使用延遲來匹配相位特性的換能器加速度補(bǔ)償?shù)闹谱鞣椒ā緦＠恳环N通過向換能器(10)的引導(dǎo)信號應(yīng)用延遲(21，48)以提供相位補(bǔ)償從而根據(jù)頻率來校正換能器(10)的慣性誤差的方法和系統(tǒng)?！緦＠f明】使用延遲來匹配相位特性的換能器加速度補(bǔ)償【
技術(shù)領(lǐng)域：
】【
背景技術(shù)：
】[0001]提供以下討論僅用于總體背景信息，并不意在用作輔助確定所請求保護(hù)的主題的范圍。[0002]本發(fā)明總體上涉及諸如力換能器或壓力換能器等的換能器。更具體地，本發(fā)明涉及針對換能器的改進(jìn)的加速度補(bǔ)償。[0003]加速度補(bǔ)償是通常用在諸如力換能器或壓力換能器等換能器中的技術(shù)。當(dāng)這種換能器被加速時(shí)，該運(yùn)動可能造成測量中的誤差(慣性誤差)。換能器包括感測元件和與該感測元件附接的附加質(zhì)量。該附加質(zhì)量可以是夾具質(zhì)量或由于換能器的結(jié)構(gòu)而導(dǎo)致的質(zhì)量。當(dāng)附接到被認(rèn)為是換能器的主動側(cè)的附加質(zhì)量(不是被測單元的一部分)被加速時(shí)，該附加質(zhì)量將引起對感測元件施加的力。然而，該慣性力被認(rèn)為是誤差，因?yàn)樵摿Σ皇菑谋粶y單元向換能器施加的力的結(jié)果，而代之以是對夾具和/或換能器自身的各部分的質(zhì)量進(jìn)行加速所需的力的結(jié)果。[0004]傳統(tǒng)上利用耦合到換能器或置于換能器附近的加速計(jì)(使得該加速計(jì)感測在換能器誤差存在的運(yùn)動方向上的加速度)，針對慣性導(dǎo)致的誤差來校正力或壓力動態(tài)測量。因?yàn)榱φ`差與加速度成正比，標(biāo)量值乘以所測量的加速度產(chǎn)生了針對慣性誤差的補(bǔ)償信號。該標(biāo)量值代表在感測元件的主動側(cè)上夾具或換能器的各部分的質(zhì)量。[0005]盡管上述補(bǔ)償技術(shù)提供了可以顯著改進(jìn)換能器精度的補(bǔ)償信號，在一些情況下需要更高精度?！?br/>發(fā)明內(nèi)容】[0006]提供本【
發(fā)明內(nèi)容】以用簡化形式引入某些概念，這些概念在以下【具體實(shí)施方式】中進(jìn)一步描述。本【
發(fā)明內(nèi)容】不意在識別所請求保護(hù)的主題的關(guān)鍵特征或必要特征，也不意在用作輔助確定所請求保護(hù)的主題的范圍。[0007]提供了一種用于根據(jù)有效質(zhì)量耦合的頻率來校正換能器的慣性誤差的方法和系統(tǒng)。作為本發(fā)明的一個方面，系統(tǒng)包括換能器和可操作地耦合到所述換能器的傳感器，所述傳感器提供與加速度直接或間接相關(guān)的信號。[0008]這里和在整個本說明書和附圖中，提供與加速度直接或間接相關(guān)的信號的傳感器可以在最純粹地意義上意味著加速計(jì)，或可以用備選的運(yùn)動傳感器(例如位移換能器、速度傳感器)來替代，根據(jù)該備選的運(yùn)動傳感器可以通過計(jì)算和/或操作來導(dǎo)出加速度。[0009]補(bǔ)償器被配置為:接收基于來自換能器或傳感器的輸出信號的至少一個信號。所述補(bǔ)償器通過應(yīng)用延遲來提供相位補(bǔ)償，以補(bǔ)償信號。[0010]作為本發(fā)明的另一方面，一種生成補(bǔ)償信息的方法包括:向換能器和傳感器應(yīng)用激發(fā)運(yùn)動，從其獲得響應(yīng)信號。所述傳感器可操作地耦合到換能器，以提供與加速度直接或間接相關(guān)的信號。補(bǔ)償信息是基于所述響應(yīng)信號生成的。所述補(bǔ)償信息被配置為:使用延遲模塊提供相位補(bǔ)償，其時(shí)間周期基于所述換能器的運(yùn)動的相位對頻率。具體地，本文所描述技術(shù)是一種力和加速度信號之間相位校正以實(shí)現(xiàn)有效補(bǔ)償?shù)姆椒?。在一個實(shí)施例中，該方法不是試圖跨所有頻率來匹配相位特性，而是試圖近似在系統(tǒng)動力以下頻率處(例如機(jī)械諧振模式或?yàn)V波器頻率)的相位特性。這些系統(tǒng)動力一般應(yīng)當(dāng)被稱為模態(tài)頻率(modalfrequency)。在很多實(shí)例中，這足以實(shí)現(xiàn)用于閉環(huán)控制和數(shù)據(jù)收集目的的有效加速度補(bǔ)償。