一种高精度的外差式激光振动校准灵敏度相位测量方法技术

本发明专利技术公开了一种高精度的外差式激光振动校准灵敏度相位测量方法，本方法主要包括：利用高分辨率示波器(HDO)与PUSAM实现模拟混频器与低通滤波器的时间延时测量；基于PUSAM与模拟混频器及低通滤波器实现数据采集卡的时间延时测量；基于PUSAM实现外差式激光多普勒信号的解调得到振动信号初相与基于SAM实现被校传感器及测量仪输出信号的初相测量；最后依据数据采集卡的时间延时修正被测振动信号的初相，实现被校振动传感器及测量仪的灵敏度相位测量。相比于现有的灵敏度相位测量方法，本方法考虑数据采集卡的时间延时对于振动灵敏度相位校准引入的相位延时，有效提高了灵敏度相位的测量精度。

A high accuracy heterodyne phase measurement method for laser vibration calibration

The invention discloses a high precision heterodyne laser vibration sensitivity calibration phase measurement method, this method mainly includes: using high resolution oscilloscope (HDO) and time delay measurement PUSAM analog mixer and low pass filter; PUSAM and analog mixer and a low pass filter to realize time delay measurement based on data acquisition card; demodulation PUSAM heterodyne laser Doppler signal from vibration signal of initial phase based on SAM calibrated sensor and apparatus for measuring the output signal of the phase measurement based on data acquisition card; according to the time delay correction of the measured vibration signal of initial phase, realize the sensitivity of phase measurement and measuring instrument calibration of vibration sensor. Compared with the existing sensitivity phase measurement method, the method considers the time delay of the data acquisition card for the phase delay caused by the vibration sensitivity phase calibration, thereby effectively improving the sensitivity, phase measurement accuracy.

