閆 磊 楊曉偉 劉 鑫 朱 剛 焦鑫鑫

(北京航天計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京100076)

基于Labview的振動(dòng)沖擊測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

閆 磊 楊曉偉 劉 鑫 朱 剛 焦鑫鑫

(北京航天計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京100076)

根據(jù)振動(dòng)沖擊試驗(yàn)設(shè)備測(cè)試要求，設(shè)計(jì)并研制一套測(cè)量系統(tǒng)。系統(tǒng)基于虛擬儀器測(cè)量技術(shù)設(shè)計(jì)，通過(guò)采集振動(dòng)沖擊所產(chǎn)生加速度信號(hào)的頻率和幅值，運(yùn)用FFT技術(shù)進(jìn)行信號(hào)處理和分析，完成對(duì)振動(dòng)沖擊試驗(yàn)設(shè)備的測(cè)量。實(shí)驗(yàn)效果表明，該系統(tǒng)具有測(cè)量功能完善、測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確可靠、軟件操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，能夠滿足目前在用的所有振動(dòng)沖擊試驗(yàn)設(shè)備的測(cè)量需求，在實(shí)踐中已得到應(yīng)用。

振動(dòng) 沖擊 測(cè)量 虛擬儀器

1 引 言

振動(dòng)沖擊試驗(yàn)是航天器可靠性試驗(yàn)的重要組成部分，可以模擬航天器實(shí)際運(yùn)輸、發(fā)射、飛行及著陸過(guò)程中惡劣的力學(xué)環(huán)境，對(duì)航天器是否能夠達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)定的性能指標(biāo)進(jìn)行考核。因此，對(duì)振動(dòng)沖擊試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行全面、準(zhǔn)確、快速、有效的測(cè)量具有非常重要的意義。

傳統(tǒng)的振動(dòng)沖擊測(cè)量設(shè)備包括加速度傳感器、電荷放大器、數(shù)字電壓表、頻率計(jì)、示波器、失真度測(cè)量?jī)x等。這些計(jì)量設(shè)備功能單一、有限且不具備可開發(fā)性，測(cè)量方法落后。由于測(cè)量過(guò)程中使用儀器設(shè)備較多，引入測(cè)量不確定度分量增多，導(dǎo)致測(cè)量誤差增大，對(duì)試驗(yàn)設(shè)備測(cè)量結(jié)果的判定帶來(lái)影響。隨著自動(dòng)化測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，采用虛擬儀器技術(shù)通過(guò)應(yīng)用程序?qū)⒂?jì)算機(jī)與功能模塊結(jié)合，在電子測(cè)量、自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。本文介紹的振動(dòng)沖擊測(cè)量系統(tǒng)基于LabVIEW設(shè)計(jì)完成，通過(guò)建立一個(gè)虛擬儀器自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)，將測(cè)量信號(hào)采集、儀器儀表控制、數(shù)據(jù)處理分析等功能集為一體，并可根據(jù)使用需求進(jìn)行軟件功能擴(kuò)展和二次開發(fā)，在節(jié)約成本的同時(shí)，可以最大限度提升測(cè)試設(shè)備的功能性，有效地提高振動(dòng)沖擊試驗(yàn)設(shè)備測(cè)量的準(zhǔn)確性和便捷性。

2 系統(tǒng)總體方案及工作原理

2.1 系統(tǒng)總體方案

振動(dòng)沖擊測(cè)量系統(tǒng)以現(xiàn)行的檢定規(guī)程、校準(zhǔn)規(guī)范和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，充分利用虛擬儀器測(cè)量技術(shù)、高速數(shù)據(jù)運(yùn)算處理技術(shù)及海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)，以多通道信號(hào)同步采集、測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)處理以及測(cè)量結(jié)果直接判定等功能為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)。鑒于振動(dòng)沖擊試驗(yàn)設(shè)備的多樣性特點(diǎn)，要求校準(zhǔn)系統(tǒng)的硬件技術(shù)指標(biāo)，如測(cè)量頻率范圍、加速度量程等應(yīng)盡可能覆蓋試驗(yàn)設(shè)備技術(shù)參數(shù)，軟件設(shè)計(jì)要求具有振動(dòng)沖擊信號(hào)采集、時(shí)域信號(hào)分析、頻域信號(hào)分析、原始數(shù)據(jù)保存、原始數(shù)據(jù)回放及實(shí)驗(yàn)報(bào)告自動(dòng)生成等功能。

