基于PXI實(shí)現(xiàn)振動(dòng)臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)校準(zhǔn)技術(shù)研究

包楨

(貴州航天計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，貴州貴陽(yáng)550009)

0 引言

振動(dòng)臺(tái)是一種非常重要的環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備，遍布在各軍工行業(yè)中。振動(dòng)臺(tái)能考核模擬真實(shí)環(huán)境試驗(yàn)條件下產(chǎn)品的可靠性、動(dòng)強(qiáng)度，疲勞破壞等以便評(píng)估其性能是否滿足要求，找出工藝生產(chǎn)中薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行修改。另外，振動(dòng)試驗(yàn)是從元器件到武器型號(hào)進(jìn)行地面模擬仿真試驗(yàn)的關(guān)鍵步驟。因此，振動(dòng)臺(tái)性能的可靠性將直接影響型號(hào)產(chǎn)品研制水平、試驗(yàn)、生產(chǎn)及其性能評(píng)定。

本文以PXI-NI數(shù)據(jù)采集器為基礎(chǔ)，應(yīng)用LabVIEW語(yǔ)言編寫振動(dòng)臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)程序，依據(jù)JJG 948-1999《數(shù)字式電動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)檢定規(guī)程》技術(shù)指標(biāo)要求。通過實(shí)時(shí)采集的方法實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)頻率、加速度、失真度、均勻度、橫向振動(dòng)比、動(dòng)態(tài)范圍、功率譜密度、沖擊等參數(shù)的自動(dòng)記錄，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)臺(tái)全參數(shù)的無紙化計(jì)量校準(zhǔn)。

1 PXI-NI數(shù)據(jù)采集器介紹

本文中采用PXI-NI數(shù)據(jù)采集器。PXI-NI數(shù)據(jù)采集器擁有電源模塊、控制分析模塊、示波器模塊、函數(shù)發(fā)生器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊(10個(gè)輸入通道)等五個(gè)模塊。

圖1 計(jì)量校準(zhǔn)過程實(shí)物圖

計(jì)量校準(zhǔn)過程實(shí)物圖，如圖1所示。將傳感器均勻分布在振動(dòng)臺(tái)面上，將信號(hào)傳輸線直接接入PXI輸入端，省去了電荷放大器和BNC連接線。

2 校準(zhǔn)軟件總體設(shè)計(jì)

依據(jù)《JJG 948-1999數(shù)字式電動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)檢定規(guī)程》，結(jié)合振動(dòng)臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的參數(shù)特點(diǎn)，校準(zhǔn)軟件主要程序有四個(gè):正弦參數(shù)程序、隨機(jī)參數(shù)程序、沖擊參數(shù)程序、數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)程序。如圖2所示。正弦參數(shù)程序主要完成頻率、加速度、失真度、均勻度、橫向振動(dòng)比、加速度、速度及位移的示值誤差的校準(zhǔn);隨機(jī)參數(shù)程序主要完成動(dòng)態(tài)范圍、加速度均方根值、加速度功率譜密度的校準(zhǔn);沖擊參數(shù)程序主要完成沖擊加速度值、沖擊脈寬的校準(zhǔn);數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)程序主要完成數(shù)據(jù)的自動(dòng)存儲(chǔ)、報(bào)表、打印等功能。

圖2 振動(dòng)臺(tái)校準(zhǔn)軟件組成框圖

整套校準(zhǔn)軟件的核心是將每個(gè)輸入通道合理分配到相應(yīng)的校準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行配置。主要設(shè)計(jì)是:PXI-NI數(shù)據(jù)采集器有3片采集卡共十個(gè)通道，現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)臺(tái)校準(zhǔn)中需要八個(gè)通道。分別為1/ai0～1/ai3，2/ai0～2/ai3，3/ai0～3/ai1通道。首先，選擇“DAQmx創(chuàng)建通道”子VI函數(shù)，來實(shí)現(xiàn)虛擬通道和物理通道的通訊，并對(duì)該虛擬通道進(jìn)行信息配置，如輸入接線端配置、輸入范圍、物理通道名稱、任務(wù)輸入、單位等信息。

