動(dòng)態(tài)力傳感器校準(zhǔn)實(shí)例——?jiǎng)討B(tài)信號(hào)的采集與分析

趙靜

(中航工業(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京100095)

0 引言

力可以分為靜態(tài)力和動(dòng)態(tài)力。相應(yīng)的，力傳感器也有兩方面的特性，即靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性。靜態(tài)特性一般是指?jìng)鞲衅鲗?duì)于固定力值的一種響應(yīng)，動(dòng)態(tài)特性是指?jìng)鞲衅鲗?duì)于隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性。動(dòng)態(tài)力測(cè)試場(chǎng)合有很多，例如:航天技術(shù)中對(duì)火箭和導(dǎo)彈在發(fā)射過程中動(dòng)態(tài)推力的測(cè)試;飛機(jī)在飛行過程中發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)推力;各種火炮彈道動(dòng)態(tài)力的測(cè)試;戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈內(nèi)埋式彈射發(fā)射裝置三分量動(dòng)態(tài)力測(cè)試系統(tǒng)等。

動(dòng)態(tài)特性分為時(shí)間域指標(biāo)和頻率域指標(biāo)，時(shí)間域指標(biāo)往往通過高速瞬時(shí)的動(dòng)態(tài)信號(hào)來對(duì)傳感器進(jìn)行測(cè)試，查看傳感器的響應(yīng)時(shí)間。此動(dòng)態(tài)信號(hào)要求具有高速瞬時(shí)性，且力值可控。本文介紹了一種基于落錘沖擊的動(dòng)態(tài)力校準(zhǔn)裝置，并重點(diǎn)介紹了動(dòng)態(tài)力信號(hào)的采集方式和數(shù)據(jù)分析。

1 動(dòng)態(tài)力傳感器校準(zhǔn)裝置

動(dòng)態(tài)信號(hào)是指幅值大小隨時(shí)間變化的信號(hào)，常用的動(dòng)態(tài)信號(hào)有正弦信號(hào)、階躍信號(hào)、負(fù)階躍信號(hào)等。本校準(zhǔn)裝置用于測(cè)試動(dòng)態(tài)力傳感器的高頻響應(yīng)，目的是產(chǎn)生高速瞬時(shí)的動(dòng)態(tài)力信號(hào)，在此，選擇了負(fù)階躍力信號(hào)作為測(cè)試信號(hào)。即首先加載一定的力值，然后通過某種方式將力值迅速釋放為零，通過分析傳感器從力值輸出響應(yīng)到零狀態(tài)響應(yīng)的時(shí)間來判斷力傳感器的動(dòng)態(tài)性能。動(dòng)態(tài)信號(hào)從力值加載狀態(tài)到釋放為零的時(shí)間快慢是系統(tǒng)優(yōu)劣的關(guān)鍵。時(shí)間越短越有利于校準(zhǔn)動(dòng)態(tài)力傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

本項(xiàng)目中的校準(zhǔn)裝置由液壓站、力值加載系統(tǒng)、落錘系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)等組成。

總系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 總系統(tǒng)原理圖

力值加載系統(tǒng)是通過砝碼和液壓站來實(shí)現(xiàn)的，通過電機(jī)和電磁閥的協(xié)調(diào)工作供給工作油缸一定壓力，利用工作油缸之間的面積比即可實(shí)現(xiàn)力值的放大與加載力值大小的控制;力值的快速釋放是通過高速下落的錘體沖擊沖桿使卸荷材料斷裂來實(shí)現(xiàn)的。通過動(dòng)態(tài)采集力傳感器的輸出來實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試。

2 動(dòng)態(tài)力信號(hào)的采集設(shè)計(jì)

對(duì)力傳感器的輸出進(jìn)行采集是整個(gè)校準(zhǔn)過程中的一個(gè)極為重要的環(huán)節(jié)，以后的信號(hào)處理，力傳感器動(dòng)態(tài)指標(biāo)的計(jì)算都是以信號(hào)采集系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的，信號(hào)采集中產(chǎn)生的誤差將會(huì)直接影響對(duì)整個(gè)裝置的技術(shù)指標(biāo)的確認(rèn)。