[0011]當(dāng)在線性相位對線性頻率尺度上看時(shí)，在第一模態(tài)頻率以下的頻率處，力和加速度之間的相位特性是相當(dāng)線性的。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)通過向引導(dǎo)信號引入延遲，可以容易地消除兩個信號之間的線性相位對頻率差。延遲將不改變信號的幅度，而將改變相位對頻率的斜率。通過選擇用于測量未補(bǔ)償系統(tǒng)的相位特性的斜率的開始頻率和終止頻率，可以在所需頻率范圍上優(yōu)化加速度補(bǔ)償。[0012]即使在換能器信號中看到的頻率模態(tài)頻率(frequencymodalfrequencies)可以遠(yuǎn)高于用于數(shù)據(jù)和控制的關(guān)注頻率范圍，這些模式在遠(yuǎn)低于模態(tài)頻率的力和加速度信號之間產(chǎn)生較小的相位差。在沒有相位校正的情況下，該微小相位差限制了即使在較低頻率處的加速度補(bǔ)償?shù)挠行浴１疚乃峁┑难a(bǔ)償裝置和方法的優(yōu)點(diǎn)是:延遲補(bǔ)償是用于實(shí)現(xiàn)的簡單技術(shù)，然而其極大地改進(jìn)在較低頻率處的加速度補(bǔ)償?shù)挠行浴0013]根據(jù)需要，以下特征或方面中的一個或多個可以與前述系統(tǒng)和方法組合，或在前述系統(tǒng)和方法中使用。[0014]換能器可以包括:力換能器、壓力換能器和/或扭力(扭矩)換能器。[0015]補(bǔ)償器可以提供增益和相位補(bǔ)償。除了頻率之外，補(bǔ)償器提供的相位補(bǔ)償還可以基于另一因素。例如，該另一因素可以基于所應(yīng)用的外部負(fù)載。[0016]延遲可以被配置用于所選擇的頻率范圍(例如在一個特殊的使用實(shí)施例中，用于小于第一模態(tài)頻率的頻率)。【專利附圖】【附圖說明】[0017]圖1是換能器系統(tǒng)的示意框圖，該換能器系統(tǒng)具有用于通過添加延遲來提供相位補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償器。[0018]圖2是第二換能器系統(tǒng)的示意框圖，該第二換能器系統(tǒng)具有用于通過添加延遲來提供相位補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償器。[0019]圖3是用于確定補(bǔ)償量的方法的流程圖。[0020]圖4是針對系統(tǒng)和近似的相位對頻率圖。[0021]圖5是更窄頻率范圍上針對圖4的系統(tǒng)和近似的相位對頻率圖。[0022]圖6是信號處理的框圖?！揪唧w實(shí)施方式】[0023]本說明書引入了不僅根據(jù)質(zhì)量的標(biāo)量表示(傳統(tǒng)加速度補(bǔ)償)還根據(jù)通過使用延遲所近似的頻率來校正換能器的慣性誤差的技術(shù)。具體地，作為本發(fā)明的一個方面，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)生成的補(bǔ)償信號通過應(yīng)用延遲從而根據(jù)頻率來提供相位補(bǔ)償。[0024]作為另一方面，由于這種形式的相位校正，本技術(shù)與已知方案也不同。圖1示意性地示出了換能器10(例如，力、扭力(扭矩)或壓力)和傳感器12，換能器10提供輸出信號10A，傳感器12能夠提供信號12A，信號12A可以直接地或間接地用于確定加速度。在所示實(shí)施例中，傳感器是直接提供加速度信號的加速計(jì)；然而，這僅是一個實(shí)施例。根據(jù)需要，傳感器12可以是諸如位移傳感器之類的傳感器，該傳感器提供指示絕對位置或相對位置或以其他方式所行進(jìn)的距離的輸出信號。如果還給定來自未示出的定時(shí)器或以其他方式來自以下所討論的補(bǔ)償器20的一部分的供換能器10改變位置所花費(fèi)的時(shí)間，則可以對來自位移傳感器的輸出信號進(jìn)行處理，以提供指示加速度的信號(即在本情況中導(dǎo)出的加速度)。[0025]在以下描述中應(yīng)當(dāng)注意的是:術(shù)語“力”意味著“力”、“扭力(扭矩)”或“壓力”。[0026]在信號1A和12A之間，相移和/或幅度衰減或放大可以取決于頻率而存在。