待測光纖加速度傳感器10；標準加速度傳感器與電荷放大器5，采集卡6，上位機7順序連接；待測光纖加速度傳感器與解調(diào)儀8連接后直接與上位機連接。

其中：主控單元1用于控制正弦信號的頻率和幅值，并通過自帶的液晶屏顯示正弦信號的設(shè)定值；信號發(fā)生器2用于生成頻率和幅值可調(diào)的正弦波信號；信號發(fā)生器通過主控單元的單片機控制，采用DDS技術(shù)產(chǎn)生頻率可調(diào)的正弦波，再通過乘法型DAC進行調(diào)幅，幅度和頻率可通過矩陣鍵盤調(diào)節(jié)。

功率放大器3采用集成高電壓大電流功放芯片，搭建外圍直流伺服電路和過流過壓保護電路，用于將信號發(fā)生器產(chǎn)生的正弦信號進行放大，產(chǎn)生穩(wěn)定的高電壓、大電流驅(qū)動信號，驅(qū)動振動平臺的激振器產(chǎn)生垂直方向的振動。

振動平臺4的激振器12用于根據(jù)驅(qū)動信號產(chǎn)生垂直方向的振動，為固定在振動臺面13上的標準加速度傳感器11和待測加速度傳感器10提供頻率和大小可控的加速度；

電荷放大器5用于將標準加速度傳感器的輸出轉(zhuǎn)換成電壓并進行放大濾波；

采集卡6用于采集標準加速度傳感器的輸出信號并通過USB發(fā)送給上位機；

解調(diào)儀8用于解調(diào)待測光纖加速度傳感器輸出的波長信息，并將波長信息以文檔的形式通過網(wǎng)口發(fā)送給上位機。

上位機7用于接收標準加速度傳感器和待測光纖加速度傳感器的輸出信號、在上位機界面中顯示和處理信號波形，并計算待測光纖加速度傳感器的靈敏度、線性度和頻響特性，繪制線性度和頻率響應曲線。

參見圖2，為本發(fā)明的光纖加速度傳感器標定系統(tǒng)中信號發(fā)生器的信號發(fā)生電路。本電路采用集成的DDS芯片實現(xiàn)頻率0～2³²Hz可調(diào)的正弦波輸出，頻率分辨率為0.029Hz。正弦波的幅值由電阻R26決定，本電路將R26阻值定為100Ω，輸出的正弦波信號峰峰值為1V。由于DDS芯片輸出信號中含有直流分量，所以在后級加了一個二階高通濾波器，截止頻率為0.1Hz。

本發(fā)明的光纖加速度傳感器標定系統(tǒng)中信號發(fā)生器的調(diào)幅電路參見圖3。該電路的核心為乘法型DAC芯片，DDS產(chǎn)生的正弦波經(jīng)濾波之后將作為該DAC芯片的參考電壓輸入，通過單片機控制可實現(xiàn)正弦波幅度調(diào)節(jié)。調(diào)幅電路之后也加了濾波電路，盡最大可能濾除噪聲。

本發(fā)明的光纖加速度傳感器標定系統(tǒng)中信號發(fā)生器的輸出波形參見圖4。圖中只展示了信號發(fā)生器輸出頻率為1Hz，峰峰值為50mV、5V時的波形以及頻率為5kHz，峰峰值為50mV、5V時的波形。由波形圖整體分析可以得出以下結(jié)論，信號發(fā)生器能產(chǎn)生頻率1～5kHz，峰峰值0～5V的正弦波信號，頻率誤差小于2.3％，幅值誤差小于2％，這樣的正弦波信號經(jīng)功率放大器電路后可為激振器13提供良好的驅(qū)動信號。

參見圖5，為本發(fā)明的光纖加速度傳感器標定系統(tǒng)中的功率放大器電路。功率放大器是本系統(tǒng)的一個重要部分。本系統(tǒng)功率放大器采用一款集成的高電壓大電流功放芯片，該芯片能夠輸出峰值5A的電流信號，但是其輸出方式為恒壓輸出，所以還需要加上電阻R53形成電流負反饋，反饋回路中加上高保真運放U13，鉗位二極管D5、D6以及阻容元件，使功放芯片實現(xiàn)0～2A恒流輸出。同時該電路能夠減小波形失真，為后續(xù)標定提供穩(wěn)定的校準環(huán)境。

