陳璐

(中航工業(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京100095)

0 引言

角振動(dòng)傳感器在航空、航天、艦船及兵器等領(lǐng)域均有重要的應(yīng)用。在對(duì)傳感器進(jìn)行動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)，或進(jìn)行反饋控制中，需要同時(shí)準(zhǔn)確獲取幅頻特性和相頻特性參數(shù)時(shí)，角振動(dòng)傳感器的精準(zhǔn)溯源顯得尤為重要［1］。

為保證這些角振動(dòng)傳感器的研制與生產(chǎn)，提高其技術(shù)指標(biāo)的測(cè)量準(zhǔn)確度，建立可實(shí)現(xiàn)量值溯源的絕對(duì)法測(cè)試系統(tǒng)具有重要意義［2］。目前國(guó)家或國(guó)防最高計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)中都不包含角振動(dòng)量，實(shí)際使用中的角振動(dòng)量無法進(jìn)行量值溯源。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有角振動(dòng)臺(tái)的研制水平，與最高計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)對(duì)角振動(dòng)臺(tái)的要求還有一些距離，而且由于傳感器的動(dòng)態(tài)特性要求比實(shí)際測(cè)試設(shè)備的工作頻率范圍要超出400 Hz，甚至600 Hz，另外慣性器件也正在朝高頻響、小型化的方向發(fā)展，這就需要我們對(duì)角振動(dòng)臺(tái)的頻率范圍提出更高的要求。

高頻角振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)基于高頻激光測(cè)速儀的設(shè)計(jì)原理，以平面光柵為合作目標(biāo)，采用激光多普勒動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)量方法和光柵差動(dòng)式激光干涉技術(shù)，復(fù)現(xiàn)角振動(dòng)量值，并直接溯源于長(zhǎng)度和時(shí)間，從根本上解決了普通激光干涉儀測(cè)量固體表面橫向運(yùn)動(dòng)時(shí)不可避免的多普勒信號(hào)的隨機(jī)相位效應(yīng)，并提高了多普勒信號(hào)的信噪比。傳統(tǒng)的角振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)需要對(duì)信號(hào)發(fā)生設(shè)備、激勵(lì)設(shè)備及各種傳感器件等多個(gè)儀器進(jìn)行操控，步驟繁瑣，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，整個(gè)系統(tǒng)體積大、自動(dòng)化程度低、不便于設(shè)備升級(jí)。

虛擬儀器技術(shù)利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效、靈活的軟件來完成各種測(cè)試、測(cè)量和自動(dòng)化的應(yīng)用。具有如下特點(diǎn):①集成度高、體積小 (虛擬儀器使用計(jì)算機(jī)軟件完成大部分?jǐn)?shù)據(jù)分析和處理功能，省去了大量的硬件，避免了顯示和存儲(chǔ)硬件的重復(fù)投資，大大減小了體積和重量);②配置靈活，便于維護(hù)、擴(kuò)展和升級(jí) (由于虛擬儀器系統(tǒng)的主要功能由軟件完成，用戶可以根據(jù)需求量身訂制，便于升級(jí)，大大延長(zhǎng)了儀器的技術(shù)壽命);③開放性、模塊化 (虛擬儀器硬件體系結(jié)構(gòu)由主機(jī)箱、控制器、各種外圍功能模塊組成。用戶可根據(jù)需要自由地構(gòu)建硬件系統(tǒng));④自動(dòng)化程度高 (虛擬儀器中，測(cè)試任務(wù)的調(diào)度，數(shù)據(jù)的采集、分析、處理、存儲(chǔ)和輸出都可自動(dòng)完成，大大降低人工處理數(shù)據(jù)中的錯(cuò)誤率)。

在本文所闡述的基于虛擬儀器的高頻角振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)中，將傳統(tǒng)角振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的激勵(lì)源發(fā)生與控制，振動(dòng)臺(tái)狀態(tài)監(jiān)測(cè)，包括氣壓、溫度、電壓、電流等參數(shù)的監(jiān)測(cè)都集中由虛擬儀器軟件進(jìn)行控制，簡(jiǎn)化了測(cè)量步驟，節(jié)省了人力，從而提高了工作效率，縮短了測(cè)量時(shí)間。

本文主要介紹高頻角振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)，對(duì)光柵信號(hào)處理算法進(jìn)行重點(diǎn)研究，介紹了測(cè)量系統(tǒng)中虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用，并對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行能力驗(yàn)證［3］。

1 高頻角振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)

