基于物聯網的MEMS加速度計測試分析系統(tǒng)設計

（哈爾濱工業(yè)大學 航天學院，哈爾濱 150001）

（哈爾濱工業(yè)大學 航天學院，哈爾濱 150001）

加速度計性能遠距離測試及對測試數據同時進行自動保存和自動分析處理是經常遇到的工程問題。針對這一問題，提出了基于物聯網的加速度計測試分析方法。應用物聯網技術設計了加速度計數據遠程自動采集系統(tǒng)，并實現了測試數據網絡共享功能。應用線振動試驗法實現了單軸 MEMS加速度計的性能自動測試，應用多項式擬合方法建立了加速度計的二階誤差修正模型。應用虛擬儀器軟件和工程數據庫技術設計了網絡環(huán)境下的測試系統(tǒng)軟件，并實現了對實驗數據的自動儲存、顯示、查詢、刪除、實驗報表打印與自動分析處理功能。實驗結果表明測試系統(tǒng)實現了遠程加速度計性能測試及實驗數據自動保存和自動分析功能。

物聯網；加速度計測試；振動臺；虛擬儀器；工程數據庫；自動分析

在航空航天工程中加速度計遠程測試是經常遇到的工程實際問題。目前，加速度計測試還沒有實現遠程實時測試，實驗數據不能同時自動保存和自動分析處理，不能實現網絡環(huán)境下的數據共享等技術問題。隨著物聯網技術的發(fā)展，加速度計傳感器網絡化測試及自動分析技術是未來該項測試技術的發(fā)展方向[1-3]。

國內外對加速度計測試技術進行了深入的研究。文獻[4]提出了一種改進的D最優(yōu)試驗設計方法，有效提高了加速度計離心試驗辨識精度。文獻[5]利用工程數據庫技術實現了加速度計振動校準測試數據管理，提高了測試數據的分析處理質量。文獻[6]論述了物聯網的關鍵技術及其應用模式。物聯網技術在工業(yè)控制領域已有廣泛的應用，文獻[7]闡述了一種面向鋼鐵連鑄設備維護維修的工業(yè)物聯網框架。

本文針對上述問題設計和實現了加速度計性能自動測試系統(tǒng)。在振動臺上，采用了比較法實現對被測MEMS加速度計的性能測試。采用物聯網技術解決了實驗數據的遠程采集及網絡數據共享等問題。應用虛擬儀器技術和工程數據庫技術實現多路加速度計測試數據的自動采集、處理、顯示、自動保存以及報表打印，自動數據分析等實驗軟件系統(tǒng)功能。

1 網絡化測試系統(tǒng)設計

1.1 加速度計測試原理

線振動測試是加速度計測試方法之一，其特點是應用振動臺實現加速度計動態(tài)頻率特性測試，并且還可進行加速度計動態(tài)標定。根據“振動與沖擊傳感器測試標準[8]”，設計了加速度計測試系統(tǒng)。硬件組成原理框圖和系統(tǒng)實物照片見圖1和圖2，加速度計安裝方法是被測加速度計與校準加速度計通過螺栓背靠背的固定在支架上，支架鉚接在振動臺上，振動臺的振動方向與加速度計的敏感軸方向保持一致，安裝角度誤差允許在2′以內，此時安裝誤差對校準結果的影響可以忽略[9]。

圖1 測試系統(tǒng)硬件原理框圖Fig.1 Block diagram of the hardware system

圖2 測試系統(tǒng)實物照片Fig.2 Photo of accelerometer testing system

測試系統(tǒng)工作原理：穩(wěn)壓電源為每個加速度計傳感器、A/D-LAN轉換模塊、串口-LAN轉換模塊提供工作電壓，這些網絡化接口設備、攝像頭通過路由器連接在同一局域網內。計算機可通過網絡遠程訪問測試系統(tǒng)局域網，直接控制穩(wěn)壓電源、信號發(fā)生器、攝像頭等網絡設備，通過 A/D-LAN轉換模塊、串口-LAN轉換模塊直接讀取測試數據。

1.2 網絡化測試系統(tǒng)架構

遠程測試系統(tǒng)網絡架構有瀏覽器/服務器(B/S)、客戶端/服務器(C/S)、混合三種模式。C/S 結構將測試任務分解成多個子任務，由多臺計算機分工完成，服務器完成 DBMS(數據庫管理系統(tǒng))的核心功能。B/S 結構通過網頁瀏覽器控制服務器完成測試任務。

遠程測試系統(tǒng)具有數據量大、數據查詢靈活的特點，B/S結構下數據傳輸可能出現擁塞的情況，而且B/S結構比C/S結構更容易受網絡安全問題影響[10]。因此該測試系統(tǒng)采用 C/S結構。如圖 3所示，通過TCP/IP協議，客戶端可遠程控制測試設備，讀取測試數據，并可訪問本機數據庫。

