声响式定时器校准技术研究

胡 宁

(中航工业成都飞机工业(集团)有限责任公司，成都 610092)



声响式定时器校准技术研究

胡 宁

(中航工业成都飞机工业(集团)有限责任公司，成都 610092)

校准声响式定时器的停止时刻往往通过人为手动卡时的方式实现与标准设备的同步。本文提出利用声电原理将声响转化为电信号达到测量标准与定时器停止时刻的同步，基于时频测量的基本原理简要介绍声响式定时器校准的工作原理和校准方法。该校准方法仅是对声响式校准的一种探索与尝试。

拾音器；适配部件；时间闸门；时间测量标准仪

0 引言

声响式定时器是时间控制的辅助设备，但对生产加工，材料处理等同样具有重要意义。声响式定时器的校准通常采用人工秒表卡时的方法，这种方法会引入较大的人为误差。特别是在校准时间较长的情况下，校准人员容易疏忽秒表卡时，导致重新校准，增加了重复工作量和时间。声响式定时器计时停止时会发出的声响，因此，可以将该声响信号转化成电信号实现定时器与标准设备的同步。本文将阐述如何通过声电信号实现时间测量标准仪和声响式定时器计时停止时刻同步。

1 校准装置工作原理

声响式定时器标准装置主要由隔音箱、拾音器、适配部件和时间测量标准仪组成，如图1所示。

图1 声响式定时器校准装置结构框图

隔音箱用于隔绝箱体外部声响对箱体内部的干扰，主要由箱体和隔音材料组成。材料隔音着眼于入射声源另一侧的透射声能的大小，透射声能越小越好。隔音材料可使透射声能衰减到入射声能的10-3～10-4或更小。可根据测量环境、场地选择适当的隔音材料。

拾音器在隔音箱内，作为声电转化电路的第一级，其作用就是把声音信号转化为电信号传输给放大器。拾音器主要有电容式拾音器和动圈式拾音器。电容式拾音器是以声音通过空气使震膜震动，改变上震膜和下金属铁片的距离，使其电容发生变化，形成电流阻抗。这种拾音器的输出功率较大，灵敏度高，频响范围能达到20Hz～20kHz，但是容易受到周围环境的干扰。

相对而言，动圈式拾音器是以声音通过空气使震膜震动，然后，在震膜上的线圈绕组和环绕在动圈上的磁铁形成磁力场切割，产生微弱的电流。其本质就是一块电磁铁，无论是整体式还是六点式的拾音器都是在永磁体上缠绕线圈制成的。拾音器里的永磁体一般用两种材料来制作：磁钢(即铝镍钴合金)和陶瓷。磁铁越大缠绕的线圈越多，拾音器的输出功率就越大。通常这种拾音器功率比较小，频响范围比较差，一般只能达到50Hz～16kHz，但因为其灵敏度不高，受到的环境杂音干扰要小很多。

声响信号经过拾音器后转化为微弱的电流信号，经过适配部件中的放大器、比较器、带通滤波器和控制器后形成控制信号，控制时间测量标准仪的时间闸门关闭时刻，即计时停止时刻。

2 适配部件工作原理

适配部件如图1所示，主要有由放大器、比较器和控制电路组成。这里适配部件转化的信号没有音质好坏的要求，只是停止计时的截止信号，因此没有加入滤波器。如果在特殊场地，或噪音较大的场所使用可考虑在适配部件中加入滤波器。

2.1 增益放大器

拾音器输出的毫伏信号范围实测约为20～25mV，此电信号太小不能够进行采样，后级A/D转换输入信号的动态范围为0～5V，声音信号的范围与采样范围的比较得出放大器的放大倍数应为200倍左右。此处将信号通过一增益为46dB的放大器，放大到伏特量级。为了将从拾音器获得的微弱语音信号放大，采用两极高输入阻抗的同向放大器，电路原理图如图2所示，放大器A1和A2的放大倍数按下式计算:βA1=1+RF1/R3，βA2=1+RF2/R5。

