（哈爾濱工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院，哈爾濱 150001）

（哈爾濱工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院，哈爾濱 150001）

加速度計(jì)性能遠(yuǎn)距離測試及對測試數(shù)據(jù)同時(shí)進(jìn)行自動保存和自動分析處理是經(jīng)常遇到的工程問題。針對這一問題，提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的加速度計(jì)測試分析方法。應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)了加速度計(jì)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程自動采集系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)了測試數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)共享功能。應(yīng)用線振動試驗(yàn)法實(shí)現(xiàn)了單軸 MEMS加速度計(jì)的性能自動測試，應(yīng)用多項(xiàng)式擬合方法建立了加速度計(jì)的二階誤差修正模型。應(yīng)用虛擬儀器軟件和工程數(shù)據(jù)庫技術(shù)設(shè)計(jì)了網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的測試系統(tǒng)軟件，并實(shí)現(xiàn)了對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的自動儲存、顯示、查詢、刪除、實(shí)驗(yàn)報(bào)表打印與自動分析處理功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明測試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程加速度計(jì)性能測試及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)自動保存和自動分析功能。

物聯(lián)網(wǎng)；加速度計(jì)測試；振動臺；虛擬儀器；工程數(shù)據(jù)庫；自動分析

在航空航天工程中加速度計(jì)遠(yuǎn)程測試是經(jīng)常遇到的工程實(shí)際問題。目前，加速度計(jì)測試還沒有實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)測試，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不能同時(shí)自動保存和自動分析處理，不能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的數(shù)據(jù)共享等技術(shù)問題。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，加速度計(jì)傳感器網(wǎng)絡(luò)化測試及自動分析技術(shù)是未來該項(xiàng)測試技術(shù)的發(fā)展方向[1-3]。

國內(nèi)外對加速度計(jì)測試技術(shù)進(jìn)行了深入的研究。文獻(xiàn)[4]提出了一種改進(jìn)的D最優(yōu)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，有效提高了加速度計(jì)離心試驗(yàn)辨識精度。文獻(xiàn)[5]利用工程數(shù)據(jù)庫技術(shù)實(shí)現(xiàn)了加速度計(jì)振動校準(zhǔn)測試數(shù)據(jù)管理，提高了測試數(shù)據(jù)的分析處理質(zhì)量。文獻(xiàn)[6]論述了物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用模式。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域已有廣泛的應(yīng)用，文獻(xiàn)[7]闡述了一種面向鋼鐵連鑄設(shè)備維護(hù)維修的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)框架。

本文針對上述問題設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了加速度計(jì)性能自動測試系統(tǒng)。在振動臺上，采用了比較法實(shí)現(xiàn)對被測MEMS加速度計(jì)的性能測試。采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)解決了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程采集及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)共享等問題。應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)和工程數(shù)據(jù)庫技術(shù)實(shí)現(xiàn)多路加速度計(jì)測試數(shù)據(jù)的自動采集、處理、顯示、自動保存以及報(bào)表打印，自動數(shù)據(jù)分析等實(shí)驗(yàn)軟件系統(tǒng)功能。

1 網(wǎng)絡(luò)化測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 加速度計(jì)測試原理

線振動測試是加速度計(jì)測試方法之一，其特點(diǎn)是應(yīng)用振動臺實(shí)現(xiàn)加速度計(jì)動態(tài)頻率特性測試，并且還可進(jìn)行加速度計(jì)動態(tài)標(biāo)定。根據(jù)“振動與沖擊傳感器測試標(biāo)準(zhǔn)[8]”，設(shè)計(jì)了加速度計(jì)測試系統(tǒng)。硬件組成原理框圖和系統(tǒng)實(shí)物照片見圖1和圖2，加速度計(jì)安裝方法是被測加速度計(jì)與校準(zhǔn)加速度計(jì)通過螺栓背靠背的固定在支架上，支架鉚接在振動臺上，振動臺的振動方向與加速度計(jì)的敏感軸方向保持一致，安裝角度誤差允許在2′以內(nèi)，此時(shí)安裝誤差對校準(zhǔn)結(jié)果的影響可以忽略[9]。