3 硬件選擇

采集加速度信號(hào)的傳感器一般分為電荷式加速度計(jì)和電壓式加速度計(jì)。而前者不能直接連入數(shù)據(jù)采集器，需要通過電荷放大器轉(zhuǎn)換信號(hào)。但是，采用后者可以連入數(shù)據(jù)采集器。因?yàn)?，NI PXI-4622采集模塊可配置AC/DC耦合和IEPE調(diào)理，為電荷式加速度計(jì)提供4 mA的激勵(lì)電流。所以，本文選擇電壓式加速度計(jì)。

4 測(cè)試軟件設(shè)計(jì)

4.1 正弦參數(shù)程序

4.1.1 正弦信號(hào)采集軟件程序設(shè)計(jì)

創(chuàng)建DAQmx添加全局虛擬通道中的八個(gè)虛擬通道，并為其配置物理通道名稱、傳感器靈敏度值和單位及量程范圍。創(chuàng)建失真度測(cè)量VI，并輸入配置其諧波次數(shù)、自動(dòng)搜索基頻功能。在顯示配置上添加失真度、基頻輸出并在前面板顯示。創(chuàng)建加速度峰值搜索VI和索引數(shù)組，將輸入的八個(gè)通道采集的加速度峰值輸出，并在前面板顯示。

根據(jù)檢定規(guī)程參數(shù)要求，需要計(jì)算臺(tái)面均勻性和橫向振動(dòng)比誤差。設(shè)計(jì)組考慮添加公式實(shí)時(shí)計(jì)算均勻性和橫向振動(dòng)比誤差，便于隨時(shí)觀察振動(dòng)臺(tái)異常數(shù)據(jù)。將五個(gè)通道數(shù)據(jù)按公式(1)計(jì)算，后三個(gè)通道數(shù)據(jù)按公式(2)計(jì)算。

式中:ax，ay為垂直于主振方向的兩個(gè)相互垂直軸的加速度幅值分量;az為主振方向的加速度幅值。

根據(jù)檢定規(guī)程參數(shù)要求，需要計(jì)算臺(tái)面速度和臺(tái)面位移。于是，本文考慮添加公式實(shí)時(shí)計(jì)算臺(tái)面速度和臺(tái)面位移。將通道(中心點(diǎn))數(shù)據(jù)按公式(3)計(jì)算

式中:D為中心點(diǎn)位移，mm;a為中心點(diǎn)加速度幅值，g;f為中心點(diǎn)頻率，Hz。

式中:V為中心點(diǎn)速度，m/s;a為中心點(diǎn)加速度幅值，g;f為中心點(diǎn)頻率，Hz。

具體設(shè)計(jì)軟件流程圖如圖3所示。

圖3 軟件設(shè)計(jì)流程圖

4.1.2 正弦信號(hào)采集軟件前面板設(shè)計(jì)

采集部分包括8個(gè)輸入通道名稱配置、采樣帶寬和線數(shù)設(shè)置和8通道靈敏度輸入設(shè)置。為了方便輸入和修改統(tǒng)一將其規(guī)劃在前面板的左側(cè)。波形顯示部分包括時(shí)域和頻域波形顯示，用選項(xiàng)卡設(shè)計(jì)進(jìn)行切換。對(duì)波形圖的X軸和Y軸根據(jù)數(shù)據(jù)大小實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整標(biāo)尺。為了便于觀察波形添加移動(dòng)游標(biāo)、波形放大和移動(dòng)功能及應(yīng)用八種顏色區(qū)分各個(gè)波形。為了方便輸入和觀察統(tǒng)一將其規(guī)劃在前面板的中間。數(shù)據(jù)顯示部分采用自上而下和各參數(shù)獨(dú)立分區(qū)的設(shè)計(jì)，為了便于觀察將其規(guī)劃在前面板的右測(cè)。具體前面板設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 正弦信號(hào)采集軟件前面板

