冉景洪,趙 玲,季 辰,劉子強(qiáng)
(中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院,北京 100074)
基于LabVIEW的顫振激勵(lì)信號(hào)生成與測(cè)試系統(tǒng)研究
冉景洪,趙 玲,季 辰,劉子強(qiáng)
(中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院,北京 100074)
基于NI公司的數(shù)據(jù)采集硬件設(shè)備,結(jié)合跨音速風(fēng)洞顫振試驗(yàn)特點(diǎn),用LabVIEW語(yǔ)言為顫振試驗(yàn)設(shè)計(jì)了一套激勵(lì)信號(hào)生成與多通道同步動(dòng)態(tài)信號(hào)采集系統(tǒng)。設(shè)計(jì)的系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了新型IEPE傳感器和傳統(tǒng)電荷式傳感器兼容、加速度信號(hào)與應(yīng)變信號(hào)同步采集、激勵(lì)信號(hào)生成與多通道數(shù)據(jù)采集同步、直接內(nèi)存讀取數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)無(wú)限時(shí)存盤、信號(hào)實(shí)時(shí)顯示等方面的功能。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證,該系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案完全滿足顫振試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集的要求,獲得良好的測(cè)試結(jié)果,在多功能同步采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面取得了技術(shù)性應(yīng)用成果。
顫振試驗(yàn);信號(hào)生成;數(shù)據(jù)采集;風(fēng)洞試驗(yàn);LabVIEW語(yǔ)言
氣動(dòng)彈性問題的研究對(duì)設(shè)計(jì)高性能飛行器有著舉足輕重的作用。特別是近空間高超音速飛行器,它有廣闊的飛行包線,并對(duì)結(jié)構(gòu)重量有著嚴(yán)格的限制,大量使用超輕質(zhì)、高強(qiáng)韌材料,因而機(jī)體整體和部件的柔性變形不可忽略。它還需要經(jīng)歷長(zhǎng)時(shí)間氣動(dòng)加熱的影響,一方面導(dǎo)致結(jié)構(gòu)材料的機(jī)械性能變化,另一方面氣動(dòng)加熱產(chǎn)生的熱應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)和氣動(dòng)彈性特性都會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的影響[1-2]?;谶@些原因,氣動(dòng)彈性研究特別是顫振、抖振和發(fā)散現(xiàn)象的研究就顯得更加重要。
眾所周知,理論分析、試驗(yàn)探索和數(shù)值計(jì)算三種研究手段中,試驗(yàn)分析是獲得新型結(jié)構(gòu)特性和氣動(dòng)性能的最可靠的手段??紤]到風(fēng)洞試驗(yàn)流動(dòng)速度高、干擾大、試驗(yàn)空間小、顫振現(xiàn)象發(fā)生時(shí)間不確定等因素的存在,一套性能優(yōu)異、功能齊全的數(shù)采系統(tǒng)必然也就成了試驗(yàn)研究中必不可少的工具。
氣動(dòng)彈性試驗(yàn)特別是顫振試驗(yàn)需要測(cè)量的參數(shù)比較多,通常要求在具備生成激勵(lì)信號(hào)功能的同時(shí),還要能夠同步地采集力、多通道的加速度以及應(yīng)變信號(hào)。為了捕捉顫振現(xiàn)象發(fā)生時(shí)的響應(yīng)特性,還要求數(shù)采系統(tǒng)能夠不限時(shí)間地連續(xù)采集和存儲(chǔ),并實(shí)時(shí)顯示與監(jiān)測(cè)分析,這對(duì)硬件定時(shí)的高速采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的可靠性都提出了很高的要求。該文針對(duì)氣動(dòng)彈性研究中的顫振試驗(yàn)用LabVIEW語(yǔ)言為相應(yīng)的硬件設(shè)備設(shè)計(jì)了一套激勵(lì)信號(hào)生成與多通道同步的動(dòng)態(tài)信號(hào)采集系統(tǒng),經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證該設(shè)計(jì)方案滿足試驗(yàn)要求。
(1)顫振試驗(yàn)常需要對(duì)模型輸入激勵(lì)信號(hào),故數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)須具備信號(hào)生成功能,將生成的信號(hào)通過功放后輸入激振器激勵(lì)模型振動(dòng)。
