液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)地面試車應(yīng)變數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研制

王文龍，趙政社，混 平，耿 直

（西安航天動(dòng)力試驗(yàn)技術(shù)研究所，陜西西安710100）

0 引言

地面試驗(yàn)是液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)研制、交付過程中一個(gè)必不可少的重要環(huán)節(jié)，具有風(fēng)險(xiǎn)高、耗資高、系統(tǒng)復(fù)雜等特點(diǎn)。試驗(yàn)過程中伴隨著強(qiáng)震動(dòng)、高溫、高壓等各種極限環(huán)境條件。通過地面試車，獲得火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)性能參數(shù)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行鑒定和判斷。隨著近年來液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，地面試車中需要測試的參數(shù)數(shù)量、參數(shù)種類越來越多，對(duì)于測試數(shù)據(jù)的可靠性、準(zhǔn)確性要求也越來越高。試驗(yàn)系統(tǒng)部分?jǐn)?shù)據(jù)采集設(shè)備無法滿足現(xiàn)在大規(guī)模、實(shí)時(shí)性、高速率、高穩(wěn)定性等要求。由于液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)的國防特殊性和惡劣的試驗(yàn)環(huán)境，自行研制針對(duì)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)地面試驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是目前的主要手段。本文就是基于地面試驗(yàn)應(yīng)變數(shù)據(jù)測試的要求，采用目前比較主流的NI硬件解決方案，結(jié)合試驗(yàn)系統(tǒng)靈活性、可靠性要求。研制開發(fā)了一套功能全、適應(yīng)性強(qiáng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

1 應(yīng)變數(shù)據(jù)測試

1.1 測試原理

應(yīng)變是對(duì)物體變形程度的反應(yīng)，是研究構(gòu)件在載荷和溫度條件下內(nèi)外部應(yīng)力和變形的分布情況，特別需要確定危險(xiǎn)部位的最大應(yīng)力和變形。

目前常用的應(yīng)變測試技術(shù)是電阻應(yīng)變測試。它是采用電阻應(yīng)變片作為傳感元件將構(gòu)件表面應(yīng)變轉(zhuǎn)化為電阻變化，然后使用采集系統(tǒng)的配橋電路把電阻變化轉(zhuǎn)換成點(diǎn)壓或電流變化，經(jīng)過采集系統(tǒng)放大并記錄，通過數(shù)據(jù)處理將電壓值換算為應(yīng)變值。最終根據(jù)材料等換算出應(yīng)力。

應(yīng)變片測試應(yīng)變的工作原理是基于金屬絲的電阻隨氣機(jī)械變形而變化的一種特性。取長度為L，截面積為A，電阻率為ρ的金屬絲，則其電阻R為

通過換算可得

式中：K為電阻絲的靈敏度系數(shù)。由公式（2）可知，電阻絲的電阻變化率與應(yīng)變值是線性關(guān)系，因此就可以通過測試應(yīng)變片的電阻變化來獲得應(yīng)變值，在實(shí)際測試中，電阻變化被轉(zhuǎn)換為電壓量的變化，計(jì)算公式為

式中：ε為應(yīng)變值；B為線性的斜率；V為實(shí)測電壓值；V0為原始電壓值。

1.2 測試需求

地面試車中，特別是研制型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)地面試車，需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)各構(gòu)件、各危險(xiǎn)點(diǎn)及薄弱環(huán)節(jié)在工作狀態(tài)下的應(yīng)力應(yīng)變值進(jìn)行測試與分析，以確定其設(shè)計(jì)強(qiáng)度的安全性、適用性。

在某研制型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中，要求測試應(yīng)變參數(shù)，技術(shù)要求如下：

1)通道容量：22路；

2)采樣速率：100 Hz/單通道；

3)橋接方式：1/4橋接

4)濾波：10 Hz、100 Hz可選

5)增益：1～1000倍；

6)輸出范圍：－5 V～5 V；

7)測試精度：≥0.05%；

8)系統(tǒng)穩(wěn)定性：≥0.05%；

9)采樣時(shí)長：≥1000 s。

除了測試任務(wù)的技術(shù)要求外，試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)采集系統(tǒng)的使用要求如下：

1)抗震性：由于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)具有強(qiáng)震動(dòng)的特點(diǎn)，采集系統(tǒng)需要具有較強(qiáng)抗震性；