高頻角振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，如圖1所示。傳感器安裝在角振動(dòng)臺(tái)的臺(tái)面上，由信號(hào)源產(chǎn)生不同頻率和幅值的電壓信號(hào)通過控制器控制功率放大器來驅(qū)動(dòng)角振動(dòng)臺(tái)，角振動(dòng)臺(tái)將以某一給定的頻率和振幅產(chǎn)生正弦角運(yùn)動(dòng)。校準(zhǔn)過程中，標(biāo)準(zhǔn)傳感器與被校傳感器同時(shí)安裝在角振動(dòng)臺(tái)的臺(tái)面上 (比較法測(cè)量)或直接采用角振動(dòng)臺(tái)的角度測(cè)量元件的輸出信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào) (絕對(duì)法測(cè)量)進(jìn)行測(cè)量。

圖1 高頻角振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

硬件部分主要包括光柵激光干涉儀、信號(hào)放大器、角振動(dòng)臺(tái)和系統(tǒng)控制柜。其中，光柵激光干涉儀主要用來測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，將角振動(dòng)量值直接溯源到長(zhǎng)度量值;角振動(dòng)臺(tái)作為激勵(lì)系統(tǒng);系統(tǒng)控制柜則包含了數(shù)據(jù)采集、信號(hào)發(fā)生器和功率放大器，這部分集成了整個(gè)系統(tǒng)的核心設(shè)備，即虛擬儀器硬件。高頻角振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)備實(shí)物圖如圖2所示。

圖2 高頻角振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)備

在高頻角振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)中，光柵信號(hào)的解調(diào)處理、降低波形失真是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)，也是本系統(tǒng)中借助虛擬儀器技術(shù)重點(diǎn)研究的對(duì)象。

高等職業(yè)院校要有教師信息能力和素養(yǎng)提升與發(fā)展的平臺(tái)，通過高等職業(yè)院校數(shù)字化資源的利用建立起教師信息化和數(shù)字化培養(yǎng)與發(fā)展體系，使教師通過數(shù)字化、信息化平臺(tái)認(rèn)知大數(shù)據(jù)技術(shù)，熟練掌握高等職業(yè)院校教育教學(xué)中應(yīng)該具備的能力和方法，真正能夠利用大數(shù)據(jù)成果更好地整合現(xiàn)有的高等職業(yè)院校教育教學(xué)資源，形成獨(dú)特的教育教學(xué)風(fēng)格以適應(yīng)高等職業(yè)院校改革教育的自身發(fā)展的需要。

2 信號(hào)處理方法

2.1 光柵信號(hào)解調(diào)

在圖1中，光柵輸出兩路相位差為π/2電信號(hào)，經(jīng)信號(hào)調(diào)理器放大后可以表示為

式中:h和k表示直流分量;a和b表示交流分量的幅值;φ表示兩路信號(hào)的相位。

當(dāng)光柵運(yùn)動(dòng)時(shí)，相位隨之變化，Ux和Uy的交流分量按正弦規(guī)律變化并且兩者的相位差為π/2。如果將Ux和Uy輸出至示波器的x和y軸，將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)矢量，形成李薩育圓。旋轉(zhuǎn)矢量每旋轉(zhuǎn)一周代表相位變化2π，對(duì)應(yīng)的被測(cè)目標(biāo)角位移為λ/2(λ為光柵柵距，此處為1200線/mm)，角位移和電信號(hào)的相位關(guān)系可表示為

經(jīng)過調(diào)整光路及信號(hào)調(diào)理器，可使交流分量的幅值相等，通過濾波去除直流分量，此時(shí)兩路正交信號(hào)的相位可以表示為

Ux和Uy信號(hào)被數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)字化后形成2個(gè)離散信號(hào)系列 Ux［n］，Uy［n］。被測(cè)目標(biāo)的位移 s［n］可通過下式計(jì)算:

由式 (5)中位移隨時(shí)間變化的離散時(shí)間系列數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出被測(cè)目標(biāo)的角位移、角速度、角加速度。

公式中的k的計(jì)算是非常重要的。正交信號(hào)的相位變化如圖3所示，A，B，C，D，E是數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)，當(dāng)光信號(hào)的相位增加時(shí)，采樣到的信號(hào)按從A至E的時(shí)間順序變化，在A向B點(diǎn)過渡時(shí)以及D向E點(diǎn)過渡時(shí)，k加1;反之，當(dāng)光信號(hào)相位減少時(shí)，信號(hào)相位從E至A減少，在E向D過渡及B向A過渡時(shí)，k減1。在計(jì)算過程中反正切計(jì)算值取主值區(qū)間-0.5π至0.5π。k值變化可以簡(jiǎn)單地確定，當(dāng)信號(hào)相位從-0.5π向0.5π變化時(shí)，假定數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)至少采集到3個(gè)點(diǎn)(圖中的 B，C，D)，各相鄰點(diǎn)間的相位變化小于0.5π，如果相鄰點(diǎn)間的相位變化大于0.5π，那就意味著k發(fā)生了變化，當(dāng)相鄰點(diǎn)間相位變化Δθ＞0.5π時(shí)，k加1，當(dāng)Δθ＜ -0.5π，k減1。

