摘要：在軍品型號(hào)研制和生產(chǎn)過(guò)程中，信號(hào)調(diào)理器廣泛應(yīng)用于振動(dòng)、力、壓力和聲學(xué)等非電量電測(cè)技術(shù)中。為了解決信號(hào)調(diào)理器現(xiàn)場(chǎng)檢定工作中存在的諸多不便，我們研制了信號(hào)調(diào)理器VXI總線現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由硬件和軟件組成，硬件主要包括信號(hào)源模塊、數(shù)字化儀模塊與VXI總線機(jī)箱等部分。
關(guān)鍵詞：信號(hào)調(diào)理器；VXI總線模塊；測(cè)試系統(tǒng)
Signal Conditioner VXI Bus On-siteVerification System
Feng wenmin,Wang haiyan,Liu haimei
Abstract：Signal conditioner is extensively used in vibration、force、pressure、acoustics measurement and so on.There are many difficulties in verification of signal conditioner On-site.To resolve these problems,we produce the signal conditioner VXI bus On-site Verification System.This system include signal generator module、digitizer module,which compose verification system with the VXI mainframe ; and verification software.
Key words: Signal conditioner; VXI bus module; verification system
1 引言
信號(hào)調(diào)理器，包括電荷放大器、應(yīng)變儀及傳感器變送器等，是把傳感器信號(hào)作初步處理，變?yōu)榉治鰞x可進(jìn)一步分析的信號(hào)的儀器。在軍品型號(hào)研制和生產(chǎn)過(guò)程中，廣泛應(yīng)用于振動(dòng)、力、壓力和聲學(xué)等非電量電測(cè)技術(shù)中。如：在彈體整體結(jié)構(gòu)技術(shù)性能試驗(yàn)、發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)性能試驗(yàn)和慣導(dǎo)器件的環(huán)境試驗(yàn)等試驗(yàn)中，應(yīng)用了各種類型的傳感器和信號(hào)調(diào)理器。由于傳感器信號(hào)調(diào)理器集成在導(dǎo)彈測(cè)試系統(tǒng)中，拆卸不方便，而檢測(cè)信號(hào)調(diào)理器的標(biāo)準(zhǔn)儀器數(shù)量多、體積大，給現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量檢測(cè)工作帶來(lái)了不便。一般信號(hào)調(diào)理器，通道數(shù)較多，現(xiàn)有的檢測(cè)設(shè)備只能實(shí)現(xiàn)單個(gè)通道測(cè)量，工作量和計(jì)算量較大，而且手動(dòng)操作存在人為誤差，影響測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。為了解決上述問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的小型化和自動(dòng)化，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)可方便移動(dòng)到現(xiàn)場(chǎng)，我們研制了信號(hào)調(diào)理器VXI總線現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)。
2系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1硬件設(shè)計(jì)
檢測(cè)系統(tǒng)硬件組成如圖1所示，檢測(cè)系統(tǒng)硬件主要有VXI總線機(jī)箱、信號(hào)轉(zhuǎn)接電路和外控計(jì)算機(jī)等部分組成。VXI總線機(jī)箱內(nèi)有電源模塊、控制模塊、信號(hào)源模塊和數(shù)字化儀模塊。VXI總線機(jī)箱采用C尺寸，C尺寸的儀器模塊通過(guò)機(jī)箱背板上的連接器插入機(jī)箱。電源模塊將穩(wěn)定的直流電壓送到機(jī)箱背板上，經(jīng)過(guò)連接器給各個(gè)儀器模塊供電。外控計(jì)算機(jī)通過(guò)IEEE1394總線和控制模塊對(duì)儀器進(jìn)行操作控制。在計(jì)算機(jī)的控制下，信號(hào)源模塊輸出標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)接電路送到被檢測(cè)信號(hào)調(diào)理器的各個(gè)輸入端，被檢測(cè)信號(hào)調(diào)理器的輸出信號(hào)接到數(shù)字化儀模塊。計(jì)算機(jī)控制數(shù)字化儀模塊，采集被檢測(cè)信號(hào)調(diào)理器的輸出信號(hào)，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。由計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算分析這些數(shù)字信號(hào)，最后得到被測(cè)信號(hào)頻譜或電壓值等檢測(cè)結(jié)果。
（a）信號(hào)源模塊采用直接數(shù)字合成技術(shù)實(shí)現(xiàn)波形輸出功能，保證了模塊輸出的波形在整個(gè)信號(hào)頻率范圍內(nèi)具有很高的頻率分辨率；模塊內(nèi)部提供了八選一輸出通道，可以通過(guò)軟件對(duì)通道進(jìn)行設(shè)置和選擇一個(gè)通道輸出波形，減少了計(jì)量時(shí)反復(fù)的接線和設(shè)置工作，使得工作量大大減少，提高了工作效率、減輕了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。
|
VXI總線機(jī)箱 |
外控計(jì)算機(jī) 控制模塊 IEEE1394接口 被檢測(cè)信號(hào)調(diào)理器 輸入 輸出 信號(hào)轉(zhuǎn)接電路 電源模塊 信號(hào)源模塊 多路開(kāi)關(guān) 數(shù)字化儀模塊 多路開(kāi)關(guān)
圖1 系統(tǒng)硬件組成
2.2軟件設(shè)計(jì)
檢測(cè)系統(tǒng)軟件完成的主要功能包括：硬件檢測(cè)及初始化、方式及條件設(shè)置、數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)處理及分析計(jì)算。采用WINDOWS平臺(tái)下運(yùn)行的LabVIEW作為軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境。檢測(cè)軟件流程如圖2所示。