圖1 測試系統(tǒng)硬件原理框圖Fig.1 Block diagram of the hardware system

圖2 測試系統(tǒng)實(shí)物照片F(xiàn)ig.2 Photo of accelerometer testing system

測試系統(tǒng)工作原理：穩(wěn)壓電源為每個(gè)加速度計(jì)傳感器、A/D-LAN轉(zhuǎn)換模塊、串口-LAN轉(zhuǎn)換模塊提供工作電壓，這些網(wǎng)絡(luò)化接口設(shè)備、攝像頭通過路由器連接在同一局域網(wǎng)內(nèi)。計(jì)算機(jī)可通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程訪問測試系統(tǒng)局域網(wǎng)，直接控制穩(wěn)壓電源、信號發(fā)生器、攝像頭等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，通過 A/D-LAN轉(zhuǎn)換模塊、串口-LAN轉(zhuǎn)換模塊直接讀取測試數(shù)據(jù)。

1.2 網(wǎng)絡(luò)化測試系統(tǒng)架構(gòu)

遠(yuǎn)程測試系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)有瀏覽器/服務(wù)器(B/S)、客戶端/服務(wù)器(C/S)、混合三種模式。C/S 結(jié)構(gòu)將測試任務(wù)分解成多個(gè)子任務(wù)，由多臺計(jì)算機(jī)分工完成，服務(wù)器完成 DBMS(數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng))的核心功能。B/S 結(jié)構(gòu)通過網(wǎng)頁瀏覽器控制服務(wù)器完成測試任務(wù)。

遠(yuǎn)程測試系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)查詢靈活的特點(diǎn)，B/S結(jié)構(gòu)下數(shù)據(jù)傳輸可能出現(xiàn)擁塞的情況，而且B/S結(jié)構(gòu)比C/S結(jié)構(gòu)更容易受網(wǎng)絡(luò)安全問題影響[10]。因此該測試系統(tǒng)采用 C/S結(jié)構(gòu)。如圖 3所示，通過TCP/IP協(xié)議，客戶端可遠(yuǎn)程控制測試設(shè)備，讀取測試數(shù)據(jù)，并可訪問本機(jī)數(shù)據(jù)庫。

圖3 測試系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖Fig.3 Network architecture of the system

1.3 傳感器網(wǎng)絡(luò)化

網(wǎng)絡(luò)化測試需要傳感器具有網(wǎng)絡(luò)化接口功能，即具有網(wǎng)絡(luò)尋址功能。目前市場上的傳感器接口有三種類型：網(wǎng)絡(luò)接口、數(shù)字接口、模擬接口。因此需要對數(shù)字接口、模擬接口的傳感器進(jìn)行技術(shù)改造：對于模擬接口傳感器，目前用 A/D-LAN轉(zhuǎn)換模塊處理；對于數(shù)字接口傳感器，目前有串口-LAN轉(zhuǎn)換模塊處理，該系統(tǒng)被測加速度計(jì)(AKE190D-10)為模擬輸出。A/D-LAN轉(zhuǎn)換模塊為阿爾泰公司的 USB2851，標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)(AKE192D-40)為數(shù)字輸出；串口-LAN轉(zhuǎn)換模塊采用研華EKI-1522。監(jiān)控?cái)z像頭采用沃仕達(dá)網(wǎng)絡(luò)攝像頭。

1.4 網(wǎng)絡(luò)化設(shè)備控制

在網(wǎng)絡(luò)化測試系統(tǒng)中，需要對給傳感器供電的電源和激振器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，解決方法之一是應(yīng)用具有網(wǎng)絡(luò)接口的D/A模塊提供控制信號，解決方法之二是直接使用帶有網(wǎng)絡(luò)接口的穩(wěn)壓電源和帶有網(wǎng)絡(luò)接口的函數(shù)信號源。因此，該測試系統(tǒng)采用 RIGOL公司帶有網(wǎng)絡(luò)化接口的穩(wěn)壓電源(DP800A)和函數(shù)信號源(DG2041A)。

1.5 路由器設(shè)置

遠(yuǎn)程測試跨地域、跨網(wǎng)段，需要用路由器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，因此需對路由器進(jìn)行設(shè)置。數(shù)據(jù)采集端路由器需滿足如下要求：

① 路由器端口數(shù)量應(yīng)滿足測試設(shè)備數(shù)量要求；

② 路由器IP設(shè)置為互聯(lián)網(wǎng)上的靜態(tài)IP地址；

③ 傳感器和網(wǎng)絡(luò)化轉(zhuǎn)換模塊、測試設(shè)備接入路由器，IP設(shè)置在同一局域網(wǎng)網(wǎng)段內(nèi)。

用戶端路由器IP設(shè)置為互聯(lián)網(wǎng)上的靜態(tài)IP地址。用戶端計(jì)算機(jī)要保證硬件鏈路通暢，關(guān)閉防火墻。

2 軟件設(shè)計(jì)

