趙靜

(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

力可以分為靜態(tài)力和動(dòng)態(tài)力。相應(yīng)的，力傳感器也有兩方面的特性，即靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性。靜態(tài)特性一般是指?jìng)鞲衅鲗?duì)于固定力值的一種響應(yīng)，動(dòng)態(tài)特性是指?jìng)鞲衅鲗?duì)于隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性。動(dòng)態(tài)力測(cè)試場(chǎng)合有很多，例如:航天技術(shù)中對(duì)火箭和導(dǎo)彈在發(fā)射過(guò)程中動(dòng)態(tài)推力的測(cè)試;飛機(jī)在飛行過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)推力;各種火炮彈道動(dòng)態(tài)力的測(cè)試;戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈內(nèi)埋式彈射發(fā)射裝置三分量動(dòng)態(tài)力測(cè)試系統(tǒng)等。

動(dòng)態(tài)特性分為時(shí)間域指標(biāo)和頻率域指標(biāo)，時(shí)間域指標(biāo)往往通過(guò)高速瞬時(shí)的動(dòng)態(tài)信號(hào)來(lái)對(duì)傳感器進(jìn)行測(cè)試，查看傳感器的響應(yīng)時(shí)間。此動(dòng)態(tài)信號(hào)要求具有高速瞬時(shí)性，且力值可控。本文介紹了一種基于落錘沖擊的動(dòng)態(tài)力校準(zhǔn)裝置，并重點(diǎn)介紹了動(dòng)態(tài)力信號(hào)的采集方式和數(shù)據(jù)分析。

1 動(dòng)態(tài)力傳感器校準(zhǔn)裝置

動(dòng)態(tài)信號(hào)是指幅值大小隨時(shí)間變化的信號(hào)，常用的動(dòng)態(tài)信號(hào)有正弦信號(hào)、階躍信號(hào)、負(fù)階躍信號(hào)等。本校準(zhǔn)裝置用于測(cè)試動(dòng)態(tài)力傳感器的高頻響應(yīng)，目的是產(chǎn)生高速瞬時(shí)的動(dòng)態(tài)力信號(hào)，在此，選擇了負(fù)階躍力信號(hào)作為測(cè)試信號(hào)。即首先加載一定的力值，然后通過(guò)某種方式將力值迅速釋放為零，通過(guò)分析傳感器從力值輸出響應(yīng)到零狀態(tài)響應(yīng)的時(shí)間來(lái)判斷力傳感器的動(dòng)態(tài)性能。動(dòng)態(tài)信號(hào)從力值加載狀態(tài)到釋放為零的時(shí)間快慢是系統(tǒng)優(yōu)劣的關(guān)鍵。時(shí)間越短越有利于校準(zhǔn)動(dòng)態(tài)力傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

本項(xiàng)目中的校準(zhǔn)裝置由液壓站、力值加載系統(tǒng)、落錘系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)等組成。

總系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 總系統(tǒng)原理圖

力值加載系統(tǒng)是通過(guò)砝碼和液壓站來(lái)實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)電機(jī)和電磁閥的協(xié)調(diào)工作供給工作油缸一定壓力，利用工作油缸之間的面積比即可實(shí)現(xiàn)力值的放大與加載力值大小的控制;力值的快速釋放是通過(guò)高速下落的錘體沖擊沖桿使卸荷材料斷裂來(lái)實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)動(dòng)態(tài)采集力傳感器的輸出來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試。

2 動(dòng)態(tài)力信號(hào)的采集設(shè)計(jì)

對(duì)力傳感器的輸出進(jìn)行采集是整個(gè)校準(zhǔn)過(guò)程中的一個(gè)極為重要的環(huán)節(jié)，以后的信號(hào)處理，力傳感器動(dòng)態(tài)指標(biāo)的計(jì)算都是以信號(hào)采集系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的，信號(hào)采集中產(chǎn)生的誤差將會(huì)直接影響對(duì)整個(gè)裝置的技術(shù)指標(biāo)的確認(rèn)。