（a）硬件檢測(cè)及初始化：包括對(duì)信號(hào)發(fā)生器模塊和數(shù)字信號(hào)處理模塊地址設(shè)置、第一次開(kāi)機(jī)的初始化、模塊狀態(tài)及錯(cuò)誤檢查等。
（b）方式及條件設(shè)置：設(shè)置數(shù)據(jù)讀取方式及采集信號(hào)的時(shí)間。
（c）數(shù)據(jù)采集：采用定時(shí)采集方式。
（d）數(shù)據(jù)顯示：采用窗口顯示標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)數(shù)據(jù)和測(cè)量信號(hào)數(shù)據(jù)。采用指示燈顯示硬件工作狀態(tài)。
（e）數(shù)據(jù)處理及分析計(jì)算：數(shù)據(jù)處理包括數(shù)字濾波、交流耦合、加窗函數(shù)等；數(shù)據(jù)分析包括FFT、最小二乘法曲線擬合等。
數(shù)據(jù)的處理及分析計(jì)算結(jié)果 開(kāi)始 數(shù)據(jù)采集 方式及條件設(shè)置 存儲(chǔ)數(shù)據(jù)
數(shù)據(jù)顯示
結(jié)束
圖2 檢測(cè)軟件流程
3.1增益
信號(hào)調(diào)理器增益=輸出電壓/輸入電壓，
以標(biāo)準(zhǔn)裝置輸出電壓10V為例進(jìn)行分析，輸出電壓幅度誤差為0.03%,此誤差屬均勻分布，由此帶來(lái)的不確定度分量為：
針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)裝置輸出為10V，幅度測(cè)量量程選10V檔，對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)裝置幅度測(cè)量誤差為0.05%,此誤差屬均勻分布，由此帶來(lái)的不確定度分量為：
信號(hào)轉(zhuǎn)接電路的誤差是標(biāo)準(zhǔn)電容或標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變的誤差，誤差均為0.05%,此誤差屬均勻分布, 由此帶來(lái)的不確定度分量為
合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：
擴(kuò)展不確定度為：
U=k×
被檢信號(hào)調(diào)理器增益誤差為1%，所以滿足增益檢測(cè)的要求。
3.2信號(hào)調(diào)理器線性
信號(hào)調(diào)理器線性誤差為：
δm=[（ei0eom）/（eo0eim）-1]×100% （m=0，1，2…）
式中, eo0——信號(hào)調(diào)理器的最大輸出電壓
ei0——信號(hào)調(diào)理器輸出最大電壓eo0時(shí)信號(hào)發(fā)生器模塊的輸出電壓。
eom——信號(hào)調(diào)理器的輸出電壓（m=1，2，3…）
eim——信號(hào)調(diào)理器輸出eom時(shí)信號(hào)發(fā)生器模塊的輸出電壓（m=0，1，2…）
ei0、eom、eo0和eim值由數(shù)字化儀模塊測(cè)得，信號(hào)調(diào)理器線性的測(cè)量點(diǎn)m一般為平均分布，選5～10個(gè)。
以標(biāo)準(zhǔn)裝置輸出電壓10V為例進(jìn)行分析，輸出電壓幅度誤差為0.03%,此誤差屬均勻分布，由此帶來(lái)的不確定度分量為：
針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)裝置輸出為10V，幅度測(cè)量量程選10V檔，對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)裝置幅度測(cè)量誤差為0.05%,此誤差屬均勻分布，由此帶來(lái)的不確定度分量為：
信號(hào)轉(zhuǎn)接電路的誤差是標(biāo)準(zhǔn)電容或標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變的誤差，均為0.05%,此誤差屬均勻分布, 由此帶來(lái)的不確定度分量為：
合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：
擴(kuò)展不確定度為：
U=k×
被檢信號(hào)調(diào)理器的線性為1%，所以能滿足線性檢測(cè)的要求。
4系統(tǒng)的主要特點(diǎn)
4.1可靠性
檢測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性是保證檢定質(zhì)量的關(guān)鍵，因此在設(shè)計(jì)本系統(tǒng)程序時(shí)，采取了以下措施：
（a）自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)，減少了因人而異的手動(dòng)操作的讀數(shù)誤差，避免了手工記錄、數(shù)據(jù)處理時(shí)的粗大誤差；
(b) VXI總線具有高可靠性，由于儀器的功能主要靠軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，減少了傳統(tǒng)儀器按鈕、開(kāi)關(guān)、顯示等部分，從而使系統(tǒng)的平均無(wú)故障時(shí)間大大提高。
4.2可擴(kuò)展性
(a) 由于采用了層次分明的軟件結(jié)構(gòu)，使功能擴(kuò)充和程序修改變得比較容易；
(b) VXI總線規(guī)范化，標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)，以及開(kāi)放式環(huán)境使得系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和可維護(hù)性更強(qiáng)；
(c) LabVIEW開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)不僅功能齊全,還節(jié)省成本,當(dāng)測(cè)量發(fā)生改變時(shí)可以輕松對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行修改或擴(kuò)展。
5 結(jié)論
信號(hào)調(diào)理器VXI總線現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)，建立了小型化、自動(dòng)化的信號(hào)調(diào)理器現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)。基于VXI總線技術(shù)建立的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)，具有高可靠性和可擴(kuò)展性。檢測(cè)數(shù)據(jù)采用自動(dòng)記錄方式，減少手動(dòng)操作的讀數(shù)誤差，提高了檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確程度。
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