圖3 測試系統(tǒng)網絡架構圖Fig.3 Network architecture of the system

1.3 傳感器網絡化

網絡化測試需要傳感器具有網絡化接口功能，即具有網絡尋址功能。目前市場上的傳感器接口有三種類型：網絡接口、數字接口、模擬接口。因此需要對數字接口、模擬接口的傳感器進行技術改造：對于模擬接口傳感器，目前用 A/D-LAN轉換模塊處理；對于數字接口傳感器，目前有串口-LAN轉換模塊處理，該系統(tǒng)被測加速度計(AKE190D-10)為模擬輸出。A/D-LAN轉換模塊為阿爾泰公司的 USB2851，標準加速度計(AKE192D-40)為數字輸出；串口-LAN轉換模塊采用研華EKI-1522。監(jiān)控攝像頭采用沃仕達網絡攝像頭。

1.4 網絡化設備控制

在網絡化測試系統(tǒng)中，需要對給傳感器供電的電源和激振器進行遠程控制，解決方法之一是應用具有網絡接口的D/A模塊提供控制信號，解決方法之二是直接使用帶有網絡接口的穩(wěn)壓電源和帶有網絡接口的函數信號源。因此，該測試系統(tǒng)采用 RIGOL公司帶有網絡化接口的穩(wěn)壓電源(DP800A)和函數信號源(DG2041A)。

1.5 路由器設置

遠程測試跨地域、跨網段，需要用路由器進行數據交換，因此需對路由器進行設置。數據采集端路由器需滿足如下要求：

① 路由器端口數量應滿足測試設備數量要求；

② 路由器IP設置為互聯網上的靜態(tài)IP地址；

③ 傳感器和網絡化轉換模塊、測試設備接入路由器，IP設置在同一局域網網段內。

用戶端路由器IP設置為互聯網上的靜態(tài)IP地址。用戶端計算機要保證硬件鏈路通暢，關閉防火墻。

2 軟件設計

測試系統(tǒng)開發(fā)軟件采用LabVIEW2010學生版，圖3為測試軟件功能框圖。測試軟件功能包括實驗基本信息錄入、參數設置、網絡化數據采集、數據顯示、網絡數據共享等，并通過數據庫實現了數據存儲、查詢、刪除、分析、顯示以及報表打印等功能。系統(tǒng)軟件功能原理框圖如圖4所示。

圖4 測試系統(tǒng)軟件功能框圖Fig.4 Block diagram of the software system

圖5 測試系統(tǒng)用戶界面Fig.5 User interface of the system

軟件分為3個功能模塊：用戶界面、數據采集模塊、數據庫管理模塊。測試軟件如圖5所示。

加速度計的數據采集應用LabVIEW軟件VISA函數庫內的 creat、writte、read、close函數和調用A/D-LAN轉換模塊提供的動態(tài)數據鏈接庫庫函數(USB2851E.dll)實現。

3 工程數據庫設計

應用Office Access2007軟件作為測試系統(tǒng)的工程數據庫。數據庫是關系型數據庫，它與LabVIEW軟件集成應用，可自動保存實驗專用數據。數據庫管理程序界面如圖6所示。數據庫庫結構包括：測試日期、測試時間、測試人員姓名、單位編碼、標準加速度計型號、被測加速度計型號、被測加速度計編號、測試頻率、標準加速度計輸出數據、被測加速度計輸出數據，幅頻特性測試數據、穩(wěn)定性測試結果、備注。

數據庫查詢條件為起始日期、終止日期、起始時間、終止時間、被測加速度計型號、被測加速度計編號、測試人員姓名、單位編碼等。分析功能可自動提供該被測加速度計的誤差、靈敏度、線性度、量程、穩(wěn)定性等參數。

圖6 測試系統(tǒng)數據庫管理界面Fig.6 Management panel of the database

4 加速度計測試理論

采用加速度計的二階數學模型：

式中，E為被測加速度計輸出電壓，a為被測加速度計輸入加速度，k0、k1、k2分別是加速度計的零偏、靈敏度、二階非線性系數。

根據線加速度計測試標準及任務要求，測試系統(tǒng)需要提供量程、靈敏度、零偏、非線性度、穩(wěn)定性等測試內容：

① 量程 采用機械振動法測量，加速度計輸出波形出現失真時的輸入加速度。

② 穩(wěn)定性 固定加速度計，使加速度計敏感方向平行于重力方向，即使加速度計始終測量1g加速度，1 s后開始記錄加速度計輸出，每隔30 s記錄一次，測試時間1 h。計算1g輸出的均值和均方差，均方差與均值之比為短期穩(wěn)定性。