國(guó)內(nèi)外動(dòng)態(tài)力傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)一般在100 kHz以?xún)?nèi)，為了滿(mǎn)足精度要求并根據(jù)采樣定律，選擇采樣速率可以達(dá)到1 Msamples/s，即實(shí)現(xiàn)10倍的采樣速率。

最終通過(guò)比較不同廠家的采集卡，采用了在動(dòng)態(tài)高速采集領(lǐng)域占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的NI產(chǎn)品——?jiǎng)討B(tài)數(shù)據(jù)采集卡NI6132。

本采集卡的數(shù)據(jù)采集速率最大為2.5 MSamples/s，每秒鐘可以采集2.5 M個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，采集卡上有16 MS的緩存，為了保證數(shù)據(jù)采集的完整性，避免數(shù)據(jù)的丟失，可以在動(dòng)態(tài)采集的同時(shí)，將數(shù)據(jù)保存到板卡緩存中，待采集完成后，再保存至外圍設(shè)備，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，或者數(shù)據(jù)回放。

2.1 采集軟件的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

本部分軟件采用了LabVIEW2012實(shí)現(xiàn)，為了能夠采集到整個(gè)落錘沖擊過(guò)程又不至于采集的數(shù)據(jù)量過(guò)大，選擇1 MHz左右的采集速率，采樣時(shí)間可以設(shè)定為1～10 s之間，有限采樣方式。由于試驗(yàn)中落錘落下的時(shí)間不到1 s，可以由人為控制在落錘下落之前打開(kāi)采集控制，然后再控制落錘落下。

軟件的基本功能框圖如下圖2所示。

圖2 軟件功能框圖

采集設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分:觸發(fā)采集與有限采集

由于傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間在十幾個(gè)微秒量級(jí)，這就對(duì)數(shù)據(jù)采集部分的采樣速度要求很高。如果采樣率設(shè)置過(guò)高，在一定時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)量巨大，這就提高了緩存要求。因此，采樣率和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量的協(xié)調(diào)配置非常重要。這就需要在實(shí)際試驗(yàn)中驗(yàn)證不同配置參數(shù)的采集效果。

LabVIEW軟件設(shè)計(jì)中采集有兩種方式可用:一種是有限點(diǎn)采集;一種是觸發(fā)采集。

1)有限點(diǎn)采樣

根據(jù)采樣定律，設(shè)定每一微秒采集一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，即采樣率為1 MHz，如果實(shí)驗(yàn)流程在10 s之內(nèi)，有限點(diǎn)數(shù)可以設(shè)定為10 M以?xún)?nèi)，板上緩存16 M可以滿(mǎn)足需要，完全采集完畢后再進(jìn)行硬盤(pán)存儲(chǔ)。此種方案，對(duì)人為操作有限制，在點(diǎn)擊采集控制之后需要馬上進(jìn)行落錘沖擊試驗(yàn)，整個(gè)過(guò)程要控制在10 s之內(nèi)。

2)觸發(fā)采集

即設(shè)定觸發(fā)電壓，由于落錘落下時(shí)首先會(huì)對(duì)傳感器有一個(gè)瞬時(shí)的沖擊，這個(gè)沖擊力大于靜態(tài)力值，傳感器的輸出也有一個(gè)瞬時(shí)變化，可以將此瞬時(shí)電壓設(shè)定為觸發(fā)電壓，當(dāng)傳感器輸出達(dá)到觸發(fā)電壓時(shí)，開(kāi)始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后采集2 s后自動(dòng)停止。這種方式需要傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能比較好，能夠?qū)λ矔r(shí)沖擊力產(chǎn)生響應(yīng)，此外，對(duì)此響應(yīng)值需要有一個(gè)預(yù)先估計(jì)。

上述兩種方式均進(jìn)行了試驗(yàn)，觸發(fā)采集到的數(shù)據(jù)量比較小，方便處理，但對(duì)某些動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較差的傳感器可能無(wú)法捕捉到觸發(fā)電壓，而導(dǎo)致無(wú)法完成采集操作。