(2)試驗(yàn)中必須記錄下激振器傳給模型的激勵(lì)力。因此,要能夠采集力信號(hào)。與此同時(shí),模型的振動(dòng)響應(yīng)將以加速度和應(yīng)變的形式輸出,數(shù)采系統(tǒng)還要能夠同時(shí)采集快速響應(yīng)的加速度信號(hào)和緩慢變化的應(yīng)變信號(hào)。
(3)數(shù)據(jù)分析理論要求激勵(lì)源、力、加速度和應(yīng)變信號(hào)同步采集,且因試驗(yàn)中可能同時(shí)使用或在不同實(shí)驗(yàn)室用分別使用傳統(tǒng)電荷式和新型IEPE兩種加速度傳感器,還要求數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具備兼容帶激勵(lì)電流測(cè)量和不帶激勵(lì)電流的測(cè)量這兩個(gè)功能。
(4)為捕捉顫振現(xiàn)象發(fā)生時(shí)刻的響應(yīng)特性,數(shù)據(jù)采集必須能夠?qū)崟r(shí)記錄整個(gè)非定常的試驗(yàn)過程,包括所有物理量變化過程和時(shí)間同步,即要實(shí)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的無(wú)限時(shí)高速流盤,并實(shí)時(shí)同步地顯示流動(dòng)參數(shù)變化情況,以便監(jiān)測(cè)之用。
(5)由于試驗(yàn)中流速較高,風(fēng)洞振動(dòng)和環(huán)境干擾比較大,因此要求系統(tǒng)具備較高的抗干擾能力。
激振器(含功放)1臺(tái)、ENDEVCO牌IEPE力傳感器1只及IEPE加速度傳感器2只、BK牌電荷式加速度傳感器及電荷放大器1套、已貼好2路全橋應(yīng)變橋的機(jī)翼模型、NI公司PXI-1042機(jī)箱1臺(tái)、PXI-8106嵌入式控制器1塊、PXI-4461信號(hào)生成與快信號(hào)采集卡1塊、PXI-4462快信號(hào)采集卡1塊、PXI-4220應(yīng)變信號(hào)采集卡2塊,具體連接情況如圖1所示。
圖1 試驗(yàn)設(shè)備連接示意圖
因PXI構(gòu)架采用了PC技術(shù),保持了PC總線技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí),NI公司的PXI平臺(tái)堅(jiān)固耐用[3]。因此,設(shè)計(jì)方案采用了結(jié)構(gòu)化和模塊化設(shè)計(jì)原則,建立了一套基于PXI總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。其關(guān)鍵技術(shù)描述如下:
顫振試驗(yàn)有時(shí)需對(duì)模型進(jìn)行激振,常用的有正弦、脈沖和隨機(jī)白噪聲等激勵(lì)信號(hào),LabVIEW語(yǔ)言都有這些信號(hào)的庫(kù)函數(shù)[4]。該文調(diào)用LabVIEW動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)中的模塊Waveform Buffer Generation.vi子VI來實(shí)現(xiàn)信號(hào)生成。其工作原理如下:先基于PXI-4461采集卡Buffer(板卡內(nèi)存而非計(jì)算機(jī)內(nèi)存)的最大尺寸以數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)的形式定義一個(gè)合適的使用空間Samples Per Buffer后,結(jié)合物理概念定義這個(gè)Buffer內(nèi)全部數(shù)據(jù)是多少個(gè)周期即Cycles Per Buffer,同時(shí)給幅值、相位或白噪聲相關(guān)參數(shù)等賦值;程序運(yùn)行后先生成Samples Per Buffer個(gè)數(shù)據(jù)存入板卡Buffer后,由板件硬件時(shí)鐘按指定速率發(fā)給DA轉(zhuǎn)換器,從而生成指定波形的激勵(lì)信號(hào),見圖2。
圖2 信號(hào)生成模塊的程序框圖
電荷式加速度傳感器在使用過程中產(chǎn)生的電荷需經(jīng)專門的電荷放大器后才能輸出電壓;而IEPE傳感器則是一種自帶集成電路芯片的新型傳感器,可在恒流激勵(lì)下感應(yīng)加速度后直接輸出電壓。LabVIEW語(yǔ)言根據(jù)這一原理分別為它們?cè)O(shè)計(jì)了不同的庫(kù)函數(shù),故使用兩者在同一系統(tǒng)中測(cè)量加速度時(shí)需區(qū)別對(duì)待。
