周振杰，李紹輝，李 妍

（交通運(yùn)輸部 天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，天津 300456）

沖擊加速度傳感器作為慣性導(dǎo)航、工程監(jiān)測(cè)、儀器檢測(cè)等設(shè)備中的重要元件，目前在航空航天、武器制導(dǎo)、工程檢測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域之中被廣泛應(yīng)用[1]。在工程領(lǐng)域，沖擊加速度傳感器的精度直接影響到工程檢測(cè)等設(shè)備的精度，同時(shí)經(jīng)過較長(zhǎng)時(shí)間的使用后其性能參數(shù)會(huì)發(fā)生一定程度的漂移，因此需要定期校準(zhǔn)。根據(jù)其特性，加速度傳感器校準(zhǔn)可分為穩(wěn)態(tài)校準(zhǔn)和沖擊校準(zhǔn)兩類，穩(wěn)態(tài)校準(zhǔn)中地球重力場(chǎng)校準(zhǔn)是利用地球重力場(chǎng)在±1 g 的加速度范圍內(nèi)對(duì)加速度傳感器進(jìn)行靜態(tài)或低頻校準(zhǔn)，靜態(tài)校準(zhǔn)和離心機(jī)校準(zhǔn)主要是用于對(duì)具有零頻率響應(yīng)的加速度傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，而穩(wěn)態(tài)振動(dòng)法受限于振動(dòng)臺(tái)的推力以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等原因，其最大加速度幅值一般不超過10 g[2]。當(dāng)加速度幅值超過幾十個(gè)g 時(shí)，且需要得到加速度傳感器的加速度幅值線性度時(shí)，就需要通過沖擊校準(zhǔn)來實(shí)現(xiàn)。

中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院建有20～1×106m/s2沖擊加速度基準(zhǔn)裝置[3]，滿足加速度傳感器的沖擊校準(zhǔn)，但是該設(shè)備昂貴、維護(hù)成本高，不易在全國(guó)推廣使用。本文基于加速度傳感器校準(zhǔn)的需求，根據(jù)IS016063-22 沖擊比較法校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)[4]的要求，設(shè)計(jì)了一種基于LabVIEW 的沖擊加速度傳感器校準(zhǔn)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)加速度傳感器的沖擊比較法校準(zhǔn)。

1 加速度校準(zhǔn)原理

加速度傳感器做沖擊校準(zhǔn)時(shí)，靈敏度和線性度是最重要的參數(shù)。被檢加速度傳感器的靈敏度可用公式（1）計(jì)算，靈敏度校準(zhǔn)結(jié)果不確定度可參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定。

式中：SS為標(biāo)準(zhǔn)加速度傳感器的靈敏度，單位為V/（m·s-2）；Ssh為被檢加速度傳感器的靈敏度，單位為V/（m·s-2） 或pC/（m·s-2）；uS為標(biāo)準(zhǔn)加速度傳感器采集的輸出信號(hào)序列的最大峰值，單位為V；uX為被檢加速度傳感器采集的輸出信號(hào)序列的最大峰值，單位為pC 或V。

線性度校準(zhǔn)時(shí)，按照加速度傳感器量程選取校準(zhǔn)點(diǎn)，依次改變沖擊幅值，分別讀取各個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)加速度傳感器采集的輸出信號(hào)序列的最大峰值uSi和被檢加速度傳感器采集的輸出信號(hào)序列的最大峰值uXi，做最小二乘法擬合按照公式（2）計(jì)算各個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)的加速度傳感器幅值線性度δi，取最大值為校準(zhǔn)結(jié)果。

式中：a0為擬合直線的截距；a 為擬合直線的斜率；uM為標(biāo)準(zhǔn)加速度傳感器輸出滿量程。

2 校準(zhǔn)系統(tǒng)組成及工作過程

沖擊加速度校準(zhǔn)裝置硬件主要包括標(biāo)準(zhǔn)加速度套組、產(chǎn)生半正弦波形沖擊激勵(lì)的落錘沖擊源及基于虛擬儀器的數(shù)據(jù)采集處理部分。標(biāo)準(zhǔn)加速度套組選用Endevco 2270 型標(biāo)準(zhǔn)加速度傳感器和BK 2692 型電荷放大器，其計(jì)量性能指標(biāo)如表1所示，加速度套組定期經(jīng)國(guó)家沖擊加速度基準(zhǔn)檢定合格，可保證測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠性。落錘沖擊源為校準(zhǔn)系統(tǒng)提供沖擊能量，沖擊波形的峰值高低、脈寬大小均和撞擊能量大小、作用時(shí)間有直接關(guān)系，該落錘沖擊源可產(chǎn)生500～50000 m/s2范圍內(nèi)的加速度峰值。數(shù)據(jù)采集處理部分是以計(jì)算機(jī)為核心，配合NI PCI5105 高速數(shù)字化儀來實(shí)現(xiàn)加速度信號(hào)采集。