图2 同向放大器电路原理图

2.2 控制电路

主要起开关控制作用，当其接收到匹配的信号后做出断开或者闭合的动作。可采用电子开关类器件或者电磁铁作为控制部件。图3为电子开关适配电路图。

图3 电子开关适配电路图

时间测量标准仪与声响式定时器同步启动，当声响式定时器停止计时发出声响，声响信号通过拾音器、放大器、比较器后提供给电子开关适配电路，适配电路终端接入时间测量标准仪的两个通道。有声响信号时，比较器输出“1”电平，三极管BE导通，适配电路中反相器前端为“0”电平，经过反向后为“1”电平。此时，时间测量标准仪通道2的电平信号通过三态门TRI到达通道1，时间测量标准仪与声响式定时器同步停止计时。反之，无声响信号时三态门呈高阻状态，时间测量标准仪通道2的电平信号无法到达通道1，时间测量标准仪持续计时。

3 时间测量标准仪工作原理

声响式定时器通常校准时间TX较长，fX通常在赫兹以下级别，而时基频率很容易达到kHz或MHz。此外，定时器待测信号不能在一次测量中周而复始的循环，不能作为计数信号。因此，声响式定时器的校准只能采用测周原理。

时间测量标准仪采用测周的原理设计，核心部件由CPLD和单片机构成。其结构框图如图4所示。

图4 时间测量标准仪结构框图

时间测量标准仪的标准计时信号由CPLD将标准晶振信号分频得到。CPLD中逻辑电路由逻辑门电路构成，其主要作用是形成时间闸门。时间闸门的开闭由该标准仪启动计时信号和通道1的电平信号控制。启动时，声响式定时器与时间测量标准仪手动同步启动，单片机接收到键盘启动键信号后发送电平信号控制CPLD时间闸门打开。此时，时间闸门与时标信号(标准晶振经过分频后的信号)进行逻辑合成，由计数器对合成后的信号进行计数。停止时，声响式定时器发出声响信号，时间测量标准仪通道2的电平信号通过适配部件到达通道1，CPLD根据通道1的电平信号触发时间闸门闭合，停止计数，计数数据将存储在寄存器中。单片机从寄存器中读取CPLD的测量数据进行运算、处理后通过显示器显示出来，实现时间闸门的时间测量。同时单片机对CPLD发出反馈信号，完成对CPLD计数清零、置位以及相关控制等操作。其中适配部件实质上起到类似声控开关的作用。

4 试验结果

1)采用手动秒表卡时方式测量声响式定时器，测量数据如表1所示：

表1 测量数据

可以看出，在同一测量点的三次测量值极差为0.06～0.14s。手动秒表卡时校准方法的测量不确定度包含以下因素：1)由秒表引入的测量不确定度u1；2)启动和停止时刻由人为因素引入的测量不确定度为u2；3)由秒表分辨率引入的测量不确定度为u3和由测量重复性引入的测量不确定度u4，取其较大值。

2)采用声响式定时器校准装置测量的数据如表2所示：

表2

对比表1和表2数据可以看出，声响式定时器校准装置的测量更稳定，不确定度更优。同时采用该校准装置还能让检定人员在实际校准工作中摆脱错过卡时时刻而造成重新检定的困扰。

5 结论与展望

拾音器的选择和适配部件的设计是该技术应用能否取得良好效果的关键所在。拾音器的选择与环境场所密切相关，适配部件主要是将拾音器的信号转化为控制电平，对于时间测量仪而言，它具有一个信号开关的作用，控制标准仪计时停止的时刻。适配部件的设计因标准设备的不同而不同，理论上具有电秒表测量功能的测量仪都可以配合类似设计的适配部件实现该校准技术的应用。

本文提出的校准技术是为了减小声响式定时器校准过程中的人为因素，保证其校准准确性、可靠性而进行的一种探索和尝试。该校准技术完成了停止时刻的自动同步，但是启动同步仍然采用手动的方式。如何完成声响式定时器的全自动测量还有进一步探索和讨论的空间。

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10.3969/j.issn.1000-0771.2015.08.17