系統(tǒng)采用振動(dòng)沖擊傳感器和便攜式動(dòng)態(tài)信號(hào)采集卡搭建系統(tǒng)硬件部分，基于LabVIEW開發(fā)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)正弦振動(dòng)測(cè)量、隨機(jī)振動(dòng)測(cè)量及經(jīng)典沖擊測(cè)量功能的虛擬儀器軟件開發(fā)，其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2.2 工作原理

數(shù)字式電動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)是目前使用最多振動(dòng)沖擊試驗(yàn)設(shè)備，可用來(lái)產(chǎn)生正弦、隨機(jī)、正弦加寬帶隨機(jī)、窄帶隨機(jī)加寬帶隨機(jī)等振動(dòng)激勵(lì)和半正弦波、后峰鋸齒波、梯形波等沖擊激勵(lì)，具有試驗(yàn)參數(shù)多、實(shí)現(xiàn)功能全、應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)。以數(shù)字式電動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)量為例，對(duì)本系統(tǒng)工作原理進(jìn)行說(shuō)明：

(1)根據(jù)檢定規(guī)程要求，將多支傳感器分別安裝在振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)工作臺(tái)面上，與臺(tái)面剛性連接，利用傳感器將振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的振動(dòng)沖擊信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；

(2)將動(dòng)態(tài)信號(hào)采集卡與傳感器連接，利用動(dòng)態(tài)信號(hào)采集卡采集傳感器輸出的電信號(hào)，通過(guò)FFT分析和處理，將采集的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為振動(dòng)沖擊信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的加速度、頻率、功率譜密度等參數(shù)的測(cè)量；

(3)參照規(guī)程中檢定項(xiàng)目及檢定方法要求，利用校準(zhǔn)軟件對(duì)所測(cè)量的振動(dòng)沖擊信號(hào)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得到振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)示值誤差、失真度、橫向振動(dòng)比、動(dòng)態(tài)范圍等技術(shù)指標(biāo)，對(duì)振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行判定。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)備

系統(tǒng)硬件設(shè)備由計(jì)算機(jī)、動(dòng)態(tài)信號(hào)采集卡及加速度傳感器組成。對(duì)照被測(cè)試驗(yàn)設(shè)備的技術(shù)參數(shù)及相應(yīng)規(guī)程、規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的要求[2]，其主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 被測(cè)試驗(yàn)設(shè)備技術(shù)指標(biāo)

本系統(tǒng)選用美國(guó)PCB公司生產(chǎn)的339M37型三軸振動(dòng)加速度傳感器，加速度量程上限500g；353B04型振動(dòng)加速度傳感器，加速度量程上限500g；美國(guó)PCB公司生產(chǎn)的350B03型沖擊加速度傳感器，加速度量程上限可達(dá)10 000g；動(dòng)態(tài)信號(hào)采集卡選用美國(guó)NI公司生產(chǎn)的USB-4432型便攜式動(dòng)態(tài)信號(hào)采集卡，采樣率102.4kS/s，測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)102dB。以上設(shè)備技術(shù)參數(shù)均可滿足振動(dòng)沖擊試驗(yàn)設(shè)備測(cè)量需求。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件基于LabVIEW軟件平臺(tái)開發(fā)，結(jié)合振動(dòng)沖擊試驗(yàn)設(shè)備測(cè)量需求，設(shè)計(jì)便捷的人機(jī)交互界面，可實(shí)現(xiàn)振動(dòng)沖擊信號(hào)采集、時(shí)域信號(hào)分析處理、頻域信號(hào)分析處理、原始數(shù)據(jù)的保存與回看、實(shí)驗(yàn)報(bào)告自動(dòng)生成等功能，具有測(cè)量準(zhǔn)確度高、測(cè)量功能完善、操作簡(jiǎn)單、實(shí)用高效等特點(diǎn)。圖2所示為本系統(tǒng)軟件主界面圖。

系統(tǒng)軟件主要參考JJG948-1999《數(shù)字式電動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)檢定規(guī)程》、JJG541-2005《落體式?jīng)_擊試驗(yàn)臺(tái)檢定規(guī)程》等現(xiàn)行振動(dòng)沖擊試驗(yàn)設(shè)備檢定規(guī)程中的相關(guān)要求[3,4]，對(duì)系統(tǒng)軟件進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，軟件流程圖如圖3所示。利用模塊化的設(shè)計(jì)思想，實(shí)現(xiàn)多個(gè)功能模塊的設(shè)計(jì)，其主要模塊包括：正弦定頻、正弦掃頻、隨機(jī)40dB、隨機(jī)RMS、隨機(jī)加隨機(jī)、隨機(jī)加正弦、經(jīng)典沖擊、采樣通道設(shè)置等。