該文設(shè)計(jì)兼容性時(shí)用LabVIEW的Case選擇結(jié)構(gòu)在所有通道上都加入了選擇按鈕,要求指明輸入信號(hào)的傳感器類型。具體設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)每塊多通道采集卡的獨(dú)立功能建一個(gè)任務(wù),用數(shù)組的一個(gè)元素(簇)描述一個(gè)通道,該簇可記錄每通道的信息,比如輸入數(shù)值或輸入屬性等,循環(huán)執(zhí)行即可形成一個(gè)數(shù)組,與任務(wù)對(duì)應(yīng)。用戶在前面板界面上滑動(dòng)水平滾動(dòng)條指定通道(對(duì)應(yīng)一個(gè)簇元素),再根據(jù)傳感器實(shí)際連接情況指定輸入信號(hào)類型后(DSA Input Type)就可調(diào)用LabVIEW的不同庫(kù)函數(shù)來驅(qū)動(dòng)硬件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作,從而就可以在采集中同時(shí)使用兩種傳感器了,如圖 3(a)~圖 3(d)所示。
獲取同步信號(hào)是物理研究的基礎(chǔ),也是衡量數(shù)采系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)。采樣頻率、時(shí)鐘和觸發(fā)源都相同是同步采集的基礎(chǔ),分3種情況:
圖3 電荷式傳感器與IEPE傳感器的兼容方案
(1)信號(hào)生成與數(shù)采同步。PXI-4461是一塊既能生成信號(hào),又能采集動(dòng)態(tài)信號(hào)的高性能采集卡。該文將兩個(gè)功能各自指定一個(gè)Task后,在共享時(shí)基和觸發(fā)源的情況下指定相同的采樣率就實(shí)現(xiàn)了生成與采集同步。
(2)快變化信號(hào)采集卡之間同步。PXI-4461和4462屬同系列板卡,都使用過采樣時(shí)鐘原理進(jìn)行工作,每塊板卡各有一個(gè)時(shí)鐘系統(tǒng),故需將兩種板卡共享同一時(shí)基和同一觸發(fā)源后,再指定相同采樣率才能實(shí)現(xiàn)同步采集。注意,只能用PXI-4462作主卡插入機(jī)箱的Slot2插槽,即共享4462的時(shí)基和觸發(fā)源,反之則不行。因PXI-4461的時(shí)基在輸出到信號(hào)生成和采集兩個(gè)Task后就沒有多余線路將時(shí)基輸出到PXI總線用于共享了;而PXI-4462作主卡后,其時(shí)基除了輸出到自身信號(hào)采集Task后,還有條線路可路由到PXI總線上供其他板卡共享。
(3)快變信號(hào)采集卡與緩變信號(hào)采集卡之間的同步。PXI-4461和4462兩塊快信號(hào)采集卡使用的是過采樣時(shí)鐘,必須共享時(shí)基來實(shí)現(xiàn)同步;而PXI-4220應(yīng)變信號(hào)采集卡使用的是采樣時(shí)鐘,則只能共享時(shí)基分頻實(shí)現(xiàn)同步。
該文選PXI-4462作主卡,取其觸發(fā)源供所有板卡使用,并將其時(shí)基輸?shù)絇XI總線上供PXI-4461使用,再將其采樣時(shí)鐘共享給PXI-4220,如圖4所示。
圖4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)同步的程序框圖
圖4中①是將PXI4462的采樣時(shí)鐘(時(shí)基分頻)路由給PXI-4220;②是將PXI4462的時(shí)基路由給PXI-4461的信號(hào)生成Task和信號(hào)采集Task,這兩者結(jié)合保證了整個(gè)數(shù)采系統(tǒng)使用同一時(shí)鐘;③是將PXI4462的同步觸發(fā)源路由給其他所有板卡,再指定相同的采樣率即實(shí)現(xiàn)了所有板卡同步。
由于PXI-4461和PXI-4462都是最高采樣率為204.8KS/s、24位精度的高性能采集卡,若10個(gè)通道同時(shí)使用數(shù)據(jù)流量將達(dá)到至少3Mb/s。且顫振現(xiàn)象發(fā)生的時(shí)刻還不能確定,故數(shù)采系統(tǒng)必須使用流盤技術(shù)才能做到無(wú)限時(shí)大量數(shù)據(jù)存盤[5]。
基于PXI-4461/4462和PXI-4220都支持的DMA(Direct Memory Access)數(shù)據(jù)傳輸方式,直接將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)ADC獲得的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)內(nèi)存后,借助循環(huán)緩存技術(shù)(雙緩存技術(shù)Double-buffering)實(shí)現(xiàn)高速流盤。即通過定義隊(duì)列在計(jì)算機(jī)內(nèi)存中開辟一塊空間[6],容量大小定為所有通道一起工作時(shí)其采樣率×通道數(shù)的兩倍。一方面各板卡的ADC在“生產(chǎn)者-消費(fèi)者”模式的“生產(chǎn)者”環(huán)節(jié)中采集數(shù)據(jù)后,以DMA方式將數(shù)據(jù)傳到隊(duì)列中,一次讀取的采樣數(shù)為一倍采樣率×通道數(shù)的大??;另一方面計(jì)算機(jī)在程序控制下同時(shí)從“消費(fèi)者”環(huán)節(jié)中以二進(jìn)制形式將數(shù)據(jù)存入硬盤,以保證程序不停地從ADC中將數(shù)據(jù)讀入內(nèi)存,且一個(gè)不漏地將數(shù)據(jù)從隊(duì)列中取走并存入到硬盤里,詳細(xì)實(shí)現(xiàn)方式如圖5所示。