表1 標(biāo)準(zhǔn)加速度套組主要性能參數(shù)Tab.1 Cain performance parameters of standard acceleration set

該校準(zhǔn)系統(tǒng)的工作原理是人工控制將落錘提起，然后釋放使其自由降落，落錘與安裝有毛氈的砧頭碰撞后產(chǎn)生一定幅度的沖擊信號(hào)，該沖擊信號(hào)即為加速度傳感器的激勵(lì)源。標(biāo)準(zhǔn)加速度傳感器與被校加速度傳感器背靠背固定安裝在一起，然后通過螺栓與落錘剛性連接[5]。標(biāo)準(zhǔn)加速度傳感器與被校加速度傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)電荷放大器轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，然后經(jīng)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)采集和處理，最后通過可視化軟件計(jì)算得到被檢加速度傳感器的靈敏度。

3 校準(zhǔn)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)ISO16063-22 沖擊比較法校準(zhǔn)的要求，其軟件的基本框圖如圖1所示。

圖1 軟件工作基本框圖Fig.1 Basic block diagram of software work

對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)加速度傳感器與被校傳感器兩路沖擊加速度信號(hào)，均采用如上所述的采集及處理方式，最后通過計(jì)算得到被校傳感器的靈敏度等指標(biāo)。

本校準(zhǔn)軟件主要包括校準(zhǔn)信息輸入部分、采集卡硬件設(shè)置部分、標(biāo)準(zhǔn)傳感器套組的設(shè)置及輸出顯示部分、被校傳感器套組的設(shè)置及輸出顯示部分、校準(zhǔn)結(jié)果顯示部分以及程序流程顯示部分，其界面如圖2所示。檢定/校準(zhǔn)信息的輸入部分主要包括標(biāo)準(zhǔn)套組的信息輸入、被校傳感器套組信息輸入以及送檢單位和溫濕度校準(zhǔn)地點(diǎn)等信息的輸入，輸入的這些信息最后直接生成校準(zhǔn)的原始記錄。采集卡硬件設(shè)置部分主要包括采集通道的設(shè)置，因?yàn)槭莾陕沸盘?hào)完全同步的采集，所以只需要設(shè)置好所需要采集的通道后，這兩個(gè)通道的采集參數(shù)則完全一致。采集參數(shù)的設(shè)置主要包括采樣時(shí)間、采樣頻率和觸發(fā)電壓。因?yàn)闆_擊加速度信號(hào)是一個(gè)典型的非周期瞬態(tài)信號(hào)，故必須將采樣觸發(fā)方式設(shè)置為觸發(fā)采樣，即程序開始運(yùn)行后不采樣，只有當(dāng)沖擊信號(hào)大于所設(shè)置的觸發(fā)電壓后才開始采樣，這樣才能完整的采集下沖擊信號(hào)。標(biāo)準(zhǔn)套組的輸入部分主要是輸入靈敏度設(shè)置以及放大器的放大倍數(shù)設(shè)置，通過這個(gè)設(shè)置可以將采集到的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為物理量，即對(duì)應(yīng)的加速度值的大小。另外，還有一個(gè)是濾波器的開關(guān)，是設(shè)置對(duì)加速度信號(hào)進(jìn)行濾波的操作，這里可以根據(jù)需要設(shè)置低通濾波。被檢套組的輸入部分主要是一項(xiàng)，就是放大器的放大倍數(shù)設(shè)置。另外還包括一個(gè)是低通濾波部分，就是根據(jù)需要對(duì)被檢沖擊加速度波形進(jìn)行濾波。其被檢物理量顯示部分主要包括顯示被檢的沖擊加速度波形和對(duì)應(yīng)的速度波形以及對(duì)其進(jìn)行擬合的直線等，參考物理量顯示部分主要包括顯示沖擊加速度波形、速度波形和加速度波形的頻率成分等。

