數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)監(jiān)測(cè)機(jī)器性能

Data Acquisition System Captures Machine Performance

火箭發(fā)射時(shí)，即使與設(shè)計(jì)圖樣存在極小的偏差，也可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的后果，除非確定偏差產(chǎn)生的真正原因，否則很難解決實(shí)際問(wèn)題。對(duì)于小故障會(huì)導(dǎo)致大損失的任何項(xiàng)目而言，這都是一個(gè)重要問(wèn)題。

這就是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的起源。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)用于獲取和存儲(chǔ)機(jī)器性能指標(biāo)及其周?chē)h(huán)境的信息，從而為工程師提供所需的機(jī)器運(yùn)行狀態(tài)或故障狀態(tài)信息。

對(duì)于美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）而言，機(jī)器的性能信息在開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品時(shí)尤其重要，如計(jì)劃用于將第一批人類(lèi)送到火星的太空發(fā)射系統(tǒng)（SLS）等。

例如，NASA肯尼迪航天中心發(fā)射設(shè)備測(cè)試設(shè)施的管理者杰弗里?克里薩弗林（Jeffrey Crisafulli）解釋說(shuō)：“在發(fā)射當(dāng)天，研究人員利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)確定真正的T-0時(shí)（10s倒計(jì)時(shí)）。所有載荷從發(fā)射平臺(tái)上卸載的時(shí)刻，就是火箭實(shí)際發(fā)射的準(zhǔn)確時(shí)間。利用安裝在發(fā)射平臺(tái)上的每秒可發(fā)送20萬(wàn)個(gè)樣本數(shù)據(jù)的傳感器，工程師能夠精確地計(jì)算出發(fā)射時(shí)間，精度可達(dá)毫秒級(jí)。”

他說(shuō)：“飛船的發(fā)射控制系統(tǒng)盡量使發(fā)射時(shí)間非常準(zhǔn)確，但工程師仍需準(zhǔn)確測(cè)定實(shí)際發(fā)射時(shí)間，從而判斷發(fā)射時(shí)間是否有延遲或者偏差。這是因?yàn)?，發(fā)射平臺(tái)上有很多被稱(chēng)為‘臍帶’的連接臂，用于燃料加注，以及完成其它重要的收尾任務(wù)。這些‘臍帶’要在發(fā)射瞬間切斷與火箭的連接，因此，工程師不希望在火箭點(diǎn)火后還有任何的‘臍帶’與火箭連接。”

據(jù)統(tǒng)計(jì)，在SLS的移動(dòng)發(fā)射平臺(tái)上共安裝有500多個(gè)傳感器，可測(cè)量溫度、張力、壓力、負(fù)載，以及加速度等所有數(shù)據(jù)。這些傳感器安裝在“臍帶”上、遍布超過(guò)107m高的發(fā)射塔架，以及發(fā)射臺(tái)底座上。

因此，NASA需要開(kāi)發(fā)一種系統(tǒng)，以監(jiān)測(cè)從這些傳感器發(fā)回的信號(hào)并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，同時(shí)將數(shù)據(jù)發(fā)送到發(fā)射控制中心。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，NASA與德維創(chuàng)（Dewetron）公司開(kāi)展了合作。

Dewetron公司位于美國(guó)羅德島的韋克菲爾德，專(zhuān)業(yè)從事數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。該公司開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可應(yīng)用在任何行業(yè)的機(jī)器設(shè)備上，無(wú)論是航天器的發(fā)射平臺(tái)還是造紙?jiān)O(shè)備。

▲ 安裝有Dewetron公司信息采集系統(tǒng)的SLS移動(dòng)發(fā)射平臺(tái)

Dewetron公司的總裁格蘭特?史密斯（Grant Smith）解釋說(shuō)：“我們能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)和制造這些機(jī)器的工程師提供所需的數(shù)據(jù)獲取儀器。我們生產(chǎn)的儀器能夠測(cè)量張力、壓力、加速度等參數(shù)?？梢哉f(shuō)，幾乎所有能夠通過(guò)身體和感官感受到的數(shù)據(jù)，如果需要進(jìn)行測(cè)試，我們都能夠獲取?！?/p>