2)抗干擾：地面試驗(yàn)系統(tǒng)有龐大復(fù)雜的控制、測試系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)有很多電子設(shè)備和電纜，抗干擾性也是采集系統(tǒng)的一項(xiàng)重要指標(biāo)；

3)冗余度和可擴(kuò)展性：試驗(yàn)系統(tǒng)是針對(duì)多個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)的，測試需求有隨時(shí)變化的可能，新建系統(tǒng)需要具備一定的冗余度和可擴(kuò)展性；

4)綜合性和靈活性：考慮試驗(yàn)區(qū)需求，新建系統(tǒng)的研制方向是一套功能較全面、系統(tǒng)較靈活的分布式采集系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)集成方式

根據(jù)測試需求，通過市場調(diào)研，擬采用NI測試系統(tǒng)解決方案，以NI數(shù)據(jù)采集設(shè)備為核心，建立應(yīng)變數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 應(yīng)變系統(tǒng)組成示意圖Fig.1 Composition of strain parameter measurement system

2.1 采集設(shè)備

采集設(shè)備是整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心，主要功能是通過橋路獲取應(yīng)變傳感器的電信號(hào)值，通過A/D轉(zhuǎn)換和信號(hào)處理后，實(shí)時(shí)傳輸至系統(tǒng)主機(jī)。數(shù)據(jù)采集設(shè)備主要由信號(hào)調(diào)理器和數(shù)據(jù)采集卡兩部分組成。

1）信號(hào)調(diào)理器：信號(hào)調(diào)理是前端傳感器信號(hào)進(jìn)入采集系統(tǒng)的入口設(shè)備，包括配橋電路、濾波電路、放大電路等。調(diào)理電路將應(yīng)變片的電阻量弱小變化轉(zhuǎn)換為適合的、穩(wěn)定的電壓量變化。所選信調(diào)器共具有32路模擬量采集通道，信號(hào)增益1～1000程控可調(diào)，截止頻率為10 Hz，100 Hz，1 kHz及10 kHz四檔可調(diào)，接入方式支持1/4橋、1/2橋和全橋，信號(hào)調(diào)理滿足測試需求。

2）數(shù)據(jù)采集卡：數(shù)據(jù)采集卡是將經(jīng)過調(diào)理的模擬量信號(hào)通過A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)變?yōu)樗钄?shù)字量信號(hào)，它提供了250 kHz的采樣速率、差分輸入方式、A/D轉(zhuǎn)換分辨率為16位，輸入范圍為±10 V，滿足測試需求。

2.2 系統(tǒng)主機(jī)

為了提高數(shù)據(jù)存貯量和使系統(tǒng)可擴(kuò)展性提升，選用外接計(jì)算機(jī)主機(jī)的方式，系統(tǒng)主機(jī)與采集設(shè)備通過通訊卡連接，通訊卡將采集信號(hào)傳入系統(tǒng)主機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示、輸出、處理。計(jì)算機(jī)主機(jī)進(jìn)行采集、處理等功能是依靠相應(yīng)軟件來實(shí)現(xiàn)的，通過開發(fā)數(shù)采系統(tǒng)軟件，完成采集、校驗(yàn)、處理功能。

2.3 校驗(yàn)設(shè)備

為了提高測試精度，在每次試驗(yàn)前都進(jìn)行采集系統(tǒng)現(xiàn)場校驗(yàn)，采用現(xiàn)場校驗(yàn)斜率進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算與提供。系統(tǒng)校驗(yàn)設(shè)備采用電阻箱式的標(biāo)準(zhǔn)模擬應(yīng)變校準(zhǔn)器，設(shè)備可提供1～50000 uε應(yīng)變輸入范圍，正負(fù)兩個(gè)方向的校準(zhǔn)方式。設(shè)備大小與NI機(jī)箱基本相同，搬運(yùn)方便，可進(jìn)行前端現(xiàn)場校驗(yàn)。校準(zhǔn)儀的校準(zhǔn)原理是模擬電阻絲應(yīng)變片應(yīng)變值與電阻值的變化關(guān)系，當(dāng)加入一定量的應(yīng)變值時(shí)，校準(zhǔn)儀實(shí)際上是向采集系統(tǒng)輸入了一個(gè)變化后的電阻值，模擬了電阻絲應(yīng)變片的實(shí)際變化情況。通過采用現(xiàn)場校驗(yàn)的方式，保證了數(shù)據(jù)采集精度。