4.2 隨機(jī)參數(shù)程序設(shè)計(jì)

4.2.1 隨機(jī)信號(hào)采集軟件程序設(shè)計(jì)

創(chuàng)建功率譜密度VI，輸入部分添加窗函數(shù)、對(duì)數(shù)采集開關(guān)、平均模式、平均方法、平均次數(shù)及是否自動(dòng)重新平均等配置。輸出部分添加重新平均的布爾控件和已平均次數(shù)的顯示。創(chuàng)建“rmsVI”，便于讀取加速度頻譜有效值(即加速度均方根值)。創(chuàng)建波形圖像，便于觀察和讀取功率譜密度、動(dòng)態(tài)范圍及加速度均方根值的波形。創(chuàng)建獲取功率譜密度值VI，輸入配置需觀測(cè)的頻率，輸出配置該頻率點(diǎn)的功率譜密度。

4.2.2 隨機(jī)信號(hào)采集軟件前面板設(shè)計(jì)

采集部分包括輸入單通道名稱配置、采樣帶寬和線數(shù)設(shè)置和單通道靈敏度輸入設(shè)置。窗函數(shù)選擇根據(jù)要求進(jìn)行更改。采樣設(shè)置中的平均模式、平均方法、平均次數(shù)及是否自動(dòng)重新平均根據(jù)規(guī)程要求分別配置為有效值平均模式、線性平均方法、120次及自動(dòng)重新平均。同樣為了方便輸入和修改統(tǒng)一將其規(guī)劃在前面板的左側(cè)。波形顯示部分包括了功率譜密度、動(dòng)態(tài)范圍及加速度均方根值的波形，用選項(xiàng)卡設(shè)計(jì)進(jìn)行切換顯示。對(duì)波形圖的X軸和Y軸根據(jù)數(shù)據(jù)大小實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整標(biāo)尺。為了便于觀察波形添加移動(dòng)游標(biāo)、波形放大和移動(dòng)功能。為了方便輸入和觀察統(tǒng)一將其規(guī)劃在前面板的中間。數(shù)據(jù)顯示部分采用自上而下和各參數(shù)獨(dú)立分區(qū)的設(shè)計(jì)，為了便于觀察將其規(guī)劃在前面板的右測(cè)。具體前面板設(shè)計(jì)如圖5和圖6所示。

圖5 隨機(jī)信號(hào)采集軟件前面板(功率譜密度)

圖6 隨機(jī)信號(hào)采集軟件前面板(動(dòng)態(tài)范圍)

4.3 沖擊參數(shù)程序設(shè)計(jì)

4.3.1 沖擊信號(hào)采集軟件程序設(shè)計(jì)

該程序采用單通道采集。創(chuàng)建DAQmx觸發(fā)，選擇為參考模擬邊沿觸發(fā)。添加”DAQmx開始任務(wù)”，該VI主要功能為通知PXI采集卡可以開始采集任務(wù)。創(chuàng)建DAQmx讀取，將采集到的信號(hào)根據(jù)設(shè)置還原為所需要的信號(hào)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求配置采樣線數(shù)(可根據(jù)采樣頻率范圍通過前面板進(jìn)行調(diào)節(jié))，便于下一步的讀取與分析。創(chuàng)建濾波器VI，便于剔除多余的干擾信號(hào)。為了便于觀察，創(chuàng)建波形圖表，實(shí)時(shí)顯示沖擊波形變化。

4.3.2 沖擊信號(hào)采集軟件前面板設(shè)計(jì)