本發(fā)明光纖加速度傳感器標定系統(tǒng)的上位機界面如圖6所示。本發(fā)明為了簡化操作，將參數(shù)設(shè)置、測量參數(shù)顯示以及波形顯示界面整合到了一起，整個上位機系統(tǒng)的各項參數(shù)一目了然。利用選項卡控件將靈敏度幅值、靈敏度線性度和靈敏度頻響曲線的標定過程分別設(shè)置在三個選項卡中，使整個標定流程更加清晰，界面更加整潔。數(shù)據(jù)采集之前可以通過界面對物理通道和采樣時鐘進行選擇，設(shè)置通道電壓幅值限制、采樣率、采樣數(shù)、放大倍數(shù)、文件存儲路徑等參數(shù)；數(shù)據(jù)采集開始之后，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成波形進行對比顯示，并分析其頻率、幅值等參數(shù)，根據(jù)這些參數(shù)計算出加速度和靈敏度大小，顯示在上位機界面中，供用戶查看。用戶可以隨時切換到其他參數(shù)的標定界面，觀察標定進度。用戶可以通過停止按鈕結(jié)束標定。

本發(fā)明的光纖加速度傳感器標定系統(tǒng)繪制的線性度曲線如圖7所示。固定驅(qū)動信號頻率，改變幅值測試多組數(shù)據(jù)之后，上位機即可根據(jù)所測的數(shù)據(jù)繪制出光纖加速度傳感器的線性度曲線。

圖8是本發(fā)明的光纖加速度傳感器標定系統(tǒng)繪制的頻響曲線圖。固定驅(qū)動信號幅值，改變頻率測試多組數(shù)據(jù)之后，上位機即可根據(jù)所測的數(shù)據(jù)繪制出光纖加速度傳感器的頻響曲線，整個標定過程只需要手動設(shè)置信號掃頻范圍和步進頻率，大大減少了標定工作量。

本發(fā)明的光纖加速度傳感器標定系統(tǒng)工作過程：

⑴、首先將待測光纖加速度傳感器和標準加速度傳感器背靠背地固定在振動臺面上，開啟直流電源9向主控單元1、信號發(fā)生器2和功率放大器3供電。

⑵、通過矩陣鍵盤輸入驅(qū)動信號的頻率和幅值，按下確認鍵，信號發(fā)生器2將根據(jù)設(shè)定產(chǎn)生相應頻率和幅值的正弦驅(qū)動信號。

⑶、正弦驅(qū)動信號經(jīng)過功率放大器3產(chǎn)生恒定電流輸出，然后再傳輸給振動平臺4。振動平臺的激振器12隨著驅(qū)動信號的大小產(chǎn)生垂直方向的振動，為待測光纖加速度傳感器10和標準加速度傳感器11提供頻率、大小可控的加速度信號。

⑷、標準加速度傳感器輸出為電荷信號，該信號通過電荷放大器5轉(zhuǎn)換成電壓信號，電壓信號通過采集卡6采集并發(fā)送給上位機7。

⑸、待測光纖加速度傳感器10輸出信號通過解調(diào)儀8轉(zhuǎn)換成波長變化的信息，并將數(shù)據(jù)以文檔形式通過網(wǎng)口發(fā)送給上位機7。

⑹、上位機將對比及顯示標準加速度傳感器和待測光纖加速度傳感器的輸出信號波形，并通過標準加速度傳感器的輸出計算出振動平臺所提供的加速度大小，然后根據(jù)待測光纖加速度傳感器的輸出計算其靈敏度。

⑺、固定頻率值，調(diào)整正弦信號幅值進行多組測試，上位機可以繪制出待測光纖加速度傳感器的線性度曲線；固定正弦信號幅值，設(shè)置掃頻范圍和步進頻率進行多組測試，上位機可以繪制出待測光纖加速度傳感器的頻響曲線。

本發(fā)明的光纖加速度傳感器標定系統(tǒng)體積小，標定系統(tǒng)的成本低，整個標定過程都在上位機中完成，降低了標定操作的難度，提高了標定系統(tǒng)的效率和自動化程度。