2.4 輔助設(shè)備

系統(tǒng)集成還需要系統(tǒng)機(jī)柜、轉(zhuǎn)接環(huán)節(jié)、電源及通訊等其他輔助設(shè)備。系統(tǒng)機(jī)柜是將除采集計(jì)算機(jī)外的其他硬件進(jìn)行集成的設(shè)備，他提供了用于放置、固定設(shè)備的托盤、背板及盲板，同時(shí)還提供風(fēng)扇、系統(tǒng)電源、走線通道及轉(zhuǎn)接背板等，保證了采集設(shè)備的抗震性、抗干擾性和穩(wěn)定性。轉(zhuǎn)接環(huán)節(jié)是指前后端連接的電纜在進(jìn)入機(jī)柜時(shí)的接入環(huán)節(jié)，這個(gè)環(huán)節(jié)的功能是將應(yīng)變傳感器或校驗(yàn)設(shè)備按照通道對(duì)應(yīng)接入采集設(shè)備。通訊環(huán)節(jié)是指在機(jī)柜中集成該系統(tǒng)與試車指揮、前端人員進(jìn)行語音通訊的接入設(shè)備。通過輔助設(shè)備將各個(gè)系統(tǒng)組件集成在一起，建立成完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

3 軟件開發(fā)策略

3.1 開發(fā)思路

依據(jù)測試需求、試驗(yàn)區(qū)使用要求特點(diǎn)和保持與其他數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的通用性，不采用NI解決方案常規(guī)的NI-labview或LabwindowsCVI。而使用VB6.0軟件開發(fā)平臺(tái)，需要對(duì)NI為VB提供的底層驅(qū)動(dòng)函數(shù)功能全面掌握，基于底層驅(qū)動(dòng)函數(shù)，按照測試需求和可擴(kuò)展性要求，開發(fā)新的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件。

軟件開發(fā)基于綜合性和可擴(kuò)展性需求，盡可能的挖掘采集設(shè)備潛力，使系統(tǒng)具備各種模擬量信號(hào)（應(yīng)變、壓力、溫度、位移）采集、處理能力和開關(guān)量信號(hào)的采集能力。軟件應(yīng)實(shí)現(xiàn)增益、濾波、配橋方式、采樣速率、激勵(lì)源等各種參數(shù)的程控可調(diào)，滿足系統(tǒng)綜合性測試要求。

3.2 軟件組成

依據(jù)開發(fā)思路，構(gòu)建軟件模塊與功能（如圖2所示）。

1） 采集模塊：完成硬件初始化設(shè)置，包含采集類型（激勵(lì)電壓方式、應(yīng)變方式和電壓方式）、采集參數(shù)設(shè)置功能；數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、實(shí)時(shí)存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)顯示以及零位記錄功能。

2） 校驗(yàn)?zāi)K：完成系統(tǒng)通道的校驗(yàn)，獲得通道的斜率、截距和S2值（標(biāo)準(zhǔn)差值）功能。

3）處理模塊：實(shí)現(xiàn)對(duì)原碼的讀取，進(jìn)而進(jìn)行不同段（過渡段、平穩(wěn)段）和不同的計(jì)算方式（毫伏數(shù)、初算、復(fù)算）的數(shù)據(jù)處理、打印功能。

圖2 緩應(yīng)變采集系統(tǒng)軟件框圖Fig.2 Software frame diagram of strain parameter acquisition system

4 關(guān)鍵技術(shù)突破

應(yīng)變數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求是系統(tǒng)就具有綜合采集處理能力、有高可靠性、有較強(qiáng)的靈活性和良好的可擴(kuò)展性。各種地面試驗(yàn)的具體要求給系統(tǒng)研發(fā)提出以下問題。

1）硬件驅(qū)動(dòng)技術(shù)：正確合理地進(jìn)行硬件集成，有效地驅(qū)動(dòng)硬件，最大限度的發(fā)掘硬件的潛力，使系統(tǒng)具有采集多種參數(shù)的能力。