此夕卜，相移和/或幅度衰減或放大或其至少一部分還可以是由于分別接收和處理輸出信號1A和12A的處理電路14和16造成的。例如，某些相移和/或幅度衰減或放大可能由于可引入延遲或使延遲不一致的不同調(diào)節(jié)器、濾波器、采樣器等出現(xiàn)，該延遲同樣可以根據(jù)頻率而變化。[0027]本文所描述的本發(fā)明的一個方面是一種在力和加速度信號之間進(jìn)行相位校正以實(shí)現(xiàn)一種形式的補(bǔ)償?shù)姆椒?。該方法不是嘗試跨所有頻率來匹配相位特性，而是在所選擇的頻率(例如頻率范圍，例如并在一個有利實(shí)施例中，在模態(tài)頻率以下(優(yōu)選地在第一模態(tài)頻率以下))處對相位特性進(jìn)行近似。在一些應(yīng)用中，這足以實(shí)現(xiàn)用于閉環(huán)控制和數(shù)據(jù)收集目的的有效加速度補(bǔ)償。[0028]當(dāng)在線性相位對線性頻率尺度上看時(shí)，在第一模態(tài)頻率以下的頻率處已發(fā)現(xiàn):力和加速度之間的相位特性是相當(dāng)線性的。具體地，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)通過向引導(dǎo)信號引入延遲，可以容易地消除兩個信號之間的線性相位對頻率差。延遲將不改變信號的幅度，而將改變相位對頻率的斜率。通過選擇用于測量未補(bǔ)償系統(tǒng)的相位特性的斜率的開始頻率和終止頻率，可以在所需頻率范圍上優(yōu)化加速度補(bǔ)償。[0029]在本發(fā)明的一個方面中，補(bǔ)償器設(shè)備20(例如數(shù)字延遲)適于接收輸出信號10A、12A(或如果如圖2所示，事先由電路14、16處理，則接收其函數(shù)10A’、12A’)中的一個或兩者(在本文中以接收兩者舉例說明)，并通過應(yīng)用或引入延遲周期(在本文中示意性地示出為延遲模塊21)，向輸出信號10A、12A之一提供取決于頻率的相位補(bǔ)償，以提供最終補(bǔ)償后的輸出信號18。在圖1中，用虛線示出延遲模塊21，以指示其將被應(yīng)用于信號12A’或10A’之一O[0030]本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解:補(bǔ)償器設(shè)備20可以在電路14和/或16之前接收輸出信號1A和/或12A，如圖2所示。通常，如果補(bǔ)償器設(shè)備20在電路14、16之前接收輸出信號10A、12A，則補(bǔ)償器設(shè)備20將提供兩個輸出信號。在這種情況下，電路14、16中的每一個通常將不會由自身貢獻(xiàn)信號10A’和12A’之間可測量的相位差。換言之，補(bǔ)償器設(shè)備20的位置向信號1A或12A之一提供必要的相位補(bǔ)償，而電路14、16中的每一個貢獻(xiàn)可忽略的相位誤差。[0031]具有延遲模塊21的補(bǔ)償器設(shè)備20可以用硬件(模擬和/或數(shù)字電路)和/或在合適的計(jì)算設(shè)備(例如數(shù)字信號處理器(同樣是電路))上可操作的軟件來實(shí)現(xiàn)。電路還可以包括(而不限于)邏輯陣列和系統(tǒng)級芯片實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)級芯片實(shí)現(xiàn)在單芯片襯底上集成了計(jì)算機(jī)或處理數(shù)字信號、模擬信號和/或數(shù)模混合信號的其他電子系統(tǒng)的一些(如果不是全部)電路和組件。輸出信號10A、12A可以由測試環(huán)境(其中信號是用分析期間離線的補(bǔ)償設(shè)備20來補(bǔ)償?shù)?產(chǎn)生，和/或可以在控制環(huán)路中實(shí)時(shí)工作(其中輸出信號18(圖1)可以用于控制設(shè)備)。[0032]圖3示出了用于通過向經(jīng)由所選擇的頻率計(jì)算的引導(dǎo)信號應(yīng)用延遲來實(shí)現(xiàn)使用相位補(bǔ)償?shù)挠行Ъ铀俣妊a(bǔ)償?shù)姆椒?0。在步驟42,由例如震動臺(shakertable)對換能器和加速計(jì)兩者進(jìn)行震動或加速(由圖1中的雙箭頭44示意性地指示)。動態(tài)位移/運(yùn)動44的特性是其處于或跨越連續(xù)或離散改變的多個頻率，且在生成慣性誤差的方向上。例如，運(yùn)動44的特性可以是(但不限于):白噪聲、粉紅噪聲、脈沖、階躍(st印)或正弦掃頻(sineswe印)。