2.2 軟件的時(shí)序設(shè)置

由于軟件需要對(duì)不同設(shè)備依次進(jìn)行操作，這不僅對(duì)操作的先后順序有很高的要求，而且對(duì)間隔操作之間的時(shí)間控制也有要求。在實(shí)際設(shè)計(jì)中不僅要考慮到校準(zhǔn)要求，同時(shí)也需要考慮到人員操作的習(xí)慣性。在實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)功能的前提下，同時(shí)要保證界面操作簡(jiǎn)單，人員上手容易，糾錯(cuò)容易等。

3 動(dòng)態(tài)信號(hào)數(shù)據(jù)分析

由于采集板卡周?chē)懈鞣N控制電機(jī)和供電電源以及電荷放大器等電子設(shè)備，實(shí)際采集到的數(shù)據(jù)往往有一些高頻信號(hào)干擾，為了濾除干擾信號(hào)，軟件采用了低通濾波方式，并設(shè)置為100 Hz的低通濾波頻率，最終得到了容易辨識(shí)的信號(hào)。圖3為L(zhǎng)abVIEW程序的處理部分框圖。圖4為原始信號(hào)和濾波信號(hào)比較圖。

圖3 信號(hào)分析框圖

圖4 信號(hào)濾波比較圖

動(dòng)態(tài)信號(hào)時(shí)域分析中的一個(gè)重要指標(biāo)就是信號(hào)下降時(shí)間，即動(dòng)態(tài)傳感器對(duì)突變信號(hào)的一種及時(shí)響應(yīng)的性能分析。本項(xiàng)目中指的是傳感器在受到力值加載狀態(tài)到卸荷狀態(tài)的輸出響應(yīng)時(shí)間，由于實(shí)際試驗(yàn)中力傳感器在卸荷以后往往有一些小幅震蕩輸出，在此為了能夠靈活判斷下降沿和卸荷為零的位置，使用游標(biāo)固定在曲線的方式進(jìn)行定位，并根據(jù)采樣率得到每個(gè)點(diǎn)的采樣時(shí)間，通過(guò)游標(biāo)定位的X坐標(biāo)得到下降曲線的總采樣點(diǎn)，并通過(guò)點(diǎn)數(shù)和時(shí)間相乘得到下降時(shí)間。

某型號(hào)動(dòng)態(tài)傳感器采樣信號(hào)分析圖，局部放大圖如圖5所示。

圖5 信號(hào)分析局部放大圖

游標(biāo)示意圖如圖6所示。

圖6 游標(biāo)計(jì)算圖

下降時(shí)間為(4.165-4.164915)s=85 s

4 總結(jié)

本項(xiàng)目在動(dòng)態(tài)信號(hào)采集設(shè)計(jì)過(guò)程中，曾經(jīng)因?yàn)闊o(wú)限采樣和局部打包存儲(chǔ)而導(dǎo)致實(shí)際數(shù)據(jù)的丟失，后通過(guò)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的時(shí)間與采樣率和采樣數(shù)據(jù)量的不一致而發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的關(guān)鍵，并及時(shí)修正為觸發(fā)采樣和有限采樣方式，并很好的應(yīng)用了硬件固有的緩存區(qū)域進(jìn)行了數(shù)據(jù)的一次性存儲(chǔ)。本項(xiàng)目是針對(duì)高速信號(hào)采集和處理的一個(gè)實(shí)例，對(duì)動(dòng)態(tài)傳感器的校準(zhǔn)研究作出了貢獻(xiàn)，并實(shí)際應(yīng)用在了某型號(hào)動(dòng)態(tài)力測(cè)試系統(tǒng)中。

由于項(xiàng)目需要，本文沒(méi)有進(jìn)行動(dòng)態(tài)信號(hào)的頻域分析，希望以后在動(dòng)態(tài)信號(hào)的處理方面進(jìn)一步研究頻率域的性能分析，為動(dòng)態(tài)傳感器等全面性能分析作出努力。

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