2）異步時(shí)鐘統(tǒng)一技術(shù)：讓采集時(shí)間信號(hào)的數(shù)字量采集卡與采集數(shù)據(jù)的模擬量采集卡的時(shí)鐘達(dá)到統(tǒng)一，確保采集數(shù)據(jù)在試驗(yàn)時(shí)間序列上的準(zhǔn)確性。

3）可靠性技術(shù)：使硬件集成、軟件開發(fā)有高可靠性，讓軟件使用更加簡便，并具有較強(qiáng)的容錯(cuò)性。

4）抗干擾技術(shù)：針對(duì)小信號(hào)、遠(yuǎn)距離測量的特點(diǎn)，有效抑制干擾，提高信號(hào)質(zhì)量。

5）系統(tǒng)柔性開發(fā)技術(shù)：使軟、硬件具有較強(qiáng)的冗余度和可擴(kuò)展性。

4.1 系統(tǒng)硬件驅(qū)動(dòng)技術(shù)

基于VB6.0開發(fā)平臺(tái)的NI硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)是系統(tǒng)研制的核心技術(shù)。系統(tǒng)硬件設(shè)備共提供了基于VB6.0的底層驅(qū)動(dòng)函數(shù)。驅(qū)動(dòng)函數(shù)是與系統(tǒng)硬件交互唯一途徑，要全面的使用硬件功能，最大限度的開發(fā)硬件，就需要對(duì)這些驅(qū)動(dòng)函數(shù)進(jìn)行熟練的掌握與學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)的重要環(huán)節(jié)是進(jìn)行測試，測試的方法一般是通過信號(hào)發(fā)生器對(duì)板卡輸入一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，然后通過改變不同的函數(shù)設(shè)置，來觀察采集結(jié)果的變化，以掌握函數(shù)功能。這是能夠基于VB6.0成功開發(fā)NI硬件的基礎(chǔ)。

除了NI設(shè)備提供的底層驅(qū)動(dòng)函數(shù)外，根據(jù)需求，開發(fā)適用于軟件需求的專用函數(shù)是開發(fā)的關(guān)鍵，專用函數(shù)應(yīng)重點(diǎn)考慮通用性、容錯(cuò)性及運(yùn)行效率。專用函數(shù)主要用于實(shí)現(xiàn)源碼獲取、板卡配置、啟動(dòng)采集、源碼保存及采集停止等功能。

具備了底層函數(shù)和專用函數(shù)后，按照軟件組成和開發(fā)思路進(jìn)行軟件開發(fā)，開發(fā)流程為可行性評(píng)審、軟件架構(gòu)、代碼編寫、軟件測試及軟件投資。對(duì)于程序要進(jìn)行充分調(diào)試，最終實(shí)現(xiàn)可靠的進(jìn)行硬件驅(qū)動(dòng)。

系統(tǒng)硬件驅(qū)動(dòng)的重要基礎(chǔ)就是系統(tǒng)集成方式的正確性與適用性。硬件集成方式是在綜合考慮系統(tǒng)特點(diǎn)，采集參數(shù)特點(diǎn)，工作環(huán)境等因素來進(jìn)行的。首先，由于本系統(tǒng)主要用于采集應(yīng)變數(shù)據(jù)，另依據(jù)系統(tǒng)冗余度和可擴(kuò)展性要求，選擇32通道的模擬量輸入和開關(guān)量輸入功能。模擬量輸入可以采集應(yīng)變、壓力、溫度、位移等參數(shù)。數(shù)字量通道可以用來采集點(diǎn)火、關(guān)機(jī)時(shí)統(tǒng)信號(hào)，還可以采集開關(guān)量、階段、相位等信號(hào)。系統(tǒng)集成主要包含以下幾種方式。

1）系統(tǒng)轉(zhuǎn)接方式

系統(tǒng)主要應(yīng)用于應(yīng)變參數(shù)的采集，介紹應(yīng)變采集的系統(tǒng)接入方式，應(yīng)變采集使用三線制、后端配橋的方式，電纜使用4*0.5規(guī)格電纜（使用3芯），前端設(shè)置轉(zhuǎn)接箱，將主電纜接入轉(zhuǎn)接箱，進(jìn)行編號(hào)，和后端一一對(duì)應(yīng)，轉(zhuǎn)接箱中通過活動(dòng)電纜連接至安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上的傳感器。后端在機(jī)柜后面設(shè)置轉(zhuǎn)接板，主電纜直連接在轉(zhuǎn)接板上，從轉(zhuǎn)接板引出一段電纜進(jìn)入采集系統(tǒng)的接線端子，接線端子中按照1/4橋路的配橋方式接入。具體接線如圖3所示。