在運(yùn)動激發(fā)44的應(yīng)用期間，獲得在電路14、16處理之前和/或之后的輸出信號10A、12A。[0033]應(yīng)當(dāng)注意的是:步驟42通常是伴隨著已知外部校準(zhǔn)負(fù)載執(zhí)行的或在已知外部校準(zhǔn)負(fù)載處執(zhí)行的。例如，如果換能器10是力換能器，步驟42可以是伴隨著零外部校準(zhǔn)負(fù)載(即未應(yīng)用力)執(zhí)行的。同樣地，已知外部校準(zhǔn)負(fù)載可以在某些正負(fù)載或負(fù)負(fù)載處，或如下所討論，步驟42可以在多個已知外部校準(zhǔn)負(fù)載處執(zhí)行。[0034]在步驟46，可以用適合由補(bǔ)償設(shè)備20使用的方式來計(jì)算或以其他方式生成補(bǔ)償量。例如，獲得與加速計(jì)輸出信號12A相關(guān)的換能器輸出信號1A的頻率響應(yīng)函數(shù)。圖4以在50處的示例圖的形式示出了換能器和加速計(jì)的相位對頻率數(shù)據(jù)，同時(shí)在52處示出了提出的補(bǔ)償量。圖5示出了較窄頻率范圍上與圖4相同的圖，其中線50和52實(shí)際上是相同的，指示所提出的補(bǔ)償量52是良好的擬合。返回圖3，一般地選擇用于優(yōu)化加速度補(bǔ)償?shù)念l率范圍。該頻率范圍通常應(yīng)當(dāng)在系統(tǒng)的最低模態(tài)頻率以下。[0035]在48處計(jì)算延遲值?？梢愿鶕?jù)所選擇的頻率范圍上相位的斜率來計(jì)算加速度補(bǔ)償延遲。例如，如果頻率以赫茲(Hz)為單位并且相位以度為單位，則用于補(bǔ)償相對延遲的值(以秒為單位)是斜率/360。使用如圖4和圖5中所示的所選頻率范圍的數(shù)據(jù)來確定延遲的值。然后，使用延遲模塊21將引導(dǎo)信號(力或加速度)延遲相對延遲的絕對值。[0036]此外，一般還在49處計(jì)算增益校正。例如，增益校正可以是轉(zhuǎn)移函數(shù)的DC值或頻率范圍上的平均值。應(yīng)當(dāng)注意的是:根據(jù)需要，增益校正可以取決于頻率。[0037]圖6示出了應(yīng)用于數(shù)字信號處理器的補(bǔ)償量的應(yīng)用的框圖，其中信號1A和12A源于模數(shù)轉(zhuǎn)換器54和56。通過將加速度信號(或如步驟48中所確定的延遲加速度信號)乘以在步驟49中所計(jì)算的增益校正，來計(jì)算補(bǔ)償信號58。通過將補(bǔ)償信號58與力信號(或如步驟48中所確定的延遲力信號)相加(求和器60)，獲得補(bǔ)償力信號。[0038]一般地，相位校正可以應(yīng)用于正常操作期間輸出的測量到的力。該校正可以應(yīng)用于加速度信號，然后縮放且然后與未補(bǔ)償?shù)牧π盘栂嗉?，或備選地該校正可以應(yīng)用于力信號然后與縮放的加速度信號相加，或?qū)烧呓M合。如果在關(guān)注的頻率范圍中力信號的相位滯后滯后于加速度信號的相位滯后，則可能需要第一提出方法的變形。[0039]在如上所述的另一實(shí)施例中，步驟42可以在多個已知外部校準(zhǔn)負(fù)載處執(zhí)行。因此，除了基于頻率的函數(shù)之外，還可以基于對換能器12應(yīng)用的外部負(fù)載，來計(jì)算或生成補(bǔ)償量。以此方式，補(bǔ)償量可以是多維的，其中對換能器輸出信號1A和/或加速計(jì)輸出信號12A的補(bǔ)償可以基于一個或多個頻率范圍和一個或多個其他因素(例如外部應(yīng)用負(fù)載、換能器或與其連接的設(shè)備的位移、諸如溫度等的環(huán)境因素等)。[0040]在另一實(shí)施例中，已知外部校準(zhǔn)負(fù)載可以具有某些頻率內(nèi)容，并且負(fù)載可以由受信(例如精確的)換能器來測量，其輸出還用于生成或精細(xì)微調(diào)補(bǔ)償量。[0041]盡管已經(jīng)以結(jié)構(gòu)性特征和/或方法行為特定的語言描述了主題，將理解的是:所附權(quán)利要求中所限定的主題不一定限于如已經(jīng)由法院支持的上述特定特征或行為。相反，僅以實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求的示例形式公開了上述特定特征和行為。【權(quán)利要求】1.