測試系統(tǒng)開發(fā)軟件采用LabVIEW2010學(xué)生版，圖3為測試軟件功能框圖。測試軟件功能包括實(shí)驗(yàn)基本信息錄入、參數(shù)設(shè)置、網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)共享等，并通過數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)存儲、查詢、刪除、分析、顯示以及報(bào)表打印等功能。系統(tǒng)軟件功能原理框圖如圖4所示。

圖4 測試系統(tǒng)軟件功能框圖Fig.4 Block diagram of the software system

圖5 測試系統(tǒng)用戶界面Fig.5 User interface of the system

軟件分為3個(gè)功能模塊：用戶界面、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)庫管理模塊。測試軟件如圖5所示。

加速度計(jì)的數(shù)據(jù)采集應(yīng)用LabVIEW軟件VISA函數(shù)庫內(nèi)的 creat、writte、read、close函數(shù)和調(diào)用A/D-LAN轉(zhuǎn)換模塊提供的動態(tài)數(shù)據(jù)鏈接庫庫函數(shù)(USB2851E.dll)實(shí)現(xiàn)。

3 工程數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

應(yīng)用Office Access2007軟件作為測試系統(tǒng)的工程數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫是關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，它與LabVIEW軟件集成應(yīng)用，可自動保存實(shí)驗(yàn)專用數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫管理程序界面如圖6所示。數(shù)據(jù)庫庫結(jié)構(gòu)包括：測試日期、測試時(shí)間、測試人員姓名、單位編碼、標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)型號、被測加速度計(jì)型號、被測加速度計(jì)編號、測試頻率、標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)輸出數(shù)據(jù)、被測加速度計(jì)輸出數(shù)據(jù)，幅頻特性測試數(shù)據(jù)、穩(wěn)定性測試結(jié)果、備注。

數(shù)據(jù)庫查詢條件為起始日期、終止日期、起始時(shí)間、終止時(shí)間、被測加速度計(jì)型號、被測加速度計(jì)編號、測試人員姓名、單位編碼等。分析功能可自動提供該被測加速度計(jì)的誤差、靈敏度、線性度、量程、穩(wěn)定性等參數(shù)。

圖6 測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理界面Fig.6 Management panel of the database

4 加速度計(jì)測試?yán)碚?/h2>

采用加速度計(jì)的二階數(shù)學(xué)模型：

式中，E為被測加速度計(jì)輸出電壓，a為被測加速度計(jì)輸入加速度，k0、k1、k2分別是加速度計(jì)的零偏、靈敏度、二階非線性系數(shù)。

根據(jù)線加速度計(jì)測試標(biāo)準(zhǔn)及任務(wù)要求，測試系統(tǒng)需要提供量程、靈敏度、零偏、非線性度、穩(wěn)定性等測試內(nèi)容：

① 量程 采用機(jī)械振動法測量，加速度計(jì)輸出波形出現(xiàn)失真時(shí)的輸入加速度。

② 穩(wěn)定性 固定加速度計(jì)，使加速度計(jì)敏感方向平行于重力方向，即使加速度計(jì)始終測量1g加速度，1 s后開始記錄加速度計(jì)輸出，每隔30 s記錄一次，測試時(shí)間1 h。計(jì)算1g輸出的均值和均方差，均方差與均值之比為短期穩(wěn)定性。

③ k0、k1、k2及其不確定度 在某一固定頻率正弦輸入下，通過調(diào)節(jié)輸入信號幅值，可以得到一組峰值互異(ai，Ei)，結(jié)合式(1)得到一個(gè)方程組：

根據(jù)要求 n≥7，采用多項(xiàng)式擬合方法求解，最小二乘法正規(guī)方程為：

利用矩陣逆變換可解得參數(shù)矩陣K：

K中各項(xiàng)系數(shù)ki的標(biāo)準(zhǔn)偏差σi為：

ki的真值的置信區(qū)間：

式中，t 為學(xué)生分布臨界值，當(dāng)自由度n-m及置信概率α已知時(shí)，可從學(xué)生分布表查得。

④ 線性度 加速度計(jì)線性度ξL為：

式中，EFS為被測加速度計(jì)最大輸出，(ΔEL)max是測試點(diǎn)與擬合直線間的最大偏差。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

對RION公司的AKE190D-10加速度計(jì)進(jìn)行了如下測試：

① 分別在頻率200 Hz、280 Hz、300 Hz、315 Hz的正弦振動下進(jìn)行動態(tài)標(biāo)定，數(shù)據(jù)見圖7。

從圖7可以看出，振動頻率小于300 Hz時(shí)，加速度計(jì)靈敏度(斜率)無明顯變化，頻率為315 Hz時(shí)，靈敏度明顯增加，說明加速度計(jì)存在諧振現(xiàn)象，因此在加速度計(jì)帶寬內(nèi)特性曲線變化不大，符合測試要求。

