黃如昌 劉 建 李國星

?

一種基于LabVIEW振動傳感器的校準(zhǔn)系統(tǒng)

黃如昌 劉 建 李國星

在實(shí)際工程應(yīng)用中，為了校準(zhǔn)振動傳感器的輸出精度并檢驗(yàn)其輸出幅頻特性，利用LabVIEW軟件及其DAQmx驅(qū)動開發(fā)一套能夠采集多路振動傳感器的輸出幅值和頻譜分析的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，同時(shí)能夠存儲相關(guān)數(shù)據(jù)以便事后進(jìn)行回放分析。通過對多路振動傳感器的幅值采樣、數(shù)據(jù)存儲、波形顯示及信號的頻譜分析等工作，可對傳感器進(jìn)行更好的校準(zhǔn)工作。

在工程應(yīng)用中，如試飛測試中，飛機(jī)振動參數(shù)的測量是不可缺少的一種參數(shù)。振動傳感器及其配套放大器本身有著固定的靈敏度，但是在實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于傳感器本身以及后續(xù)放大電路的差異，會導(dǎo)致每個(gè)傳感器的輸出有或多或少的偏差。因此在使用振動傳感器之前，我們必須對傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，以確定傳感器的幅頻特性。在傳統(tǒng)的校準(zhǔn)工作中，我們需要一個(gè)電壓表，一臺示波器對振動傳感器的輸出信號進(jìn)行測量及波形顯示。在這種情況下，我們每次只能對一個(gè)傳感器進(jìn)行測量及波形顯示。而實(shí)際工作中為了提高效率，結(jié)合振動模擬臺的工作能力，我們每次可以同時(shí)對四路傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)。因此，我們利用LabVIEW平臺，結(jié)合USB-6008采集板卡及其DAQmx驅(qū)動開放一種成本低廉，能夠同時(shí)校準(zhǔn)多路振動傳感器的測試系統(tǒng)。

測試系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

硬件的選擇

振動傳感器：壓電式振動傳感器，利用壓電效應(yīng)即敏感原件表面受到加速度時(shí)，其表面將產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象。傳感器選用ENDEVCO公司2276型傳感器，其輸出為：10pC/g；

電荷放大器：將振動傳感器輸出的電荷量變成與之相對應(yīng)的輸出電壓。選用ENDEVCO公司2680M14放大器，其增益范圍為1-100mV/pC可調(diào)；

數(shù)據(jù)采集板卡：選用NI公司USB-6008采集卡。其技術(shù)指標(biāo)為：USB總線接口，最高采樣率為10ks/s，分辨率為12bit，最大輸入電壓范圍-10v～10v。

方案設(shè)計(jì)

利用LabVIEW設(shè)計(jì)的虛擬儀器平臺測試系統(tǒng)是常用的電子測試儀器之一，在本文介紹的振動傳感器實(shí)時(shí)校準(zhǔn)系統(tǒng)中，它的主要功能是精確復(fù)現(xiàn)作為時(shí)間函數(shù)的電壓波形，顯示的波形用來確定數(shù)量的信息（如幅度、頻率），也可用來獲得其質(zhì)量的信息（如波形）；還可用來比較兩個(gè)不同的波形，并測量它們的時(shí)間和相位關(guān)系。該系統(tǒng)利用NI公司USB-6008數(shù)據(jù)采集卡及LabVIEW應(yīng)用開發(fā)環(huán)境，開發(fā)基于USB總線的虛擬示波器。其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

本系統(tǒng)主要通過采集卡采集振動信號并能對輸入信號實(shí)時(shí)顯示在PC機(jī)終端上，同時(shí)對振動傳感器的輸出信號進(jìn)行實(shí)時(shí)頻譜分析，以判斷傳感器幅頻特性以及頻率響應(yīng)的好壞。系統(tǒng)亦可同時(shí)將原始信號信號以電子表格形式存儲在本地硬盤上，便于日后分析或處理。

軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)由一塊基于USB總線的多功能數(shù)據(jù)采集卡和相應(yīng)的軟件組成，采集卡選用NI公司的USB-6008，系統(tǒng)的軟件采用模塊化的思想編寫，每個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)由一個(gè)模塊完成。完成振動傳感器的輸出接口與采集板卡的通道對接后，利用NI提供的DAQmx模塊采集信號，便可完成系統(tǒng)軟件與數(shù)據(jù)采集卡之間的通信。軟件采用模塊化設(shè)計(jì)思想編寫，總體上包括信號采集，波形顯示、頻譜分析、數(shù)據(jù)存儲及回放等模塊組成，最終能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、調(diào)節(jié)、處理、顯示等功能。