Dewetron公司目前已開(kāi)發(fā)出了一些成熟的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)產(chǎn)品，但需要開(kāi)發(fā)一款功能更強(qiáng)大的系統(tǒng)來(lái)滿(mǎn)足NASA SLS發(fā)射平臺(tái)的需求。已有的大部分?jǐn)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)需為不同類(lèi)型的傳感器配備不同的信號(hào)調(diào)節(jié)器接收和處理信號(hào)。不同于這些數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，NASA希望開(kāi)發(fā)一種適用于所有傳感器的通用信號(hào)調(diào)節(jié)器。這種信號(hào)調(diào)節(jié)器的使用將減少所需維護(hù)和更換的部件，還能夠降低成本，使后期數(shù)據(jù)的分析更加簡(jiǎn)便。

傳感器和信號(hào)調(diào)節(jié)器將物理現(xiàn)象轉(zhuǎn)換成電壓，然后以波形在圖表上記錄下來(lái)。這就像是一個(gè)老式的測(cè)謊儀，用一捆筆在一張紙上畫(huà)出連續(xù)的線(xiàn)，只不過(guò)傳感器和信號(hào)調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)了這種形式的數(shù)字化。為了便于比較傳感器信號(hào)，這些波形需要具有相同的相位特性，這樣，工程師就可以將不同的結(jié)果疊加在一起，無(wú)需從一種信號(hào)切換到另一種信號(hào)，從而避免時(shí)間延遲。

Dewetron公司以現(xiàn)有的一種用于張力測(cè)量的信號(hào)調(diào)節(jié)器為基礎(chǔ)，通過(guò)增加電壓輸入范圍及其它功能，使其能夠讀取移動(dòng)發(fā)射平臺(tái)上所有類(lèi)型的傳感器所發(fā)出的信號(hào)。該信號(hào)調(diào)節(jié)器還增加了電壓隔離功能，以最大限度地減少傳感器之間的干擾。格蘭特?史密斯說(shuō)：“從工程的角度來(lái)看，這項(xiàng)任務(wù)非常具有挑戰(zhàn)性?！?/p>

應(yīng)變儀輸出信號(hào)的測(cè)量精度通常為毫伏級(jí)。NASA希望新研發(fā)的信號(hào)調(diào)節(jié)器能夠滿(mǎn)足3個(gè)方面的要求：一是高靈敏度，能夠記錄毫伏級(jí)電壓等微弱的信號(hào)；二是高抗壓能力，該調(diào)節(jié)器需要承受300V電壓的沖擊，大約是此前系統(tǒng)的30萬(wàn)倍；三是高寬帶，每秒能夠復(fù)制成千上萬(wàn)次信號(hào)。

格蘭特?史密斯解釋說(shuō)：“同時(shí)滿(mǎn)足這3個(gè)方面的要求是非常困難的。通常情況下，過(guò)多的防護(hù)會(huì)減小帶寬，反之亦然。這之間很難平衡，需要進(jìn)行大量的工程設(shè)計(jì)才能實(shí)現(xiàn)?！?/p>

Dewetron公司采用分布式設(shè)計(jì)方法，將所有傳感器連接到位于移動(dòng)發(fā)射平臺(tái)上不同位置的幾個(gè)節(jié)點(diǎn)。這些節(jié)點(diǎn)采用廉價(jià)的以太網(wǎng)線(xiàn)纜連接到發(fā)射控制中心，大幅減少了儀器電纜的重量和成本。

杰弗里?克里薩弗林說(shuō)：“Dewetron公司開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，即DAQP-STG信號(hào)調(diào)理器，其最大的優(yōu)點(diǎn)之一是便于使用。用戶(hù)購(gòu)買(mǎi)該系統(tǒng)后，僅需按照操作手冊(cè)就可以進(jìn)行操作。更重要的是，該系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足NASA提出的3個(gè)方面的要求。與Dewetron公司開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相比，其他公司開(kāi)發(fā)的通用信號(hào)調(diào)節(jié)放大器體積較大，成本較高，而且耐用性較差，抗振動(dòng)性能較弱，很可能無(wú)法在發(fā)射過(guò)程中不被損壞?！?/p>