圖3 接線方式示意圖Fig.3 Diagram of wiring method

2）校準(zhǔn)方式

系統(tǒng)校準(zhǔn)采用電阻模擬應(yīng)變校準(zhǔn)儀，考慮到采集系統(tǒng)的供源方式為恒壓源，而前端傳感器到后端采集系統(tǒng)電纜總長達(dá)300 m以上，線路電阻對(duì)系統(tǒng)精度的影響較大，因此，采用前端校準(zhǔn)的方式，消除線路電阻影響。即：將校準(zhǔn)儀搬至前端轉(zhuǎn)接箱處，接入轉(zhuǎn)接箱的對(duì)應(yīng)通道，加入不同的標(biāo)準(zhǔn)值，后端采集系統(tǒng)采集后，使用標(biāo)準(zhǔn)值與獲得采集數(shù)擬合曲線，獲得系統(tǒng)斜率。

硬件集成與軟件開發(fā)過程中，需要反復(fù)進(jìn)行硬件、軟件的調(diào)試，對(duì)于硬件集成不合理的地方進(jìn)行更改，對(duì)于軟件調(diào)試中的各種問題進(jìn)行處理，最終實(shí)現(xiàn)軟件對(duì)硬件的正確、可靠驅(qū)動(dòng)。

4.2 可靠性技術(shù)

在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試車中，系統(tǒng)可靠性是一個(gè)至關(guān)重要的方面，需要在系統(tǒng)研制的各個(gè)方面確?？煽啃?。

采集處理系統(tǒng)的可靠性首先是硬件設(shè)備的可靠性，硬件集成選用成熟的NI解決方案，接插件使用高可靠性自鎖接插件，對(duì)于焊接制作的轉(zhuǎn)接環(huán)節(jié)，嚴(yán)格控制工藝，逐點(diǎn)檢查，確保工藝制作可靠性。

在軟件設(shè)計(jì)時(shí)，硬件層的程序全部采用基于硬件提供驅(qū)動(dòng)函數(shù)的開發(fā)，硬件采集使用雙進(jìn)程方式，一個(gè)進(jìn)程專用于數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，另一進(jìn)程主要用于對(duì)記錄參數(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)字量顯示（含毫伏數(shù)和物理量值顯示切換）。兩進(jìn)程間通過映射方式，使數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、顯示互相關(guān)聯(lián)，又互不影響。保證了硬件層程序的可靠性，

軟件服務(wù)層的數(shù)據(jù)保存、數(shù)據(jù)處理過程中，系統(tǒng)信息、校驗(yàn)信息、零位信息等采用Access數(shù)據(jù)庫進(jìn)行保存，數(shù)據(jù)采用原碼自動(dòng)保存方式，同時(shí)自動(dòng)在專用數(shù)據(jù)備份目錄中進(jìn)行數(shù)據(jù)備份，保證了數(shù)據(jù)的安全可靠。

硬件與軟件交互時(shí)，硬件有可能出現(xiàn)未知的錯(cuò)誤，如：未打開硬件、未接入信號(hào)、硬件插槽有誤等情況，那么，軟件的容錯(cuò)性就顯得尤為重要，在硬件配置、采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)過程中如果出現(xiàn)錯(cuò)誤，則程序應(yīng)具有錯(cuò)誤出口、錯(cuò)誤提示等功能。因此，在進(jìn)行軟件開發(fā)時(shí)，對(duì)于每個(gè)與硬件交互的函數(shù)中，都提供了錯(cuò)誤出口，并且基于錯(cuò)誤位置給出了相應(yīng)的提示。這些錯(cuò)誤出口和提示在軟件的調(diào)試過程中發(fā)揮了很大的作用，基于錯(cuò)誤提示，就可以尋找相應(yīng)的錯(cuò)誤位置，就可以對(duì)該位置的程序進(jìn)行檢查、修正等。

4.3 抗干擾技術(shù)