采集部分包括輸入通道名稱配置、采樣帶寬和線數(shù)設(shè)置和單通道靈敏度輸入設(shè)置。采樣時(shí)間的設(shè)計(jì)主要針對(duì)沖擊波形的快速采集的連續(xù)性，根據(jù)需求輸入時(shí)間，如果在該時(shí)間內(nèi)未觸發(fā)，軟件將自動(dòng)停止采集。最大正負(fù)加速度的設(shè)計(jì)，根據(jù)需求調(diào)整，主要目的是對(duì)即將采集的波形幅值的預(yù)判，防止過載損壞傳感器。觸發(fā)電平和觸發(fā)邊沿的設(shè)計(jì)主要考慮防止2次余波的干擾觸發(fā)和波形正負(fù)向的修改。濾波器類型分為低通、高通、帶通和帶阻。實(shí)際沖擊計(jì)量應(yīng)用一般選擇低通和帶通。濾波頻率范圍根據(jù)所采波形的脈寬設(shè)置，根據(jù)公式(5)和(6)確定低通濾波器和高通濾波器。

式中:f1為低通頻率，Hz;t為所測(cè)得沖擊脈寬，ms。

式中:f2為高通頻率，Hz;t為所測(cè)得沖擊脈寬，ms。顯示波形為時(shí)域波形。對(duì)波形圖的X軸和Y軸根據(jù)數(shù)據(jù)大小實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整標(biāo)尺。為了便于觀察波形添加移動(dòng)游標(biāo)、波形放大和移動(dòng)功能，對(duì)過載的沖擊波形實(shí)行紅燈報(bào)警顯示。具體前面板設(shè)計(jì)如圖7所示。

圖7 沖擊信號(hào)采集軟件前面板

4.4 數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)程序設(shè)計(jì)

根據(jù)以上3個(gè)程序數(shù)據(jù)輸出的特性，在各程序后添加了自動(dòng)存儲(chǔ)功能。按照指定模板輸入在同一張EXCEL表中。模板中包含了客戶姓名、地址、所檢設(shè)備型號(hào)、編號(hào)、生產(chǎn)廠家、檢定日期等信息。

5 振動(dòng)臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)校準(zhǔn)軟件可靠性驗(yàn)證

使用振動(dòng)臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)校準(zhǔn)軟件對(duì)振動(dòng)臺(tái)部分參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)試結(jié)果滿足JJG 948-1999《數(shù)字式電動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)檢定規(guī)程》中給出的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備技術(shù)指標(biāo)要求。具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 振動(dòng)臺(tái)參數(shù)技術(shù)指標(biāo)要求和實(shí)測(cè)結(jié)果

6 結(jié)論

本文針對(duì)振動(dòng)臺(tái)的正弦、隨機(jī)、沖擊參數(shù)的校準(zhǔn)需求，設(shè)計(jì)了基于PXI-NI數(shù)據(jù)采集器的校準(zhǔn)軟件，從正弦參數(shù)、隨機(jī)參數(shù)、沖擊參數(shù)、數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)程序4個(gè)方面進(jìn)行了設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，可實(shí)現(xiàn)振動(dòng)臺(tái)的正弦、隨機(jī)、沖擊參數(shù)的校準(zhǔn)。另外該項(xiàng)目的完成同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)電動(dòng)水平振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)、機(jī)械振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)、公路模擬運(yùn)輸試驗(yàn)臺(tái)、落體式?jīng)_擊試驗(yàn)臺(tái)，碰撞試驗(yàn)臺(tái)、顆粒噪聲碰撞試驗(yàn)臺(tái)等環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備的計(jì)量校準(zhǔn)。

［1］姚天任.數(shù)字信號(hào)處理［M］.武漢:華中理工大學(xué)出版社，1987.

［2］趙茂泰.智能儀器原理及應(yīng)用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，1999.

［3］范瑞逢.諧波的測(cè)量方法及諧波分析儀［M］.浙江:浙江電力出版社，1994.

［4］魏燕定.基于FFT的超低頻諧波失真度測(cè)試儀［J］.計(jì)測(cè)試技術(shù)，1999(3)，2-3.