▲ Dewetron公司的傳感器系統(tǒng)

DAQP-STG信號(hào)調(diào)節(jié)器具有的這些優(yōu)點(diǎn)使其在NASA以外的其它領(lǐng)域也獲得了廣泛關(guān)注。格蘭特?史密斯解釋說(shuō)：“對(duì)于大多數(shù)需要使用應(yīng)變儀的客戶(hù)來(lái)說(shuō)，DAQP-STG都是理想的信號(hào)調(diào)節(jié)器，因?yàn)槠溥m用于幾乎所有的電阻傳感器，能夠提供比任何其它產(chǎn)品都高的防護(hù)隔離性能，以及非常高的帶寬?！?/p>

Dewetron公司還將為DAQPSTG信號(hào)調(diào)節(jié)器開(kāi)發(fā)的技術(shù)引入到后續(xù)的型號(hào)產(chǎn)品中，如HSI-STG信號(hào)調(diào)節(jié)器、TRION-2402-MULTI模塊等。與為NASA研制的DAQPSTG信號(hào)調(diào)節(jié)器相比，HSI-STG信號(hào)調(diào)節(jié)器具有相同的基本參數(shù)，但帶寬達(dá)到2MHz；TRION-2402-MULTI模塊在每個(gè)通道上增加了一個(gè)獨(dú)立的24位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器。

美國(guó)聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟公司已經(jīng)在卡納維拉爾角空軍基地和范登堡空軍基地的“宇宙神”和“德?tīng)査被鸺l(fā)射設(shè)施中使用了TRION-2402- MULTI模塊，并成功完成了數(shù)次發(fā)射任務(wù)。

格蘭特?史密斯說(shuō)：“這一切都建立在為NASA移動(dòng)發(fā)射平臺(tái)開(kāi)發(fā)的原始數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基礎(chǔ)上?！?/p>

Dewetron公司的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的用戶(hù)主要包括各大汽車(chē)公司，如美國(guó)福特汽車(chē)公司、德國(guó)寶馬公司和日本日產(chǎn)汽車(chē)公司等。這些企業(yè)不僅利用Dewetron公司開(kāi)發(fā)的儀器系統(tǒng)測(cè)試自己公司的汽車(chē)，還將其應(yīng)用在市場(chǎng)研究中，用于測(cè)試競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的汽車(chē)。同時(shí)，汽車(chē)零部件制造商也在使用Dewetron公司開(kāi)發(fā)的儀器系統(tǒng)，如美國(guó)偉世通公司、普利司通/風(fēng)馳通輪胎公司，以及德國(guó)西門(mén)子股份公司等。

除汽車(chē)行業(yè)以外，Dewetron公司開(kāi)發(fā)的儀器系統(tǒng)幾乎在每個(gè)行業(yè)都擁有客戶(hù)，包括專(zhuān)門(mén)從事結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的企業(yè)、從事機(jī)器測(cè)試的企業(yè)，以及大量的商業(yè)航空航天公司，如波音公司、洛克希德?馬丁公司和貝爾宇航公司等。格蘭特?史密斯說(shuō)：“我們已經(jīng)售出了數(shù)千臺(tái)這種調(diào)節(jié)器產(chǎn)品，有時(shí)單個(gè)訂單量達(dá)800臺(tái)甚至更多，每套產(chǎn)品售價(jià)約為1000美元，因此，該系列產(chǎn)品的市場(chǎng)空間巨大，對(duì)公司的發(fā)展起到了重要的作用?！?/p>

他強(qiáng)調(diào)：“NASA的高標(biāo)準(zhǔn)推動(dòng)了行業(yè)的發(fā)展。因?yàn)镹ASA所從事的領(lǐng)域的特殊性使其對(duì)于產(chǎn)品性能提出了非常高的要求，也促使相關(guān)企業(yè)不斷開(kāi)發(fā)出新的技術(shù)來(lái)滿(mǎn)足他們的高要求。這就促進(jìn)了整個(gè)行業(yè)技術(shù)水平的提升。Dewetron公司也是在NASA需求的牽引下，開(kāi)發(fā)出了先進(jìn)的數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了巨大的發(fā)展?！?/p>

(唐 甜)