國(guó)內(nèi)外動(dòng)態(tài)力傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)一般在100 kHz以內(nèi)，為了滿足精度要求并根據(jù)采樣定律，選擇采樣速率可以達(dá)到1 Msamples/s，即實(shí)現(xiàn)10倍的采樣速率。

最終通過比較不同廠家的采集卡，采用了在動(dòng)態(tài)高速采集領(lǐng)域占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的NI產(chǎn)品——?jiǎng)討B(tài)數(shù)據(jù)采集卡NI6132。

本采集卡的數(shù)據(jù)采集速率最大為2.5 MSamples/s，每秒鐘可以采集2.5 M個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，采集卡上有16 MS的緩存，為了保證數(shù)據(jù)采集的完整性，避免數(shù)據(jù)的丟失，可以在動(dòng)態(tài)采集的同時(shí)，將數(shù)據(jù)保存到板卡緩存中，待采集完成后，再保存至外圍設(shè)備，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，或者數(shù)據(jù)回放。

2.1 采集軟件的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

本部分軟件采用了LabVIEW2012實(shí)現(xiàn)，為了能夠采集到整個(gè)落錘沖擊過程又不至于采集的數(shù)據(jù)量過大，選擇1 MHz左右的采集速率，采樣時(shí)間可以設(shè)定為1～10 s之間，有限采樣方式。由于試驗(yàn)中落錘落下的時(shí)間不到1 s，可以由人為控制在落錘下落之前打開采集控制，然后再控制落錘落下。

軟件的基本功能框圖如下圖2所示。

圖2 軟件功能框圖

采集設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分:觸發(fā)采集與有限采集

由于傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間在十幾個(gè)微秒量級(jí)，這就對(duì)數(shù)據(jù)采集部分的采樣速度要求很高。如果采樣率設(shè)置過高，在一定時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)量巨大，這就提高了緩存要求。因此，采樣率和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量的協(xié)調(diào)配置非常重要。這就需要在實(shí)際試驗(yàn)中驗(yàn)證不同配置參數(shù)的采集效果。

LabVIEW軟件設(shè)計(jì)中采集有兩種方式可用:一種是有限點(diǎn)采集;一種是觸發(fā)采集。

1)有限點(diǎn)采樣

根據(jù)采樣定律，設(shè)定每一微秒采集一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，即采樣率為1 MHz，如果實(shí)驗(yàn)流程在10 s之內(nèi)，有限點(diǎn)數(shù)可以設(shè)定為10 M以內(nèi)，板上緩存16 M可以滿足需要，完全采集完畢后再進(jìn)行硬盤存儲(chǔ)。此種方案，對(duì)人為操作有限制，在點(diǎn)擊采集控制之后需要馬上進(jìn)行落錘沖擊試驗(yàn)，整個(gè)過程要控制在10 s之內(nèi)。

2)觸發(fā)采集

即設(shè)定觸發(fā)電壓，由于落錘落下時(shí)首先會(huì)對(duì)傳感器有一個(gè)瞬時(shí)的沖擊，這個(gè)沖擊力大于靜態(tài)力值，傳感器的輸出也有一個(gè)瞬時(shí)變化，可以將此瞬時(shí)電壓設(shè)定為觸發(fā)電壓，當(dāng)傳感器輸出達(dá)到觸發(fā)電壓時(shí)，開始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后采集2 s后自動(dòng)停止。這種方式需要傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能比較好，能夠?qū)λ矔r(shí)沖擊力產(chǎn)生響應(yīng)，此外，對(duì)此響應(yīng)值需要有一個(gè)預(yù)先估計(jì)。

上述兩種方式均進(jìn)行了試驗(yàn)，觸發(fā)采集到的數(shù)據(jù)量比較小，方便處理，但對(duì)某些動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較差的傳感器可能無法捕捉到觸發(fā)電壓，而導(dǎo)致無法完成采集操作。

