一种基于斯皮尔曼相关分析的速度测试校验装置及方法与流程

1.本发明涉及测控技术领域，尤其是一种基于斯皮尔曼相关分析的速度测试校验装置及方法。


背景技术：

2.在工业应用中，机构运动速度的检测，通常是由速度检测仪器，测试运动机构的行程曲线s，然后把行程曲线截取成行程数组δs1、δs2、δs3、
……
、δsn；行程数组所对应的时间数组δt1、δt2、δt3、
……
、δtn；行程数组与时间数组的比值，即为速度数组，从而实现速度测量。由于时间数组是由微处理器产生的，具有极高的准确定，可见行程的测量是速度测量的关键。
3.在实际行程信号采集过程中，当机构运行速度较大时，例如10m/s,速度测试仪器的信号调理电路，会对行程信号带来频响延时，导致速度测量不准确。所以设计速度测试仪器的校验装置极为重要，目前，市场上速度校验装置，常见的有气动速度校验装置，直线电机速度校验装置等。
4.气动速度校验装置，虽然可以达到较高的校验速度，但是存在空气压缩机打压噪音大等缺点。直线电机速度校验装置，由伺服电气驱动机构运动，虽然结构简单，但在较短行程下(例如500mm)，很难把速度升到10m/s以上，存在检验速度低的缺点。