一種系統(tǒng)，包括:換能器；能夠耦合到所述換能器的傳感器，所述傳感器提供與加速度直接或間接相關(guān)的信號；以及補(bǔ)償器，連接用于接收至少一個信號，所述至少一個信號基于來自所述換能器和所述傳感器的輸出信號中的至少一項(xiàng)，所述補(bǔ)償器包括用于延遲所述至少一個信號以提供相位補(bǔ)償?shù)难舆t模塊。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述換能器包括力換能器。3.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中，所述換能器包括壓力換能器。4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中，所述換能器包括扭力換能器。5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中，所述補(bǔ)償器提供增益和相位補(bǔ)償。6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中，除了頻率之外，所述補(bǔ)償器還提供基于另一因素的相位補(bǔ)償。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中，所述另一因素是所應(yīng)用的外部負(fù)載。8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中，所述延遲被配置用于所選擇的頻率范圍。9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中，所述延遲被配置用于小于第一模態(tài)頻率的頻率。10.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中，所述傳感器包括加速計(jì)。11.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中，所述傳感器包括位移傳感器。12.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中，所述傳感器包括速度傳感器。13.一種向換能器提供加速度補(bǔ)償?shù)姆椒?，包?向換能器和傳感器應(yīng)用激發(fā)運(yùn)動，并從其獲得響應(yīng)信號，其中所述傳感器能夠耦合到所述換能器以提供與加速度直接或間接相關(guān)的對應(yīng)響應(yīng)信號；以及基于所述響應(yīng)信號來計(jì)算延遲值，使用電路以將所述換能器的引導(dǎo)信號延遲所述延遲值。14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，還包括:向所述換能器應(yīng)用外部負(fù)載。15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，針對所述換能器的外部校準(zhǔn)負(fù)載是零。16.根據(jù)權(quán)利要求13至15中任一項(xiàng)所述的方法，其中，向換能器和加速計(jì)應(yīng)用激發(fā)運(yùn)動并從其獲得響應(yīng)信號包括:向所述換能器應(yīng)用多個外部校準(zhǔn)負(fù)載。17.根據(jù)權(quán)利要求13至16中任一項(xiàng)所述的方法，其中，應(yīng)用激發(fā)運(yùn)動包括:應(yīng)用具有比第一模態(tài)頻率低的一個或更多個頻率的激發(fā)運(yùn)動。18.根據(jù)權(quán)利要求13至17中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述傳感器包括以下各項(xiàng)之一:加速計(jì)、速度傳感器或位移傳感器。19.根據(jù)權(quán)利要求13至17中任一項(xiàng)所述的方法，其中，所述傳感器不包括加速計(jì)，并且計(jì)算所述延遲值包括:對所述響應(yīng)信號進(jìn)行處理以獲得導(dǎo)出的加速度信號。【文檔編號】G01L1/26GK104380069SQ201380032185【公開日】2015年2月25日申請日期:2013年5月16日優(yōu)先權(quán)日:2012年5月18日【發(fā)明者】馬克·M·施萊特,拜倫·J·薩里申請人:Mts系統(tǒng)公司