圖3 正交信號(hào)相位展開圖

軟件框圖程序，如圖4所示。

圖4 光柵信號(hào)解調(diào)處理軟件框圖

2.2 降低波形失真

2.2.1 信號(hào)非線性補(bǔ)償

由于各種干擾的存在，導(dǎo)致兩路測(cè)量的光電信號(hào)存在一個(gè)相位差，其輸出電壓表達(dá)式為

式中:δ為正交信號(hào)相位偏差。這種非線性的直觀表示就是李薩育圖形不再是圓，而是橢圓。綜合上兩式，可獲得橢圓方程

式中:B，C，D，E，F(xiàn)為橢圓方程系數(shù)。

已知數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲得的Ux和Uy系列，可以采樣最小二乘法擬和出橢圓方程的系數(shù)，進(jìn)而由B，C，D，E，F(xiàn)計(jì)算出h，k，a，b及δ。采用下式進(jìn)行非線性補(bǔ)償 (橢圓修正)后獲得正交信號(hào)的相位:

非線性補(bǔ)償?shù)倪^程不可能完全實(shí)時(shí)進(jìn)行，一般要先測(cè)量一定量的數(shù)據(jù)計(jì)算出橢圓方程的系數(shù)，然后進(jìn)行修正。當(dāng)測(cè)量系統(tǒng)的橢圓方程系數(shù)在某個(gè)測(cè)量條件下保持不變時(shí)，可以實(shí)時(shí)進(jìn)行非線性修正。圖5為Ux和Uy系列進(jìn)行非線性補(bǔ)償前和補(bǔ)償后的李薩育圖形。

2.2.2 去干擾信號(hào)

對(duì)于干擾信號(hào)，由于其來源不同，其表現(xiàn)形式也多種多樣，本文針對(duì)系統(tǒng)中存在的兩種典型的干擾信號(hào) (調(diào)頻干擾信號(hào)和周期性干擾信號(hào))進(jìn)行濾波處理。調(diào)頻干擾信號(hào)時(shí)域表達(dá)式為

圖5 光柵信號(hào)的李薩育圖形

式中:Uj為調(diào)頻干擾信號(hào)的幅度;ωj為調(diào)頻干擾信號(hào)的中心頻率;kfm為調(diào)頻斜率。在去除此類型干擾信號(hào)的過程中，首先將正弦信號(hào)按整周期進(jìn)行分解，分別求取調(diào)頻干擾信號(hào)的中心頻率和調(diào)頻斜率，從而擬合出干擾信號(hào)，再逐一從有用正弦信號(hào)中減掉干擾信號(hào)成分，即實(shí)現(xiàn)濾波。系統(tǒng)中，信號(hào)頻率fn小于等于50 Hz時(shí)，采用此法進(jìn)行濾波處理。其濾波前后的效果如圖6所示。其中淺色部分為濾波后的有用信號(hào)，深色部分為濾波前混有噪聲的信號(hào)。

圖6 調(diào)頻干擾信號(hào)濾波前后的效果圖

對(duì)于周期性干擾信號(hào)，濾波過程相對(duì)簡(jiǎn)單，本文采用巴特沃斯低通濾波器實(shí)現(xiàn)濾波，并利用相位補(bǔ)償方法彌補(bǔ)由于濾波帶來的相位損失。測(cè)量系統(tǒng)中，信號(hào)頻率fn大于50 Hz時(shí)，采用此法進(jìn)行濾波處理。其濾波前后的效果如圖7所示。

圖7 周期干擾信號(hào)濾波前后的效果圖

3 高頻角振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的虛擬儀器軟件

高頻角振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)軟件針對(duì)光柵式外差激光干涉儀角振動(dòng)校準(zhǔn)裝置設(shè)計(jì)而成，主要用于對(duì)角加速度傳感器、角位移傳感器和角速度傳感器的測(cè)試與校準(zhǔn)。整個(gè)軟件由硬件驅(qū)動(dòng)模塊、數(shù)據(jù)處理模塊以及數(shù)據(jù)管理模塊三個(gè)功能模塊構(gòu)成。測(cè)量系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制界面如圖8所示。

圖8 高頻角振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)軟件界面

硬件驅(qū)動(dòng)模塊包括系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、信號(hào)源控制和數(shù)據(jù)采集控制等?？蓪?shí)現(xiàn)對(duì)NI6115兩個(gè)模擬輸入通道的控制，NI6220多個(gè)模擬輸入通道的控制，以及通過GPIB接口實(shí)現(xiàn)對(duì)Tektronix AFG3022B信號(hào)源的控制。