數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集及通過軟件對USB-6008板卡進(jìn)行編程設(shè)置，包括對信號通道選擇，采樣速率，模式等參數(shù)設(shè)置。其程序如圖2所示。

波形顯示、數(shù)據(jù)存儲及頻譜分析部分程序設(shè)計(jì)

波形顯示主要對采集的傳感器信號實(shí)時(shí)地顯示在前面板，其程序如圖3所示。

圖1　測試系統(tǒng)框圖

圖2　信號采樣部分程序

波形的回放程序設(shè)計(jì)

波形回放部分是個(gè)獨(dú)立程序結(jié)構(gòu)，其思想就是將電腦上保存的波形數(shù)據(jù)調(diào)用并重新在波形圖表中顯示出來，其程序如圖4所示。

前面板的設(shè)計(jì)

前面板主要通過一個(gè)波形圖表模塊顯示傳感器輸出信號的采集波形圖，及其信號處理后的頻譜圖。本文以振動傳感器為例，能夠同時(shí)對四路傳感器進(jìn)行波形顯示及信號分析，因此我們前面板設(shè)計(jì)出四路并行的波形顯示畫面，因?yàn)長abVIEW軟件可以實(shí)現(xiàn)多任務(wù)的并行運(yùn)行，因此我們的四路畫面可以同時(shí)進(jìn)行波形的顯示及信號處理。在本文中，我們使用仿真信號源，作為我們的振動傳感器輸出信號。我們選用四個(gè)信號源分別為正弦波信號，方波信號，鋸齒波信號及白噪聲，運(yùn)行程序可以發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)的虛擬示波器面板可以對四路信號同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)測量，波形顯示及信號處理。設(shè)計(jì)的前面板及測試仿真信號波形圖如圖5所示，頻譜分析如圖6所示，數(shù)據(jù)回放如圖7所示。

圖3　波形顯示，頻譜分析及數(shù)據(jù)保存程序

圖4　波形回放程序

圖5　四通道振動信號采集系統(tǒng)前面板

圖6　頻譜分析前面板

圖7　數(shù)據(jù)回放面板

應(yīng)用實(shí)例

在工程應(yīng)用中，我們需要對一組4個(gè)振動參數(shù)（編號分別為：VIB1、VIB2、VIB3、VIB4）進(jìn)行校準(zhǔn)，由于每個(gè)傳感器的靈敏度都不一樣，因此使用的每個(gè)傳感器都需要安裝在標(biāo)準(zhǔn)振動臺上施以標(biāo)準(zhǔn)振動值，再使用采集系統(tǒng)采集對應(yīng)傳感器的輸出值，最后對應(yīng)每個(gè)傳感器出一個(gè)校線公式。這樣在之后的實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)傳感器的實(shí)際輸出電壓便知道測量的振動g值，經(jīng)過校準(zhǔn)之后的傳感器其測量精度會進(jìn)一步提升。我們以傳感器靈敏度為10pC/g，調(diào)節(jié)器增益10mV/pC為例，那么其標(biāo)準(zhǔn)輸出為100mV/g，該值為峰值，有效值便為70.7 mV/g。然而每個(gè)傳感器的實(shí)際輸出定會存在一定的誤差，通過校準(zhǔn)系統(tǒng)采集的實(shí)際輸出如表1所示。

表1　傳感器的實(shí)際輸出列表

通過最小二乘法得出四個(gè)參數(shù)的校準(zhǔn)公式為（x為g值，y為采集電壓）：

VIB1：y1=69.51x+0.02；VIB2：y2=71.79x+0.48；

VIB3：y3= 71.19x+0.46；VIB4：y4= 70.70x+0.20。

總結(jié)

為了便于同時(shí)對多路傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)工作，本文利用NI公司數(shù)據(jù)采集卡USB-6008及LabVIEW應(yīng)用開發(fā)環(huán)境，開發(fā)的基于USB總線的虛擬振動信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。其主要針對振動傳感器的校準(zhǔn)工作，基本實(shí)現(xiàn)了對振動參數(shù)的數(shù)據(jù)采集、處理、顯示等功能，并通過最后的數(shù)據(jù)處理得出傳感器的實(shí)際校線公式。該系統(tǒng)具有操作簡單、界面美觀等特點(diǎn)，且通過軟件實(shí)現(xiàn)具有更多靈活性，滿足更個(gè)性化的要求。

黃如昌 劉 建 李國星

中國飛行試驗(yàn)研究院

黃如昌（1984－）男，安徽人，漢族，碩士研究生畢業(yè)，現(xiàn)中國飛行試驗(yàn)研究院測試所工程師，研究方向：機(jī)載測試技術(shù)。

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.10.013