本文是一篇电力通信论文，本文的设计初衷是针对现有的大型振动校准仪存在的问题，如便携性差、价格昂贵、操作复杂和适应性差等，设计一款集便携性、精确性、环境适应性和高性价比为一体的便携式振动校准仪。
第一章绪论
1.1研究背景
1.1.1振动传感器
现代工业高速发展，测试技术向数字化、信息化方向发展是必然趋势，而传感器是测试系统的信息获取主要途径和手段，快速发展的IC技术和计算机技术为传感器的发展提供了良好与可靠的科学技术基础，图1-1为市面上常见两类传感器。传感器的发展日新月益，且数字化、多功能与智能化是现代传感器发展的重要特征[1]。
振动传感器是一种用于检测和测量物体振动的装置或传感器。它能通过感知和量化物体的振动来提供有关振动特征的信息。图1-2为目前市面上常见的振动传感器。
振动传感器的工作原理根据其测量的物理量不同而基于不同的物理效应，如压电效应、电容效应、电感效应或压阻效应：
(1)压电效应利用一种特殊的材料，在受力或振动作用下产生电荷变化，并转换为电信号，它可以通过感知物体的加速度，速度或位移来测量振动，输出信号可以是模拟信号或数字信号，具体取决于传感器的类型。
(2)电容效应利用了振动物体与电容之间的关系。振动传感器中通常有两个电极，它们之间存在相应的电容。当振动物体移动时，电容的值会随之而改变，从而导致电荷的变化。这种变化可以被检测到，并转换为相应的振动信号。
1.2研究意义
随着测试技术的数字化、智能化和计算机化，振动测试和动态分析发挥着愈来愈重要的作用，而振动传感器由于其测量精度高、工作频率范围宽、体积小等，被广泛应用于振动测试中[12]。在工业上用来防止机器故障，避免对工人产生意外伤害[6][15]。
随着科学技术和工农业生产迅速发展，大量工程振动问题不断出现，振动传感器在振动与冲击测试中应用更为广泛，所以正确地收集和处理传感器数据显得尤为重要。然而受到环境条件和使用情况的影响，振动传感器的准确性和稳定性可能会随时间而发生变化。因此定期进行振动校准是确保测量准确性的关键措施。通过定期的振动校准，可以及时发现传感器的误差或漂移，并进行相应的调整和校正，以确保传感器输出的准确性和可靠性。
振动校准仪可以帮助用户发现和纠正振动传感器的偏差。通过与已知准确度的标准进行比较，校准仪可以检测传感器输出的误差，并提供相应的校准修正值。这有助于确保振动传感器能够准确地测量和报告振动参数，以便采取适当的维护和调整措施。在这些情况下需要对振动传感器进行校准：
(1)企业对传感器进行出厂校准。例如对于低频拾振器，测量起始频率不能高于1Hz，所以在对它的通频带进行校准时，在1 Hz处的幅值衰减与平坦段相比不能小于-3dB ，否则必须对其进行调整，以使其满足要求[13]。
(2)传感器修理之后会造成自振周期、线性度和灵敏度等性能的变化。所以传感器修理以后必须进行校准[3]。
第二章传感器调理电路设计
2.1模拟直流电压输出方式
针对电荷输出型传感器输出的信号微弱，在进行数据采集前需要对信号进行一系列的调理，首先是信号的放大，经过电荷放大电路和反相比例放大电路，将信号放大20倍，然后就是对需要采用低通滤波器和高通滤波器串联组成带通滤波器以加强滤波器的稳定度和减少数值误差产生的影响。整个信号调理电路包括电荷放大、反相比例放大、带通滤波和电压偏置四级电路。图2-1是此输出方式的电路组成。
2.2 4-20 mA 电流输出方式
针对电压输出型传感器输出的原始交流电压信号不便于分析，因此设计了4-20 mA电流输出电路，能够为振动传感器提供了电源和偏置电压，然后采集传感器输出的交流电压信号并计算出真有效值，再转换为两线制的4-20 mA 的电流输出，电流可根据输入信号的大小进行调节。
2.2.1电路设计
4-20mA电流输出调理电路基于STM32L412CBU6制作。STM32L412器件是基于高性能ARM架构、Cortex-M4的32位RISC内核的超低功耗微控制器，工作频率高达80MHz。STM32L412器件嵌入高速存储器（高达128 Kbyte的闪存，40 Kbyte的SRAM），有两个快速12位ADC（5msps），还有12个电容感应通道，满足调理电路设计所需。图2-10为本设计使用的STM32L412CUB6引脚图。
第三章 标定系统硬件部分设计 ......................... 34
3.1 硬件部分方案设计 ........................... 34
3.2 激振器设计 ............................ 35
3.3 信号发生器设计 ........................... 37
第四章 标定系统软件部分设计 .......................... 46
4.1 校准装置软件部分设计.......................... 46
4.1.1 AD9833 设置 ................................. 46
4.1.2 振动量级控制算法设计 ........................ 47
第五章 标定系统实验测试 ........................ 59
5.1 振动台性能测试 ......................... 59
5.2 传感器校准测试 ................................... 60
5.3 上位机软件测试 ............................... 62
第六章总结及展望
6.1本设计总结
本文的设计初衷是针对现有的大型振动校准仪存在的问题，如便携性差、价格昂贵、操作复杂和适应性差等，设计一款集便携性、精确性、环境适应性和高性价比为一体的便携式振动校准仪。
在硬件部分，本文设计了激振器、信号发生器、功率放大器和信号调理等电路。激振器不仅具有较好的振动响应效果，还考虑到体积小和重量轻等优点，大大减少了整个设计的尺寸和重量，进一步提高了便携性。此外，信号调理电路也是专为本设计的振动量级和频率范围而设计，它不再需要外部电荷放大器和数据采集模块，直接处理传感器的输出信号，大大提升了适用性。
在软件部分，本设计添加了振动量级控制算法，该算法可以显著提升振动的稳定性和精确性，从而有效降低系统误差；上位机软件的建立更为使用者提供了高度的便捷与更高的效率，做到了工业用的实时性监测。
通过灵敏度、线性度和频率响应特性等测试，本设计的各项指标都完全符合振动与冲击传感器校准方法（GB/T20485.21-2007）的流程与要求，作业方式和校准精度均满足《JJG 298-2015标准振动台》的检定规程，可以作为企业传感器出厂的校准仪器。
参考文献（略）