圖2 軟件整體界面Fig.2 Software integral interface

4 測(cè)試驗(yàn)證

4.1 示波試驗(yàn)

標(biāo)準(zhǔn)加速度的靈敏度取值為0.2012 mV/（m·s-2），采樣頻率設(shè)置為10 MHz，采樣時(shí)間設(shè)置為10 ms，觸發(fā)電壓設(shè)置為150 mV。點(diǎn)擊示波按鈕，觀察該系統(tǒng)各部分是否連接正常，正常示波應(yīng)如圖3所示。

圖3 正常示波界面Fig.3 Normal oscillographic interface

4.2 濾波試驗(yàn)

對(duì)于沖擊信號(hào)的檢測(cè)與分析，其時(shí)域波形所顯示的沖擊加速度峰值是一個(gè)非常重要的物理量，而要準(zhǔn)確的判斷所采集到的沖擊加速度信號(hào)的峰值，必須保證所采集到的沖擊信號(hào)是一條光滑的曲線。但在實(shí)際的沖擊試驗(yàn)過程中，往往由于機(jī)械結(jié)構(gòu)或者其他任何部分的共振或者振蕩都會(huì)引起沖擊加速度波形的曲線有畸變，或者由于其他的電噪聲影響，都會(huì)使所采集到的沖擊信號(hào)出現(xiàn)較大的失真，從而影響對(duì)其峰值的判斷[6]。該系統(tǒng)濾波選用巴特沃斯濾波器，低通截止頻率設(shè)置為10 kHz。采集到的沖擊加速度信號(hào)如圖4所示，不設(shè)置濾波時(shí)其曲線明顯含有噪聲，其峰值不明顯。對(duì)其進(jìn)行濾波后所得到的加速度波形如圖5所示，可以看出，經(jīng)過低通濾波后的沖擊信號(hào)曲線非常光滑，其時(shí)域峰值可以準(zhǔn)確判斷。

圖4 濾波前采集數(shù)據(jù)Fig.4 Data acquisition before filtering

圖5 濾波后采集數(shù)據(jù)Fig.5 Data acquisition after filtering

4.3 靈敏度和幅值線性度校準(zhǔn)試驗(yàn)及結(jié)果驗(yàn)證

選取RSM-PDT（B）基樁動(dòng)測(cè)儀高應(yīng)變加速度傳感器作為試驗(yàn)驗(yàn)證比對(duì)樣品，主要性能參數(shù)如表2所示。在1000～5000 m/s2范圍內(nèi)選取10 個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)，使用沖擊加速度傳感器校準(zhǔn)系統(tǒng)上進(jìn)行校準(zhǔn)試驗(yàn)，得到被檢加速度傳感器的靈敏度和線性度，同時(shí)該基樁動(dòng)測(cè)儀也經(jīng)過中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院50～2.0×104m/s2沖擊加速度基準(zhǔn)校準(zhǔn)，靈敏度及幅值線性度校準(zhǔn)結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表2 加速度傳感器主要性能參數(shù)Tab.2 Main performance parameters of acceleration sensor

表3 校準(zhǔn)結(jié)果Tab.3 Calibration results

5 結(jié)語(yǔ)

基于美國(guó)NI 公司LabVIEW 軟件平臺(tái)的沖擊加速度校準(zhǔn)系統(tǒng)，充分利用了LabVIEW 的強(qiáng)大功能，可完成沖擊數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、分析、記錄和保存等，自動(dòng)化程度高，降低了科研人員的工作強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了加速度傳感器的沖擊比較法校準(zhǔn)。該系統(tǒng)在100～5000 m/s2內(nèi)對(duì)樣機(jī)進(jìn)行的校準(zhǔn)結(jié)果與基準(zhǔn)裝置校準(zhǔn)結(jié)果對(duì)比，以基準(zhǔn)裝置校準(zhǔn)結(jié)果靈敏度平均值為參考值，則該系統(tǒng)校準(zhǔn)結(jié)果靈敏度偏差為1.2%，滿足加速度傳感器沖擊校準(zhǔn)的需求，可在全國(guó)范圍內(nèi)推廣使用。