4.1 正弦定頻模塊

該模塊用于實(shí)現(xiàn)正弦定頻信號(hào)的測(cè)試功能。利用動(dòng)態(tài)信號(hào)采集卡采集不同頻率、不同幅值的正弦信號(hào)，通過(guò)FFT分析和處理，對(duì)采集到的正弦信號(hào)加速度、速度、位移幅值和頻率進(jìn)行測(cè)量，計(jì)算幅值、頻率示值誤差和失真度，圖4所示為正弦定頻模塊數(shù)據(jù)顯示窗口。

4.2 正弦掃頻模塊

該模塊通過(guò)對(duì)正弦掃頻信號(hào)的測(cè)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)臺(tái)橫向振動(dòng)比、臺(tái)面加速度幅值均勻度、失真度及掃頻速率等技術(shù)指標(biāo)的考核。圖5所示為正弦掃頻模塊界面。

進(jìn)行正弦掃頻測(cè)量時(shí)，將傳感器按圖6所示位置放置。三軸傳感器放置在O點(diǎn)位置，單軸傳感器放置在A、B、C、D點(diǎn)位置，將傳感器分別連接到動(dòng)態(tài)信號(hào)采集卡相對(duì)應(yīng)的通道，軟件根據(jù)不同位置傳感器的輸出計(jì)算得出振動(dòng)臺(tái)橫向振動(dòng)比、臺(tái)面加速度幅值均勻度、失真度及掃頻速率等。

4.3 隨機(jī)40dB模塊

該模塊用于實(shí)現(xiàn)振動(dòng)臺(tái)動(dòng)態(tài)范圍測(cè)量。利用動(dòng)態(tài)信號(hào)采集卡采集隨機(jī)信號(hào)，通過(guò)FFT分析和處理，計(jì)算得出振動(dòng)臺(tái)的動(dòng)態(tài)范圍。

4.4 隨機(jī)RMS模塊

該模塊用于對(duì)隨機(jī)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)對(duì)隨機(jī)信號(hào)的FFT分析和處理，計(jì)算得出振動(dòng)臺(tái)加速度總均方根值示值誤差、加速度功率譜密度示值誤差、加速度總均方根值控制精度和加速度功率譜密度控制精度。圖7所示為隨機(jī)RMS模塊界面。

4.5 隨機(jī)加隨機(jī)模塊

該模塊用于對(duì)隨機(jī)加隨機(jī)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)對(duì)信號(hào)的FFT分析和處理，計(jì)算得出寬帶隨機(jī)信號(hào)及窄帶隨機(jī)信號(hào)的加速度總均方根值示值誤差、加速度功率譜密度示值誤差、加速度總均方根值控制精度和加速度功率譜密度控制精度。

4.6 隨機(jī)加正弦模塊

該模塊用于對(duì)隨機(jī)加正弦信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)對(duì)信號(hào)的FFT分析和處理，計(jì)算得出寬帶隨機(jī)信號(hào)加速度總均方根值示值誤差、加速度功率譜密度示值誤差、加速度總均方根值控制精度和加速度功率譜密度控制精度及正弦疊加信號(hào)的幅值、頻率示值誤差。

4.7 經(jīng)典沖擊模塊

經(jīng)典沖擊波形包含半正弦波、后峰鋸齒波和梯形波。該模塊通過(guò)對(duì)經(jīng)典沖擊信號(hào)的測(cè)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)沖擊峰值、沖擊脈寬、臺(tái)面橫向運(yùn)動(dòng)比、臺(tái)面峰值加速度幅值不均勻度等技術(shù)指標(biāo)的考核。圖8所示為經(jīng)典沖擊模塊數(shù)據(jù)顯示窗口。

4.8 采樣通道設(shè)置模塊

該模塊用于對(duì)動(dòng)態(tài)信號(hào)采集卡通道及采樣信息進(jìn)行設(shè)置。圖9所示為采樣通道設(shè)置模塊界面圖。

通道信息設(shè)置包括通道選擇、靈敏度、最大輸入電壓、傳感器輸入類型、傳感器放置位置等；采樣信息設(shè)置包括采樣頻率和采樣數(shù)等。

5 測(cè)試驗(yàn)證

5.1 系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)測(cè)試

參考JJG233-2008 《壓電加速度計(jì)檢定規(guī)程》、JJG834-2006 《動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀檢定規(guī)程》，分別對(duì)振動(dòng)沖擊測(cè)量系統(tǒng)的加速度傳感器和動(dòng)態(tài)信號(hào)采集卡進(jìn)行測(cè)量。如表2～表4所示，系統(tǒng)硬件設(shè)備技術(shù)指標(biāo)滿足相關(guān)規(guī)程要求。