圖7 不同頻率下加速度計(jì)靈敏度特性曲線Fig.7 Accelerometer sensitivity characteristics curves at different frequencies

② 在頻率為280 Hz的正弦振動條件下進(jìn)行多次動態(tài)標(biāo)定，表1為某次測試的數(shù)據(jù)。

表1 280 Hz下加速度計(jì)性能測試數(shù)據(jù)T ab.1 Test data of accelerometer at 280 Hz

圖8為四次加速度計(jì)性能測試的輸出數(shù)據(jù)曲線，根據(jù)這些數(shù)據(jù)，通過LabVIEW軟件編程自動計(jì)算出振動頻率為280 Hz時(shí)加速度計(jì)的靈敏度、零偏、二階非線性系數(shù)、線性度。計(jì)算結(jié)果為：靈敏度為 273.4 mV/g，零偏為-9.06 mV，二階非線性系數(shù)mV/g2，穩(wěn)定性為0.44%，線性度為 0.91%，靈敏度測試偏差優(yōu)于0.88 mV/g，零偏測試偏差優(yōu)于2 mV，二階非線性系數(shù)測試偏差優(yōu)于5×10-4mV/g2。

表2為被測加速度計(jì)說明書提供的參數(shù)與測試結(jié)果的比較。

圖8 280 Hz下加速度計(jì)輸出特性曲線Fig.8 Accelerometer output characteristic curve at 280 Hz

表2 測試結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)的比較Tab.2 Test results vs. standard parameters

從表2可以看出，測試結(jié)果與被測加速度計(jì)說明書提供的參數(shù)相互比較沒有明顯偏差，考慮到測試誤差等因素，測試系統(tǒng)達(dá)到了測試要求。

6 結(jié) 論

應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)、工程數(shù)據(jù)庫技術(shù)設(shè)計(jì)了加速度計(jì)測試系統(tǒng)，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了傳感器數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程自動采集、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)共享功能。利用線振動試驗(yàn)法實(shí)現(xiàn)了單軸 MEMS加速度計(jì)的性能自動測試，應(yīng)用多項(xiàng)式擬合方法建立了加速度計(jì)的二階誤差修正模型。應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)和工程數(shù)據(jù)庫技術(shù)設(shè)計(jì)了測試系統(tǒng)軟件，實(shí)現(xiàn)了對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的自動儲存、查詢、刪除與分析功能，完成了對被測加速度計(jì)量程、靈敏度、誤差、線性度、穩(wěn)定性等參數(shù)的自動分析處理。該項(xiàng)測試技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對遠(yuǎn)程加速度計(jì)性能的自動檢測、測試數(shù)據(jù)的自動保存及自動分析處理功能。

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基于物聯(lián)網(wǎng)的MEMS加速度計(jì)測試分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高 樺，丁鍇鋮，向 凱

Design of MEMS accelerometer vibration test and analysis system based on Internet of Things

GAO Hua, DING Kai-cheng, XIANG Kai
(School of Astronautics, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)

Remote test and automatic data retention of accelerometers at the same time is a frequently encountered problem in engineering applications. An automatic testing and analysis method was proposed to solve this problem. The remote collection and data sharing of accelerometer’s testing data was achieved with Internet of Things technology, and the function of automatic testing and analysis of single-axis MEMS accelerometer was achieved with vibration test. Automatic storage, query, detection and analysis of testing data were realized based on database technology. The system was designed based on the virtual instrument, and it can provide the testing results of range, sensitivity, linearity, stability and other parameters of the accelerometer. Experimental results show that the system has achieved the function of remote test and analysis for accelerometers.

Internet of Things; accelerometer test; vibration table; virtual instrument; engineering database; automatic analysis

1005-6734(2014)06-0834-05

10.13695/j.cnki.12-1222/o3.2014.06.025

TB934；TH824+.4

A

2014-07-22；

2014-11-19

航空科學(xué)基金（20110177003）；哈爾濱工業(yè)大學(xué)“985”專業(yè)創(chuàng)新課程建設(shè)項(xiàng)目（2012-212）

高樺（1958—），男，副教授，從事慣性導(dǎo)航控制仿真技術(shù)及軟測量技術(shù)研究。E-mail：gaoh_01@sina.com