應(yīng)變數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所采集的參數(shù)信號(hào)屬于弱小信號(hào)，即信號(hào)大小通常在毫伏級(jí)，小信號(hào)測量中比較重要的一個(gè)環(huán)節(jié)就是抑制干擾。信噪比的大小影響著所采信號(hào)的準(zhǔn)確性和可靠性，抗干擾技術(shù)是從硬件和軟件兩個(gè)方面來進(jìn)行的。

硬件方面，一是有效接地，通過試驗(yàn)對(duì)比，接地方式為對(duì)采集系統(tǒng)硬件機(jī)箱一端進(jìn)行接地，一端接地的方式避免了地勢(shì)電位差；二是制作系統(tǒng)屏蔽，應(yīng)變采集為3線制，在制作電纜時(shí)，焊接主電纜屏蔽，有效降低傳輸過程中的噪聲干擾；三是選擇程控濾波器，硬件設(shè)備上選擇具有較大可調(diào)范圍的程控濾波器，便于按照信號(hào)穩(wěn)定度對(duì)濾波進(jìn)行隨時(shí)調(diào)整。

軟件方面，一是通過有效截止頻率輸入，來抑制噪聲，通過進(jìn)行多次采集試驗(yàn)，得到穩(wěn)定的截止頻率值；二是對(duì)數(shù)字濾波方式，采集數(shù)多點(diǎn)平均，對(duì)于校驗(yàn)過程中每個(gè)采集點(diǎn)采用多點(diǎn)平均方式，保證采集數(shù)據(jù)的平穩(wěn)性；三是在數(shù)據(jù)處理軟件中，對(duì)無效、異常參數(shù)進(jìn)行剔除。

這些措施，有效的解決了小信號(hào)測量中的干擾問題。

4.4 異步時(shí)鐘統(tǒng)一技術(shù)

系統(tǒng)包含了模擬量采集功能和數(shù)字量采集功能，兩種采集硬件都有獨(dú)立的時(shí)鐘，在發(fā)動(dòng)機(jī)試車過程中，對(duì)于時(shí)鐘精度要求非常高，通常要求1000 s的累計(jì)時(shí)間誤差小于10 ms。因此，兩種采集硬件異步時(shí)鐘能否達(dá)到高精度統(tǒng)一非常重要，系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集的時(shí)鐘是采集設(shè)備的硬件時(shí)鐘，硬件時(shí)鐘具有非常高的時(shí)鐘精度，達(dá)到納秒級(jí)，硬件時(shí)鐘通過軟件配置后下載到板卡來實(shí)現(xiàn)，而兩塊采集卡的時(shí)鐘統(tǒng)一是通硬件設(shè)備的時(shí)鐘進(jìn)行同步，通過軟件配置數(shù)字量和模擬量采集設(shè)備的硬件采集時(shí)鐘，硬件時(shí)鐘同步性遠(yuǎn)高于軟件同步性，通過多次測試，系統(tǒng)累計(jì)誤差與其他系統(tǒng)保持一致，滿足要求。數(shù)據(jù)存取使用的是基于VB的高精度TIMER。滿足了高采樣速率下的數(shù)據(jù)存取、能夠保證采集卡緩存正常不溢出。

4.5 系統(tǒng)柔性開發(fā)技術(shù)

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是研制一套基于應(yīng)變參數(shù)采集，集多類型、多測點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集、校驗(yàn)、處理為一體的綜合數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，要求系統(tǒng)具有很強(qiáng)的柔性。

系統(tǒng)通道有1/3備份、選用的混合式多槽采集機(jī)箱可以擴(kuò)展PXI、SCXI多種設(shè)備，采用了多樣性的信號(hào)接入方式，軟件上具有多類型參數(shù)設(shè)置、各種設(shè)備配置（采樣速率、橋路方式、濾波、激勵(lì)源等）均可調(diào)。處理軟件集合了壓力、溫度、應(yīng)變等多參數(shù)處理能力。

系統(tǒng)柔性開發(fā)的理念，貫穿了系統(tǒng)調(diào)研、方案制定、硬件集成、軟件開發(fā)、系統(tǒng)調(diào)試的整個(gè)過程。目前，通過簡單改造，系統(tǒng)已應(yīng)用于高采樣速率的（5 kHz/單通道）動(dòng)應(yīng)變參數(shù)的采集，證明研制的應(yīng)變數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)達(dá)到了柔性化開發(fā)目標(biāo)。