表2 振動(dòng)加速度傳感器測(cè)量結(jié)果

表3 沖擊加速度傳感器測(cè)量結(jié)果

5.2 軟件功能測(cè)試

參照J(rèn)JG948-1999 《數(shù)字式電動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)檢定規(guī)程》要求，利用振動(dòng)控制儀自閉環(huán)生成控制譜，對(duì)系統(tǒng)軟件測(cè)量功能進(jìn)行測(cè)試。運(yùn)行系統(tǒng)軟件，依次選擇每一個(gè)測(cè)試模塊，設(shè)置采樣頻率、采樣數(shù)、靈敏度等參數(shù)，點(diǎn)擊“采集”按鍵開始進(jìn)行測(cè)試，實(shí)現(xiàn)對(duì)校準(zhǔn)系統(tǒng)各個(gè)模塊功能的測(cè)試，圖10～圖13所示為測(cè)試參考圖譜與各模塊實(shí)際測(cè)量圖譜。

表4 動(dòng)態(tài)信號(hào)采集卡測(cè)量結(jié)果

通過(guò)對(duì)軟件功能的測(cè)試，系統(tǒng)模塊功能運(yùn)行平穩(wěn)，測(cè)量數(shù)據(jù)采集處理功能正常，各模塊測(cè)量信號(hào)與參考信號(hào)圖譜一致，能夠滿足規(guī)程要求的檢測(cè)項(xiàng)目要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的便攜式振動(dòng)沖擊測(cè)量系統(tǒng)在節(jié)省成本的同時(shí)，最大限度開發(fā)了使用功能，可直接對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行判定，滿足對(duì)振動(dòng)沖擊試驗(yàn)設(shè)備測(cè)量的功能及技術(shù)要求，實(shí)現(xiàn)了“背包式”測(cè)量。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，本系統(tǒng)測(cè)量功能完善、測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確可靠、軟件操作簡(jiǎn)單、測(cè)量范圍可覆蓋目前在用的所有振動(dòng)沖擊試驗(yàn)設(shè)備。目前已多次為航天、兵器、汽車、電子、電力等行業(yè)提供振動(dòng)沖擊試驗(yàn)設(shè)備測(cè)量服務(wù)。

系統(tǒng)基于LabVIEW平臺(tái)開發(fā)，軟件采用模塊化功能設(shè)計(jì)，通過(guò)配接不同參量的傳感器，結(jié)合相應(yīng)規(guī)程、規(guī)范的要求進(jìn)行二次開發(fā)，可將本系統(tǒng)用于壓力、應(yīng)變、溫度及角度等其他參數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量，在保證測(cè)量準(zhǔn)確度的前提下，提高了計(jì)量設(shè)備的多功能性和經(jīng)濟(jì)性。

[1] 方棉佳，甄蜀春，張永順.虛擬儀器技術(shù)的概念與實(shí)現(xiàn)[J]．宇航計(jì)測(cè)技術(shù)，2003(1)：58～61.

[2] 振動(dòng)與沖擊測(cè)試手冊(cè)(第二卷)[M]．北京：國(guó)防工業(yè)出版社．

[3] JJG948-1999數(shù)字式電動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)檢定規(guī)程[S]．北京：中國(guó)計(jì)量出版社，1999．

[4] JJG541-2005落體式?jīng)_擊試驗(yàn)臺(tái)檢定規(guī)程[S]．北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2005．

Design for a Measurement System of Vibration and Shock Basedon Labview

YAN Lei YANG Xiao-wei LIU Xin ZHU Gang JIAO Xin-xin

(Beijing Aerospace Institute for Metrology and Measurement Technology,Beijing 100076, China)

In order to meet the demands of measuring vibration and shock testing machines, the measurement system is developed. The system is designed by measuring technology of virtual instrument. The system can measure the frequency and amplitude of the acceleration signal, analyse the signal by FFT and realize the measurement. The experimental results demonstrate that the system has several characters ，such as perfect testing functions, accurate testing result and simple operation. The system can be used to calibrate all existing vibration and shock testing machines. This system had been used in practice.

Vibration Shock Measurement Virtual instrument

2016-07-07，

2016-10-26

閆磊(1980-)，男，高級(jí)工程師，主要研究方向：振動(dòng)、沖擊、空氣聲計(jì)量。

1000-7202(2017) 02-0036-07

10.12060/j.issn.1000-7202.2017.02.08

TH825

A