【技术实现步骤摘要】
一种高精度的外差式激光振动校准灵敏度相位测量方法
本专利技术属于振动校准领域，尤其适用于外差式激光绝对法振动校准中的灵敏度相位校准。
技术介绍
振动传感器及测量仪相频特性是振动传感器及测量仪的一项重要性能参数，由于加工制造、长期投入使用等原因会导致振动传感器及测量仪的相频特性发生变化，导致其测量结果不可靠，因此需要定期校准振动传感器及测量仪的灵敏度相位，以保证振动传感器及测量仪的测量数据准确性。通常使用外差式激光干涉绝对法实现振动传感器及测量仪的灵敏度相位校准，振动传感器及测量仪的灵敏度相位振动校准具有非常重要的意义，其是保证振动传感器及测量仪所测数据有效、可靠、稳定的前提。常用的外差式激光振动校准灵敏度相位测量方法有依据Nyquist采样定理的NS-PUSAM方法、使用模拟混频器与低通滤波器的MLPFS-PUSAM方法、基于欠采样定理的SubNS-PUSAM方法。NS-PUSAM方法使用高速数据采集卡直接采集外差式激光多普勒信号，基于PUSAM实现振动信号测量，其具有采样频率高、处理数据量大、数据采集卡延时小等特点；MLPFS-PUSAM方法采集经模拟混频器与低通滤波器调制的外差式激光多普勒信号，基于PUSAM实现振动信号测量，其具有采样频率低、处理数据量小、需要外部模拟器件、存在模拟器件引入的相位延时等特点；SubNS-PUSAM方法使用相对低速采集卡直接采集外差式激光多普勒信号，基于PUSAM实现振动信号测量，其具有采样频率低、处理数据量小、存在数据采集卡引入的相位延时等特点。因此，针对目前外差式激光振动校准灵敏度相位测量方法存在所需采样频率高及实时性差、或需要外部模拟器件、存在一定的相位延时等不足，本专利技术提出一种所需采样频率低、处理数据量小、实时性好、不需外部模拟器件、精度高的外差式激光振动校准灵敏度相位测量方法。
技术实现思路
针对目前外差式激光振动校准灵敏度相位测量方法存在所需采样频率高与处理数据量大、或需要外部模拟器件、存在一定的相位延时等不足，本专利技术实施实例提供一种高精度灵敏度相位测量方法，包括：模拟混频器与低通滤波器时间延时测量：用于确定模拟混频器与低通滤波器引入的时间延时，包括：HDO同步采集原始FM信号与经模拟混频器及低通滤波器调制后的FM信号，基于PUSAM实现模拟混频器与低通滤波器的时间延时测量；数据采集卡时间延时测量：基于模拟混频器及低通滤波器的时间延时测量结果与PUSAM实现数据采集卡的时间延时测量；振动信号与传感器及测量仪输出信号初相测量：其包括：基于PUSAM的外差式激光多普勒信号解调，得到振动信号初相测量，基于SAM的振动传感器及测量仪输出信号初相测量；灵敏度相位测量：基于数据采集卡的时间延时测量结果修正振动信号的初相，依据修正后的振动信号初相与传感器及测量仪输出信号初相计算被校振动传感器及测量仪的灵敏度相位。一种高精度的外差式激光振动校准灵敏度相位测量方法，该方法包括以下步骤，S1：利用HDO同步采集原始FM与模拟混频器及低通滤波器调制的FM信号，通过PUSAM实现模拟混频器与低通滤波器的时间延时测量；S2：基于PUSAM与模拟混频器及低通滤波器的时间延时测量结果实现数据采集卡的时间延时测量；S3：基于PUSAM与SAM实现已采集外差式激光多普勒信号解调与被校传感器及测量仪输出信号拟合，得到振动信号与输出信号的初相；S4：最后依据数据采集卡的时间延时测量结果修正振动信号的初相，确定被校振动传感器及测量仪的灵敏度相位。HDO与PUSAM是用于确定模拟混频器与低通滤波器对FM信号的时间延时，具体包括：(1)HDO同步采集；使用函数信号发生器即FSG产生与实际外差式激光多普勒信号相同载波频率与频偏的FM信号，HDO同步采集第一路高载波频率FM的信号与第二路经模拟混频器与低通滤波器调制的低载波频率FM信号；(2)确定模拟混频器与低通滤波器的时间延时；对于HDO采集的两路FM信号如下：其中，us(t)与umlp(t)分别为HDO采集的第一路原始FM信号与第二路调制后的FM信号，与分别为第一路FM信号与第二路FM信号的相位信息；基于PU获取第一路FM信号和第二路FM信号的相位信息；基于PU获取FM第一路信号和FM第二路信号的相位信息与最后使用SAM拟合对相位信息进行如下拟合：式(2)中，ω为调制信号角频率；A1与B1决定第一路调制信号的幅值与初相，A2与B2决定第一路调制信号的幅值与初相；C1、C2分别为第一路信号的载波频率偏移系数和第二路信号的载波频率偏移系数；D1、D2分别为第一路信号的直流偏移和第二路信号的直流偏移。两路FM信号的调制信号初相分别为arctan(B1/A1)与arctan(B2/A2)，模拟混频器与低通滤波器的时间延时计算如下：tmlp＝(arctan(B2/A2)-arctan(B1/A1))/(2πfm)(3)其中，tmlp为模拟混频器与低通滤波器的时间延时，fm为调制信号频率。模拟混频器与低通滤波器的时间延时测量，数据采集卡同步采集原始FM信号与经模拟混频器及低通滤波器调制的FM信号，基于PUSAM实现数据采集卡的两路FM信号的调制频率初相测量，依据模拟混频器与低通滤波器的时间延时测量结果修正经模拟混频器与低通滤波器的调制信号初相，数据采集卡的时间延时计算如下：其中，tDAQ为数据采集卡的时间延时，为经模拟混频器与低通滤波器调制后FM信号的调制信号修正后初相，为数据采集卡直接采集FM信号的调制信号初相。当完成所述数据采集卡时间延时测量后，数据采集卡采集的外差式激光多普勒信号如下：其中，us(t)与up分别为外差式激光多普勒信号与多普勒信号幅值，与fc分别为激光多普勒信号初相与载波频率，λ与vp分别为激光波长与被测振动速度峰值，fv与分别为被测振动频率与初相；基于PUSAM实现采集外差式激光多普勒信号解调，得到被测振动信号初相为基于SAM拟合被校传感器及测量仪输出信号，得到输出信号初相为被测振动信号初相包含数据采集卡引入的相位延时，修正后的振动信号初相如下：其中为修正数据采集卡时间延时后的被测振动信号初相。所述灵敏度相位计算如下：其中为被校振动传感器及测量仪的灵敏度相位。本专利技术灵敏度相位测量方法具有如下优势：⑴本专利技术方法实现外差式激光振动校准中的模拟混频器与低通滤波器时间延时测量。⑵本专利技术方法实现外差式激光振动校准中的数据采集卡时间延时测量。⑶本专利技术方法所需采样频率低、实时性好、不需要外部模拟器件、修正后的灵敏度相位不包含相位延时。⑷本专利技术方法适用于不同规格及尺寸的振动传感器及测量仪灵敏度相位校准。附图说明图1为本专利技术方法具体实施实例垂直安装装置示意图；图2为本专利技术方法具体实施实例水平安装装置示意图；图3为一种高精度的外差式激光振动校准灵敏度相位测量方法流程图；图4为数据采集卡时间延时测量流程图；图5为振动传感器及测量仪灵敏度相位测量流程图；图6-7为本专利技术方法具体实施实例的数据采集卡时间延时测量结果图；图8-9为本专利技术方法与修正的MLPFS-PUSAM测量方法具体实施实例的振动传感器灵敏度相位测量结果图。具体实施方式为了解决目前的外差式激光振动校准灵敏度相位存在一定的相位延时、测量精度有限等问题，本专利技术提供了一种有效的外差式激光振动校准灵敏度本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高精度的外差式激光振动校准灵敏度相位测量方法，其特征在于：该方法包括以下步骤，S1：利用HDO同步采集原始FM信号与模拟混频器及低通滤波器调制的FM信号，通过PUSAM实现模拟混频器与低通滤波器的时间延时测量；S2：基于PUSAM与模拟混频器及低通滤波器的时间延时测量结果实现数据采集卡的时间延时测量；S3：基于PUSAM与SAM实现已采集外差式激光多普勒信号解调与被校传感器及测量仪输出信号拟合，得到振动信号与输出信号的初相；S4：最后依据数据采集卡的时间延时测量结果修正振动信号的初相，确定被校振动传感器及测量仪的灵敏度相位。