技术实现要素：

5.针对上述技术问题，本发明提出了一种基于斯皮尔曼相关分析的速度测试校验装置及方法，该速度测试校验装置基于斯皮尔曼相关分析原理进行速度校验，结构简单，安装方便，通过费力杠杆放大后能够得到非常大的校验速度且校验精度高，能够满足大部分速度速度测试仪器的速度校验。
6.一种基于斯皮尔曼相关分析的速度测试校验装置，包括电磁驱动机构、费力杠杆、直线运动杆、限位滚轴、磁栅尺及磁栅尺传感器，所述费力杠杆通过转动支点进行支撑，所述费力杠杆的两端设有矩形限位槽，所述电磁驱动机构的输出轴和直线运动杆上分别垂直固定有限位柱一和限位柱二，所述限位柱一和限位柱二分别插入一组所述矩形限位槽内，所述限位柱二与所述转动支点的距离大于所述限位柱一与所述转动支点的距离，所述直线运动杆水平设置，所述限位滚轴对称设于所述直线运动杆的上下两端，对所述直线运动杆的上下端面进行限位，所述磁栅尺沿所述直线运动杆的长度方向固定于其下端面，所述磁栅尺传感器正对于磁栅尺设置，用于测试磁栅尺移动距离，待校验速度测试仪器的行程传感器和速度测试仪固定于所述直线运动杆上。
7.作为上述技术方案的优选，所述限位柱二与转动支点的距离是限位柱一与转动支点的距离的十倍。
8.作为上述技术方案的优选，所述电磁驱动机构采用可调的直流电压源供电。
9.作为上述技术方案的优选，所述磁栅尺传感器的分辨率为10微米。
10.作为上述技术方案的优选，所述磁栅尺传感器和所述待校验速度测试仪器均设于所述直线运动杆的末端且相对设置。
11.一种基于斯皮尔曼相关分析的速度测试校验方法，采用上述任意一项所述的速度测试校验装置，还包括微处理器单元、功率放大单元、信号调理单元、人机交互单元、同步采集信号调理单元及usb通信单元，具体校验步骤作为：
12.步骤一、同步采集信号输出，人机交互单元发出校验指令，微处理器单元校验指令并发出信号，微处理器单元发出的信号经过同步采集信号调理单元解调后，传输给待校验速度测试仪器，并通过usb通信单元同步获取待校验速度测试仪器的行程数据n；微处理器单元发出驱动信号经过功率放大单元放大后驱动电磁驱动机构的输出轴伸缩运动；微处理器单元同步采集由磁栅尺传感器传出并经过信号调理单元处理的标准行程数据m；
13.步骤二、绘制标准行程数据m的波形图，其中，以1毫秒为一个数据相关分析块，把数据m分成数据块m1，m2，m3，
……
mm，同理，处理待校验速度测试仪器的行程数据n，也分成数据块n1，n2，n3，
……
nm；其中m为分成的数据块个数，在采样频率确定的条件下，数据块个数m由采样时长决定；
14.步骤三、进行斯皮尔曼相关分析，调用斯皮尔曼相关分析算法，对数据块m、n进行数据处理，计算出斯皮尔曼相关系数：p1，p2，p3，
……
，pm；并绘制相关系数p的波形图；其中，-1≤p≤1，其相关计算系数公式为：
[0015][0016]
其中：di＝r(mi)
–
r(ni)，公式中：n是每列数据个数，mi、ni是进行相关分析的两列数据变量，r(mi)、r(ni)进行相关分析的两列数据变量的等级，di是两列变量的等级差，根据斯皮尔曼相关算法可知：当p＝1时，两数列完全正相关；当p＝0时，两数列完全不相关；当p＝-1时，两数列完全负相关；
[0017]
步骤四，给出判定结果，将步骤三中相关系数的最低值p
min
与设定的合格相关系数p0进行比对，p
min
≧p0，则待校验速度测试仪器合格，反之则不合格。
[0018]
作为上述技术方案的优选，所述在步骤一中，行程数据m和行程数据n采集的频率不低于100khz。
[0019]
作为上述技术方案的优选，在步骤一中，电磁驱动机构的移动速度经过费力杠杆放大后，直线运功杆的移动速度能够达到20m/s。
[0020]
本发明的有益效果在于：
[0021]
该速度测试校验装置基于斯皮尔曼相关分析原理进行速度校验，结构简单，安装方便，通过费力杠杆放大后能够得到非常大的校验速度且校验精度高，能够满足大部分速度速度测试仪器的速度校验。
附图说明
[0022]
图1为本发明速度测试校验装置的结构示意图。
[0023]
图2为电磁驱动机构驱动费力杠杆运动后的结构示意图。
[0024]
图3为本发明速度测试校验装置的行程分析图。
[0025]
图4为本发明速度测试校验方法的的原理图。
[0026]
图5为本发明速度测试校验方法的的流程图。
[0027]
图6为本发明速度测试校验装置标准行程波形图。
[0028]
图7为一种不合格速度测试仪的斯皮尔曼相关系数图。
[0029]
图8为一种合格速度测试仪的斯皮尔曼相关系数图。
[0030]
附图标记如下：1-电磁驱动机构、2-费力杠杆、3-直线运动杆、4-限位滚轴、5-磁栅尺、6-磁栅尺传感器、7-转动支点、8-矩形限位槽、9-限位柱一、10-限位柱二、11-待校验速度测试仪器、1101-行程传感器、1102-速度测试仪。
具体实施方式
[0031]
下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0032]