圖5中①是將所有通道采集到數(shù)據(jù)組成數(shù)組后以DMA的方式送入隊(duì)列;同時(shí)從②將數(shù)據(jù)從隊(duì)列中讀出來以二進(jìn)制的方式寫入硬盤。
圖5 高速流盤技術(shù)及實(shí)時(shí)顯示的程序框圖
傳統(tǒng)的試驗(yàn)中只能通過觀察模型或示波器監(jiān)視響應(yīng)情況,但當(dāng)前的數(shù)采系統(tǒng)支持信號(hào)實(shí)時(shí)顯示功能,可用于監(jiān)測(cè)試驗(yàn)狀態(tài)變化動(dòng)向,LabVIEW語(yǔ)言中的Waveform Chart(波形圖表)就是專門為動(dòng)態(tài)信號(hào)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示而設(shè)計(jì)的。
該文將ADC采集的數(shù)據(jù)流引一條分支進(jìn)波形圖表來進(jìn)行監(jiān)測(cè)[7],起到和示波器完全相同的作用,優(yōu)點(diǎn)是大大簡(jiǎn)化整個(gè)試驗(yàn)設(shè)備,程序框圖如圖5中位置③處所示。
低干擾、高信噪比的信號(hào)無(wú)疑是所有研究試驗(yàn)都期待的結(jié)果,但大干擾和高噪在實(shí)際工作中總是不可避免的問題,關(guān)鍵問題在于如何盡可能地降低干擾,提高信噪比。該文設(shè)計(jì)的方案中從如下兩個(gè)方面進(jìn)行:
(1)設(shè)低通濾波器。對(duì)于PXI-4220這兩塊慢信號(hào)采集卡,在設(shè)計(jì)過程中通過屬性節(jié)點(diǎn)保證采集任務(wù)啟動(dòng)時(shí)打開其低通濾波功能,其調(diào)用方式如圖6所示。
(2)提高采樣頻率。對(duì)于PXI-4461/4462這兩塊快點(diǎn)信號(hào)采集卡,本身自帶的抗混疊濾波功能會(huì)在數(shù)據(jù)采集啟動(dòng)時(shí)自動(dòng)打開。除此以外,將采樣頻率設(shè)定為所關(guān)心信號(hào)成份頻率的5倍以上便可盡可能減少由于采樣率過低而導(dǎo)致的誤差[8]。由于顫振試驗(yàn)所關(guān)心頻率通常在2 000Hz以下,最可能引發(fā)顫振現(xiàn)象的頻率在500Hz以下,所以這樣處理導(dǎo)致采集系統(tǒng)引入的高頻干擾對(duì)顫振試驗(yàn)數(shù)據(jù)的要求和結(jié)果影響不是很大。
基于上述關(guān)鍵技術(shù),結(jié)合程序設(shè)計(jì)中的模塊化原則,充分考慮操作員誤操作容錯(cuò)處理和采集參數(shù)最優(yōu)化選擇等因素后[9],開發(fā)出了一套與硬件緊密結(jié)合的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件,其主體構(gòu)架如圖7所示。
圖7 SGADSAS軟件主體構(gòu)架圖
除所有信號(hào)全部同步以外,其主要功能如下:
用戶可定義物理頻率(Desired Frequency)、波形類型、幅值、是否疊加白噪聲、白噪聲類型等信號(hào)生成參數(shù)和期待的數(shù)據(jù)采集采樣率(點(diǎn)/s),然后指定用PXI-4461的ai0還是ai1通道輸出信號(hào)。Samples Per Buffer和Cycles Per Buffer在經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)后由程序根據(jù)信號(hào)的物理頻率和期待采集數(shù)據(jù)的采樣率進(jìn)行自動(dòng)優(yōu)化選擇,其重要關(guān)系式如下:
波形所含點(diǎn)數(shù):Samples Per Cycle=Samples Per Buffer÷Cycles Per Buffer
系統(tǒng)實(shí)際采樣率:Resulting Sample Clock Rate=Desired Frequency×Samples Per Cycle
注意,系統(tǒng)實(shí)際采樣率是在考慮激勵(lì)信號(hào)生成與響應(yīng)信號(hào)數(shù)據(jù)采集同步時(shí)特針對(duì)該系統(tǒng)作優(yōu)化設(shè)計(jì)情況下的特殊參數(shù),與期待采樣率可能相同,也可能不同,但絕不是定義物理硬件采樣率的公式。
PXI-4461和4462兩塊板卡的6個(gè)通道可采集6路信號(hào)力或加速度信號(hào),且兼容電荷式傳感器和IEPE式傳感器,其最高采樣速率為每通道208KS/s。
兩塊PXI-4220緩變信號(hào)采集卡一共可以采集4路應(yīng)變橋(全、半或1/4橋均可),在開啟同步保持的情況下同時(shí)使用4個(gè)通道采集數(shù)據(jù),其最高采樣率為每通道66KS/s。若每塊板卡只啟用1個(gè)通道采集數(shù)據(jù)時(shí)其最高采樣率增加為每通道100KS/s。當(dāng)PXI-4461、PXI-4462、兩塊PXI-4220共4塊板卡同時(shí)使用時(shí),系統(tǒng)最高采樣率取決于最慢板卡的情況,即由PXI-4220決定,為每通道66KS/s。