5 系統(tǒng)驗(yàn)證

系統(tǒng)開發(fā)完成后，進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試。分別從采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、校驗(yàn)數(shù)據(jù)的正確性與線性度、采集數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性、數(shù)字量通道驗(yàn)證、系統(tǒng)的可靠性五個(gè)方面進(jìn)行調(diào)試驗(yàn)證。

表1、表2、表3分別給出了應(yīng)變值、電壓值、長程數(shù)據(jù)的比對(duì)結(jié)果。

表1 應(yīng)變值對(duì)比Tab.1 Comparison of strain values

調(diào)試結(jié)果：系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)源加載值的相對(duì)誤差范圍在千分之一以內(nèi)，系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)正確。

表2 電壓值對(duì)比Tab.2 Comparison of voltage values

調(diào)試結(jié)果：理論計(jì)算的加載電壓值與采集系統(tǒng)測量電壓值的相對(duì)準(zhǔn)確度都在99%以上，系統(tǒng)所采電壓值與加載電壓值一致，數(shù)據(jù)正確。

表3 長程數(shù)據(jù)對(duì)比Tab.3 Comparison of long duration data

調(diào)試結(jié)果：通過2次長時(shí)間的連續(xù)采集，第一次采集時(shí)間12916 s，數(shù)據(jù)文件大小322900 KB，時(shí)間文件大小10091 KB；第二次采集時(shí)間12090 s，數(shù)據(jù)文件大小302250 KB，時(shí)間文件大小9446 KB，檢查所采集到的數(shù)據(jù)文件、時(shí)間文件完整，經(jīng)過處理，數(shù)據(jù)和時(shí)間均正確，數(shù)據(jù)在長時(shí)間采集中穩(wěn)定在2 μv的差值范圍內(nèi)，由此驗(yàn)證了長程采集時(shí)的數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，系統(tǒng)長時(shí)間采集穩(wěn)定。

系統(tǒng)還進(jìn)行了工況模擬驗(yàn)證、軟件功能測試、校驗(yàn)數(shù)據(jù)線性度對(duì)比等全面的系統(tǒng)調(diào)試工作，調(diào)試結(jié)果證明，系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)、功能均正常，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

研制的應(yīng)變數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)至今已承擔(dān)地面熱試任務(wù)10次以上，采集參數(shù)200個(gè)以上，采集時(shí)間超過5000 s，系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)正常、時(shí)統(tǒng)信號(hào)與其他系統(tǒng)一致，為試驗(yàn)提供了準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)報(bào)告。

6 結(jié)論

研制的緩應(yīng)變數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是集數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析、通道校驗(yàn)為一體的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)地面試驗(yàn)測試設(shè)備，具有多類型、多通道參數(shù)采集的特點(diǎn)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)最大程度的程控操作，功能完善、操作簡便、性能穩(wěn)定可靠。滿足液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)地面試車中的參數(shù)采集、數(shù)據(jù)分析、處理的要求，滿足研制需求。

新系統(tǒng)的研發(fā)突破了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，具有獨(dú)立硬件集成和軟件開發(fā)特點(diǎn)的綜合性數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。采集設(shè)備選用模塊化PXI和SCXI結(jié)合的總線方式，具有較強(qiáng)的可擴(kuò)展性，軟件開發(fā)過程進(jìn)行了軟件可行性評(píng)審、軟件架構(gòu)、代碼編寫、軟件測試等開發(fā)技術(shù)。使軟件的可靠性得到了保證，實(shí)現(xiàn)了VB6.0平臺(tái)對(duì)NI采集硬件的深度開發(fā)。

經(jīng)過調(diào)試與一段時(shí)間的與地面熱試使用，新系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)，采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，已作為試驗(yàn)區(qū)應(yīng)變數(shù)據(jù)測量的主系統(tǒng)，成為其他特殊信號(hào)、小信號(hào)測量的輔助系統(tǒng)、也成為關(guān)鍵參數(shù)測量主系統(tǒng)的有效備份和補(bǔ)充。提升了試驗(yàn)區(qū)的測量系統(tǒng)能力。

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