2.2 軟件的時(shí)序設(shè)置

由于軟件需要對(duì)不同設(shè)備依次進(jìn)行操作，這不僅對(duì)操作的先后順序有很高的要求，而且對(duì)間隔操作之間的時(shí)間控制也有要求。在實(shí)際設(shè)計(jì)中不僅要考慮到校準(zhǔn)要求，同時(shí)也需要考慮到人員操作的習(xí)慣性。在實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)功能的前提下，同時(shí)要保證界面操作簡(jiǎn)單，人員上手容易，糾錯(cuò)容易等。

3 動(dòng)態(tài)信號(hào)數(shù)據(jù)分析

由于采集板卡周圍有各種控制電機(jī)和供電電源以及電荷放大器等電子設(shè)備，實(shí)際采集到的數(shù)據(jù)往往有一些高頻信號(hào)干擾，為了濾除干擾信號(hào)，軟件采用了低通濾波方式，并設(shè)置為100 Hz的低通濾波頻率，最終得到了容易辨識(shí)的信號(hào)。圖3為L(zhǎng)abVIEW程序的處理部分框圖。圖4為原始信號(hào)和濾波信號(hào)比較圖。

圖3 信號(hào)分析框圖

圖4 信號(hào)濾波比較圖

動(dòng)態(tài)信號(hào)時(shí)域分析中的一個(gè)重要指標(biāo)就是信號(hào)下降時(shí)間，即動(dòng)態(tài)傳感器對(duì)突變信號(hào)的一種及時(shí)響應(yīng)的性能分析。本項(xiàng)目中指的是傳感器在受到力值加載狀態(tài)到卸荷狀態(tài)的輸出響應(yīng)時(shí)間，由于實(shí)際試驗(yàn)中力傳感器在卸荷以后往往有一些小幅震蕩輸出，在此為了能夠靈活判斷下降沿和卸荷為零的位置，使用游標(biāo)固定在曲線的方式進(jìn)行定位，并根據(jù)采樣率得到每個(gè)點(diǎn)的采樣時(shí)間，通過游標(biāo)定位的X坐標(biāo)得到下降曲線的總采樣點(diǎn)，并通過點(diǎn)數(shù)和時(shí)間相乘得到下降時(shí)間。

某型號(hào)動(dòng)態(tài)傳感器采樣信號(hào)分析圖，局部放大圖如圖5所示。

圖5 信號(hào)分析局部放大圖

游標(biāo)示意圖如圖6所示。

圖6 游標(biāo)計(jì)算圖

下降時(shí)間為(4.165-4.164915)s=85 s

4 總結(jié)

本項(xiàng)目在動(dòng)態(tài)信號(hào)采集設(shè)計(jì)過程中，曾經(jīng)因?yàn)闊o限采樣和局部打包存儲(chǔ)而導(dǎo)致實(shí)際數(shù)據(jù)的丟失，后通過存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的時(shí)間與采樣率和采樣數(shù)據(jù)量的不一致而發(fā)現(xiàn)問題的關(guān)鍵，并及時(shí)修正為觸發(fā)采樣和有限采樣方式，并很好的應(yīng)用了硬件固有的緩存區(qū)域進(jìn)行了數(shù)據(jù)的一次性存儲(chǔ)。本項(xiàng)目是針對(duì)高速信號(hào)采集和處理的一個(gè)實(shí)例，對(duì)動(dòng)態(tài)傳感器的校準(zhǔn)研究作出了貢獻(xiàn)，并實(shí)際應(yīng)用在了某型號(hào)動(dòng)態(tài)力測(cè)試系統(tǒng)中。

由于項(xiàng)目需要，本文沒有進(jìn)行動(dòng)態(tài)信號(hào)的頻域分析，希望以后在動(dòng)態(tài)信號(hào)的處理方面進(jìn)一步研究頻率域的性能分析，為動(dòng)態(tài)傳感器等全面性能分析作出努力。

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