如图1至图3所示的一种基于斯皮尔曼相关分析的速度测试校验装置，包括电磁驱动机构1、费力杠杆2、直线运动杆3、限位滚轴4、磁栅尺5及磁栅尺传感器6，所述费力杠杆1通过转动支点7进行支撑，所述费力杠杆1的两端设有矩形限位槽8，所述电磁驱动机构1的输出轴和直线运动杆3上分别垂直固定有限位柱一9和限位柱二10，所述限位柱一9和限位柱二10分别插入一组所述矩形限位槽8内，所述限位柱二10与所述转动支点7的距离大于所述限位柱一9与所述转动支点7的距离，所述直线运动杆3水平设置，所述限位滚轴4对称设于所述直线运动杆3的上下两端，对所述直线运动杆3的上下端面进行限位，所述磁栅尺5沿所述直线运动杆3的长度方向固定于其下端面，所述磁栅尺传感器6正对于磁栅尺5设置，用于测试磁栅尺5移动距离，待校验速度测试仪器11的行程传感器1101和速度测试仪1102固定于所述直线运动杆3上。
[0033]
在本实施例中，所述限位柱二10与转动支点7的距离是限位柱一9与转动支点7的距离的十倍。
[0034]
在本实施例中，所述电磁驱动机构1采用可调的直流电压源供电。
[0035]
在本实施例中，所述磁栅尺传感器6的分辨率为10微米。
[0036]
在本实施例中，所述磁栅尺传感器6和所述待校验速度测试仪器11均设于所述直线运动杆3的末端且相对设置。
[0037]
本实施例中，在电磁驱动机构1的驱动下，费力杠杆2绕转动支点7旋转，在限位滚轴4的限位作用下，直线运动杆3在费力杠杆2的带动下只能做直线运动。其中，磁栅尺5的位置始终不变，当直线运动杆3移动时，磁栅尺5采集磁栅尺传感器6的数据，待校验速度测试仪器11的速度测试仪1102测试其行程传感器1101的数据。
[0038]
图3中，l1为费力杠杆2的动力臂，l2为费力杠杆2的阻力臂，本实施例中，阻力臂l2设计为动力臂l1的10倍，当限位柱二10由w1位置转到w2位置时，由几何知识可知，限位柱二10的直线运动行程d2是限位柱一9的直线运动行程d1的10倍。当电磁驱动机构1的运动端子的直线行程为30mm时，则直线运动杆3的直线行程为300mm。电磁驱动机构1的运动端子在dc220v驱动电压下，最大直线运动速度是2m/s，则直线运动杆3的最大直线运动速度为20m/s。
[0039]
一种基于斯皮尔曼相关分析的速度测试校验方法，采用上述任意一项所述的速度测试校验装置，还包括微处理器单元、功率放大单元、信号调理单元、人机交互单元、同步采集信号调理单元及usb通信单元，具体校验步骤作为：
[0040]
步骤一、同步采集信号输出，人机交互单元发出校验指令，微处理器单元校验指令并发出信号，微处理器单元发出的信号经过同步采集信号调理单元解调后，传输给待校验速度测试仪器11，并通过usb通信单元同步获取待校验速度测试仪器11的行程数据n；微处理器单元发出驱动信号经过功率放大单元放大后驱动电磁驱动机构1的输出轴伸缩运动；微处理器单元同步采集由磁栅尺传感器6传出并经过信号调理单元处理的标准行程数据m；
[0041]
步骤二、绘制标准行程数据m的波形图，其中，以1毫秒为一个数据相关分析块，把数据m分成数据块m1，m2，m3，
……
mm，同理，处理待校验速度测试仪器的行程数据n，也分成数据块n1，n2，n3，
……
nm；其中m为分成的数据块个数，在采样频率确定的条件下，数据块个数m由采样时长决定；
[0042]
步骤三、进行斯皮尔曼相关分析，调用斯皮尔曼相关分析算法，对数据块m、n进行数据处理，计算出斯皮尔曼相关系数：p1，p2，p3，
……
，pm；并绘制相关系数p的波形图；其中，-1≤p≤1，其相关计算系数公式为：
[0043][0044]
其中：di＝r(mi)
–
r(ni)，公式中：n是每列数据个数，mi、ni是进行相关分析的两列数据变量，r(mi)、r(ni)进行相关分析的两列数据变量的等级，di是两列变量的等级差，根据斯皮尔曼相关算法可知：当p＝1时，两数列完全正相关；当p＝0时，两数列完全不相关；当p＝-1时，两数列完全负相关；
[0045]
步骤四，给出判定结果，将步骤三中相关系数的最低值p
min
与设定的合格相关系数p0进行比对，p
min
≧p0，则待校验速度测试仪器合格，反之则不合格。
[0046]
在本实施例中，所述在步骤一中，行程数据m和行程数据n采集的频率不低于100khz。
[0047]
在本实施例中，在步骤一中，电磁驱动机构1的移动速度经过费力杠杆2放大后，直线运功杆3的移动速度能够达到20m/s。
[0048]
本实施例中，微处理器单元、功率放大单元、信号调理单元、人机交互单元、同步采集信号调理单元及usb通信单元为上述速度测试校验装置的控制单元组成部分，其校验原理和流程图分别如图4和图5所示。
[0049]
图6为本发明速度测试校验装置标准行程波形图，设定相关系数大于0.95时，判定待校验速度测试仪器11的速度测量合格，反之为不合格。
[0050]
图7为一种不合格速度测试仪器的斯皮尔曼相关系数图，从图中可以看出，15ms处的相关系数为0.9；参考图6所示的标准行程图可知，15ms处的行程曲线的切线，即该点的瞬时速度值较大，约为40m/s，可见该型速度测试仪，在速度较大时，存在数据采样延时超限，低于0.95，故评价为速度校验不合格。
[0051]
图8为一种合格速度测试仪器的斯皮尔曼相关系数图，从图中可以看出，该速度测试仪的所有相关系数均大于0.95，故评价为速度校验合格。
[0052]
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。