數(shù)據(jù)處理模塊實(shí)現(xiàn)光電信號(hào)的解調(diào)和測(cè)試結(jié)果的處理，包括信號(hào)解調(diào)、濾波處理等算法。

數(shù)據(jù)管理模塊實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)保存、打印等功能。數(shù)據(jù)保存包括原始數(shù)據(jù)和波形圖片的保存，并能夠通過打印的方式將結(jié)果輸出。

本測(cè)試系統(tǒng)軟件主程序流程如圖9所示。測(cè)試系統(tǒng)支持單頻率和掃頻兩種模式的信號(hào)源。

本系統(tǒng)通過虛擬儀器技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器硬件的控制，能夠根據(jù)用戶的設(shè)置產(chǎn)生不同頻率和幅值的正弦波、三角波、方波等信號(hào)，即單一頻率控制;也能夠根據(jù)用戶設(shè)置的起始/終止頻率、掃頻時(shí)間和信號(hào)幅值等參數(shù)，產(chǎn)生幅值不變，信號(hào)頻率在一定頻率范圍內(nèi)進(jìn)行線性變化的掃頻信號(hào)。

通過硬件的GPIB接口和相應(yīng)的控制指令及語法，可以通過系統(tǒng)的虛擬儀器軟件設(shè)置儀器硬件的輸出。一般控制指令包括設(shè)置指令和查詢指令，前者可以用來改變儀器的某些參數(shù)或執(zhí)行一些特殊的操作;通過后者則可以獲取儀器的某些狀態(tài)信息或儀器的一些數(shù)據(jù)。

圖9 測(cè)試系統(tǒng)軟件流程圖

本系統(tǒng)的虛擬儀器硬件是Tektronix AFG3022B，軟件設(shè)計(jì)中利用虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu)即VISA接口對(duì)硬件進(jìn)行控制。首先，在LabVIEW平臺(tái)下，通過VISA Find Resource()和VISA Open()函數(shù)獲取硬件資源并打開一個(gè)與儀器的對(duì)話，這里資源名稱為“GPIB0::11::INSTR”，然后按照指令結(jié)構(gòu)編輯各種指令，利用VISA庫中的VISA Write()和VISA Read()函數(shù)實(shí)現(xiàn)與儀器設(shè)備的對(duì)話即完成各種控制操作，最后通過VISA Close()函數(shù)關(guān)閉此次對(duì)話并清空緩存釋放資源。

4 高頻角振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)能力測(cè)試

在系統(tǒng)角振動(dòng)臺(tái)面上安裝某型號(hào)陀螺，作為被校對(duì)象，其輸出信號(hào)即被校通道輸出，將光柵激光干涉儀信號(hào)解調(diào)結(jié)果作為標(biāo)準(zhǔn)通道的輸出，設(shè)置不同的振動(dòng)頻率和幅值進(jìn)行能力測(cè)試，其位移失真度控制在3%以內(nèi)，系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果以及標(biāo)準(zhǔn)偏差如表1所示。

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，在允許的失真度范圍內(nèi)，系統(tǒng)完全能夠?qū)崿F(xiàn)10～700 Hz頻率范圍內(nèi)的測(cè)量，角加速度測(cè)量偏差能控制在5%以內(nèi)，位移失真度最大不超過2.5%。

5 結(jié)論

本文研制的基于虛擬儀器的高頻角振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，在實(shí)現(xiàn)了對(duì)角振動(dòng)量的絕對(duì)法測(cè)量的基礎(chǔ)上，又進(jìn)一步提高了測(cè)量系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，擴(kuò)大了能力范圍。基于虛擬儀器的高頻角振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的成功研制保證了陀螺性能指標(biāo)的準(zhǔn)確性測(cè)試，加快了陀螺研究和生產(chǎn)的步伐，同時(shí)也為我所對(duì)陀螺的研制和應(yīng)用提供了有力的計(jì)量保障和動(dòng)態(tài)測(cè)試手段，具有較大的社會(huì)效益和實(shí)用價(jià)值。

表1 高頻角振動(dòng)測(cè)量和系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果以及標(biāo)準(zhǔn)偏差

［1］謝列金.激光陀螺及其應(yīng)用 ［M］.北京:航空工業(yè)出版社，1992.

［2］姜亞南.環(huán)形激光陀螺儀 ［M］.北京:清華大學(xué)出版社，1985.

［3］ CHEN Lu，LI Xinliang，ZHANG Dazhi.Virtual Instrument Based High Frequency Angular Vibration Testing System ［A］.Proceedings of CIMM-PTB SEMINAR ON DYNAMIC MEASUREMENTS AND NANOMETROLOGY［C］.北京:2011.

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