③ k0、k1、k2及其不確定度 在某一固定頻率正弦輸入下，通過調節(jié)輸入信號幅值，可以得到一組峰值互異(ai，Ei)，結合式(1)得到一個方程組：

根據要求 n≥7，采用多項式擬合方法求解，最小二乘法正規(guī)方程為：

利用矩陣逆變換可解得參數矩陣K：

K中各項系數ki的標準偏差σi為：

ki的真值的置信區(qū)間：

式中，t 為學生分布臨界值，當自由度n-m及置信概率α已知時，可從學生分布表查得。

④ 線性度 加速度計線性度ξL為：

式中，EFS為被測加速度計最大輸出，(ΔEL)max是測試點與擬合直線間的最大偏差。

5 實驗結果與分析

對RION公司的AKE190D-10加速度計進行了如下測試：

① 分別在頻率200 Hz、280 Hz、300 Hz、315 Hz的正弦振動下進行動態(tài)標定，數據見圖7。

從圖7可以看出，振動頻率小于300 Hz時，加速度計靈敏度(斜率)無明顯變化，頻率為315 Hz時，靈敏度明顯增加，說明加速度計存在諧振現象，因此在加速度計帶寬內特性曲線變化不大，符合測試要求。

圖7 不同頻率下加速度計靈敏度特性曲線Fig.7 Accelerometer sensitivity characteristics curves at different frequencies

② 在頻率為280 Hz的正弦振動條件下進行多次動態(tài)標定，表1為某次測試的數據。

表1 280 Hz下加速度計性能測試數據T ab.1 Test data of accelerometer at 280 Hz

圖8為四次加速度計性能測試的輸出數據曲線，根據這些數據，通過LabVIEW軟件編程自動計算出振動頻率為280 Hz時加速度計的靈敏度、零偏、二階非線性系數、線性度。計算結果為：靈敏度為 273.4 mV/g，零偏為-9.06 mV，二階非線性系數mV/g2，穩(wěn)定性為0.44%，線性度為 0.91%，靈敏度測試偏差優(yōu)于0.88 mV/g，零偏測試偏差優(yōu)于2 mV，二階非線性系數測試偏差優(yōu)于5×10-4mV/g2。

表2為被測加速度計說明書提供的參數與測試結果的比較。

圖8 280 Hz下加速度計輸出特性曲線Fig.8 Accelerometer output characteristic curve at 280 Hz

表2 測試結果與標準參數的比較Tab.2 Test results vs. standard parameters

從表2可以看出，測試結果與被測加速度計說明書提供的參數相互比較沒有明顯偏差，考慮到測試誤差等因素，測試系統(tǒng)達到了測試要求。

6 結 論

應用物聯網技術、虛擬儀器技術、工程數據庫技術設計了加速度計測試系統(tǒng)，應用物聯網技術實現了傳感器數據遠程自動采集、數據網絡共享功能。利用線振動試驗法實現了單軸 MEMS加速度計的性能自動測試，應用多項式擬合方法建立了加速度計的二階誤差修正模型。應用虛擬儀器技術和工程數據庫技術設計了測試系統(tǒng)軟件，實現了對實驗數據的自動儲存、查詢、刪除與分析功能，完成了對被測加速度計量程、靈敏度、誤差、線性度、穩(wěn)定性等參數的自動分析處理。該項測試技術可實現對遠程加速度計性能的自動檢測、測試數據的自動保存及自動分析處理功能。

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基于物聯網的MEMS加速度計測試分析系統(tǒng)設計

高 樺，丁鍇鋮，向 凱

Design of MEMS accelerometer vibration test and analysis system based on Internet of Things

GAO Hua, DING Kai-cheng, XIANG Kai
(School of Astronautics, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)

Remote test and automatic data retention of accelerometers at the same time is a frequently encountered problem in engineering applications. An automatic testing and analysis method was proposed to solve this problem. The remote collection and data sharing of accelerometer’s testing data was achieved with Internet of Things technology, and the function of automatic testing and analysis of single-axis MEMS accelerometer was achieved with vibration test. Automatic storage, query, detection and analysis of testing data were realized based on database technology. The system was designed based on the virtual instrument, and it can provide the testing results of range, sensitivity, linearity, stability and other parameters of the accelerometer. Experimental results show that the system has achieved the function of remote test and analysis for accelerometers.

Internet of Things; accelerometer test; vibration table; virtual instrument; engineering database; automatic analysis

1005-6734(2014)06-0834-05

10.13695/j.cnki.12-1222/o3.2014.06.025

TB934；TH824+.4

A

2014-07-22；

2014-11-19

航空科學基金（20110177003）；哈爾濱工業(yè)大學“985”專業(yè)創(chuàng)新課程建設項目（2012-212）

高樺（1958—），男，副教授，從事慣性導航控制仿真技術及軟測量技術研究。E-mail：gaoh_01@sina.com