【技术特征摘要】
1.一种高精度的外差式激光振动校准灵敏度相位测量方法，其特征在于：该方法包括以下步骤，S1：利用HDO同步采集原始FM信号与模拟混频器及低通滤波器调制的FM信号，通过PUSAM实现模拟混频器与低通滤波器的时间延时测量；S2：基于PUSAM与模拟混频器及低通滤波器的时间延时测量结果实现数据采集卡的时间延时测量；S3：基于PUSAM与SAM实现已采集外差式激光多普勒信号解调与被校传感器及测量仪输出信号拟合，得到振动信号与输出信号的初相；S4：最后依据数据采集卡的时间延时测量结果修正振动信号的初相，确定被校振动传感器及测量仪的灵敏度相位。2.根据权利要求1所述的一种高精度的外差式激光振动校准灵敏度相位测量方法，其特征在于：HDO与PUSAM是用于确定模拟混频器与低通滤波器对FM信号的时间延时，具体包括：(1)HDO同步采集；使用函数信号发生器即FSG产生与实际外差式激光多普勒信号相同载波频率与频偏的FM信号，HDO同步采集第一路高载波频率FM信号与第二路经模拟混频器与低通滤波器调制的低载波频率FM信号；(2)确定模拟混频器与低通滤波器的时间延时；对于HDO采集的两路FM信号如下：其中，us(t)与umlp(t)分别为HDO采集的第一路原始FM信号与第二路调制后的FM信号，与分别为第一路FM信号与第二路FM信号的相位信息；基于PU获取第一路FM信号和第二路FM信号的相位信息与最后使用SAM拟合对相位信息进行如下拟合：式(2)中，ω为调制信号角频率；A1与B1决定第一路调制信号的幅值与初相，A2与B2决定第一路调制信号的幅值与初相；C1、C2分别为第一路信号的载波频率偏移系数和第二路信号的载波频率偏移系数；D1、D2分别为第一路信号的直流偏移和第二路信号的直流偏移；两路FM信号的调制信号初相分别为arctan(B1/A1)与arctan(B2/A2)，模拟混频器与低通滤波器的时间延时计算如下：tmlp＝(arctan(B2/A2)-arctan(B1/A1))/(2πfm)(3)其中，tmlp为模拟混频器与低通滤波器的时间延时，fm为调制信号频率。3.根据权利要求1所述的一种高精度的外差式激光振动校准灵敏度相位测量方法，其特征在于：模拟混频器与低通滤波器的时间延时测量，数据采集卡同步采集原始FM信号与经模拟混频器及低通滤波器调制的FM信号，基于PUSAM实现数据采集卡的两路FM信号的调制频率初相测量，依据模拟混频器与低通滤波器的时间延时测量结果修正经模拟混频器与低通滤波器的调制信号初相，数据采集卡的时间延时计算如下：其中，tDAQ为数据采集卡的时间延时，为经模拟混频器与低通滤波器调制后FM信号的调制信号修正后初相，为数据采集卡直接采集FM信号的调制信号初相。4.根据权利要求1所述的一种高精度的外差式激光振动校准灵敏度相位测量方法，其特征在于：当完成所述数据采集卡时间延时测量后，数据采集卡采集的外差式激光多普勒信号如下：其中，us(t)与up分别为外差式激光多普勒信号与多普勒信号幅值，与fc分别为激光多普勒信号初相与载波频率，λ与vp分别为激光波长与被测振动速度峰值，fv与分别为被测振动频率与初相；基于PUSAM实现采集外差式激光多普勒信号解调，得到被测振动信号初相为基于SAM拟合被校传感器及测量仪输出信号，得到输出信号初相为5.根据权利要求1所述的一种高精度的外差式激光振动校准灵敏度相位测量方法，其特征在于：被测振动信号初相包含数据采集卡引入的相位延时，修正后的振动信号初相如下：其中为修正数据采集卡时间延时后的被测振动信号初相；所述灵...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡晨光，杨明，刘志华，王颖，
申请(专利权)人：中国计量科学研究院，北京化工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11