設(shè)計(jì)的軟件能夠分為力信號(hào)、加速度信號(hào)和應(yīng)變信號(hào)3個(gè)波形圖表單獨(dú)顯示各種不同類型的信號(hào)。
在硬盤有空間的情況下,數(shù)采系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)將采集的數(shù)據(jù)直接存入硬盤的功能,從而打破了內(nèi)存容量的限制。理論上只要硬盤夠大,就可以永遠(yuǎn)采集數(shù)據(jù)。
運(yùn)用設(shè)計(jì)的SGADSAS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在風(fēng)洞里對(duì)NACA0012機(jī)翼模型進(jìn)行了顫振試驗(yàn),試驗(yàn)過程中4塊板卡全部啟用,在生成激勵(lì)信號(hào)的同時(shí)同步采集了力信號(hào)、加速度信號(hào)和應(yīng)變信號(hào)。
硬件系統(tǒng)工作正常表明,所設(shè)計(jì)的軟件能夠正常驅(qū)動(dòng)硬件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作。從同步通道測(cè)量同一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的結(jié)果分析得知,測(cè)量結(jié)果誤差小于0.000001,速變信號(hào)采集通道嚴(yán)格同步,細(xì)微的差別是由于采集板卡24位精度及信號(hào)強(qiáng)度方面的原因所致。用所有通道對(duì)同一模型振動(dòng)數(shù)據(jù)的采集分析結(jié)果表明,沒有相位差且系統(tǒng)具有較高的測(cè)量準(zhǔn)確度和較強(qiáng)的抗干擾能力,可直接服務(wù)于顫振試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集工作,達(dá)到了預(yù)期的目的和設(shè)計(jì)要求。
相比傳統(tǒng)數(shù)采設(shè)備采集時(shí)間有限制,只能借助于示波器監(jiān)測(cè)響應(yīng)變化趨勢(shì),且儀器數(shù)量較多的情況,該設(shè)計(jì)方案大大地簡(jiǎn)化了研究人員的操作強(qiáng)度和勞動(dòng)量,是數(shù)據(jù)采集在顫振試驗(yàn)設(shè)備方面的一次重要技術(shù)應(yīng)用。
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RAN Jing-hong,ZHAO Ling,JI Chen,LIU Zi-qiang
(China Academy of Aerospace Aerodynamics,Beijing 100074,China)
Based on the characteristics of flutter test in wind tunnel and NI DAQ equipments,a dynamic synchronous data acquisition(DAQ)system with excitation signal generation was designed for flutter test based on LabVIEW.The system can realized several functions,such as compatibility for IEPE transducer and traditional charge transducer,synchronous data acquisition of acceleration signal and strain signal, synchronous signal generation and DAQ, direct memory access,unlimited data streaming as well as dynamic signal real-time display.The validation test showed that the designed system could meet the requirements of flutter test and it was a successful technique application of signal generation and multi-channel dynamic DAQ for flutter test in wind tunnel.
flutter test;signal generation;data acquisition;wind tunnel test;LabVIEW
TP311.52;TM930.12
A
1674-5124(2011)01-0084-05
2010-02-09;
2010-04-28
冉景洪(1980-),男,貴州思南縣人,工程師,碩士,主要從事低雷諾數(shù)流動(dòng)和氣動(dòng)彈性研究。