加速度計(jì)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉瑩++解啟瞻++魏玫

摘 要：為滿足大批量加速度計(jì)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)處理的高可靠性、高準(zhǔn)確度和高效率的需求，基于虛擬儀器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，依據(jù)加速度計(jì)檢定規(guī)程，設(shè)計(jì)了一種加速度計(jì)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。測(cè)試結(jié)果表明：系統(tǒng)人機(jī)交互界面友好，能夠快速處理大批量加速度計(jì)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，大大節(jié)省了加速度計(jì)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)處理、證書(shū)出具和原始記錄出具的人力和時(shí)間資源，實(shí)用性強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：加速度計(jì) 校準(zhǔn) 數(shù)據(jù)處理 虛擬儀器

中圖分類號(hào)：TP2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）11（c）-0007-03

Abstract：To meet the high reliability， high accuracy and high efficiency need of calibration data processing for mass accelerometer， based on VI and computer technology， according to the V.R of accelerometer calibration， a kind of calibration data processing system for mass accelerometer has been developed. Testing results show that， the system has a friendly man-machine surface， and can quickly process large quantities of accelerometer calibration data. The system has very strong practicability.

Key Words：Accelerometer； Calibration； Data processing； VI

加速度計(jì)通常與適調(diào)儀配用，用于振動(dòng)與沖擊加速度的測(cè)量[1]。在直升機(jī)領(lǐng)域內(nèi)，加速度計(jì)常被用做監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)故障和結(jié)構(gòu)損傷等的感知設(shè)備，在航空航天、汽車電子、地質(zhì)勘探等領(lǐng)域內(nèi)，加速度計(jì)的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。通常，為保證加速度計(jì)能夠獲得準(zhǔn)確的加速度測(cè)試數(shù)據(jù)，需周期性對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)，維持加速度計(jì)的準(zhǔn)確度，避免檢測(cè)時(shí)誤判[2]。但隨著加速度計(jì)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，加速度計(jì)的校準(zhǔn)工作量也越來(lái)越大，對(duì)于計(jì)量工作者而言，經(jīng)常一次就需要校準(zhǔn)幾十甚至是上百枚加速度計(jì)，校準(zhǔn)完成后將會(huì)得到大量的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，還需要進(jìn)一步對(duì)這些校準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果判定所校加速度計(jì)是否合格，并出具原始記錄和校準(zhǔn)證書(shū)。而如果用傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方法對(duì)每一個(gè)加速度計(jì)的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并手動(dòng)調(diào)整數(shù)據(jù)格式使其滿足原始記錄和校準(zhǔn)證書(shū)的要求是非常困難的，且單個(gè)加速度計(jì)的數(shù)據(jù)處理時(shí)間長(zhǎng)，數(shù)據(jù)處理效率低，無(wú)法滿足大批量加速度計(jì)的校準(zhǔn)需求。

為此，本文根據(jù)加速度計(jì)的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)處理原理，針對(duì)加速度計(jì)的多參數(shù)、大批量校準(zhǔn)的特點(diǎn)，以及對(duì)高可靠、高性能、高效率提出的要求，基于虛擬儀器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，依據(jù)加速度計(jì)檢定規(guī)程，構(gòu)建一種高自動(dòng)化的加速度計(jì)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

1 加速度計(jì)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)處理基本原理

依據(jù)壓電加速度計(jì)檢定規(guī)程JJG 233-2008，在首次和使用過(guò)程中，加速度計(jì)的檢定項(xiàng)目均包括參考靈敏度、靈敏度頻率幅值響應(yīng)和靈敏度幅值線性度3個(gè)項(xiàng)目。

1.1 參考靈敏度

參考靈敏度的檢定是指在參考頻率和參考加速度條件下確定被檢加速度計(jì)的靈敏度。被檢加速度計(jì)的輸出與所承受的加速度值之比即為參考靈敏度幅值。需要時(shí)，測(cè)量?jī)芍患铀俣扔?jì)的輸出比。

使用中，加速度計(jì)參考點(diǎn)靈敏度數(shù)據(jù)處理時(shí)，需要根據(jù)規(guī)程要求，將各加速度計(jì)參考點(diǎn)的靈敏度數(shù)據(jù)提取出來(lái)，寫(xiě)入到保存文件中。而在首次對(duì)加速度計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，還需要計(jì)算加速度計(jì)的靈敏度誤差，靈敏度誤差計(jì)算公式一般如式（1）所示[3]：

（1）

式中：為靈敏度出廠值；為加速度計(jì)實(shí)測(cè)參考靈敏度。

1.2 靈敏度幅頻響應(yīng)

靈敏度幅頻的檢定一般采用振動(dòng)連續(xù)掃描法、逐點(diǎn)法或隨機(jī)激勵(lì)法，在工作頻率范圍內(nèi)，以1/3倍頻程頻率序列選取7～12個(gè)頻率點(diǎn)，計(jì)算各頻率下的靈敏度幅值。靈敏度幅頻響應(yīng)以參考靈敏度幅值的相對(duì)偏差表示。

根據(jù)檢定規(guī)程的計(jì)量性能要求，加速度計(jì)的靈敏度幅頻響應(yīng)應(yīng)在±5或±10之間。

靈敏度幅頻響應(yīng)數(shù)據(jù)處理，即是提取各頻率點(diǎn)下的靈敏度幅值和靈敏度幅頻響應(yīng)，分析各頻率點(diǎn)頻響絕對(duì)值最大值，判定其是否滿足±5或±10的計(jì)量性能要求，給出判定結(jié)果。

1.3 靈敏度幅值線性度

靈敏度幅值線性度檢定是在實(shí)際使用的加速度幅值范圍內(nèi)選取5～10個(gè)點(diǎn)，包括最大和最小加速度，進(jìn)行靈敏度幅值的檢定。對(duì)加速度幅值范圍不大的情況，靈敏度的幅值線性度用檢定點(diǎn)的靈敏度幅值相對(duì)于參考靈敏度幅值的相對(duì)偏差來(lái)表示。

根據(jù)檢定規(guī)程的計(jì)量性能要求，加速度計(jì)的靈敏度幅值線性度應(yīng)在±3之間。

加速度計(jì)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)靈敏度幅值線性度數(shù)據(jù)處理與靈敏度頻響數(shù)據(jù)處理原理一致，即讀取加速度計(jì)在各加速度值下的靈敏度幅值和靈敏度幅值線性度，分析靈敏度幅值線性度絕對(duì)值最大值，判定其是否滿足±3之間，據(jù)此判定加速度計(jì)的靈敏度幅值線性度性能是否合格。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

加速度計(jì)校準(zhǔn)系統(tǒng)的原理如圖1所示?？刂葡到y(tǒng)控制NI采集卡輸出模擬信號(hào)，通過(guò)功放調(diào)理后加載至標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)。標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)上背靠背貼合的標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)和被測(cè)加速度計(jì)同步獲取振動(dòng)信號(hào)，利用壓電效應(yīng)將振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為微弱電信號(hào)[4]。微弱電信號(hào)經(jīng)過(guò)前置預(yù)處理模塊放大等處理后，在控制系統(tǒng)控制下由NI數(shù)據(jù)采集卡采集。在控制系統(tǒng)上對(duì)信號(hào)實(shí)時(shí)預(yù)處理，保存數(shù)據(jù)。然后在校準(zhǔn)數(shù)據(jù)處理平臺(tái)上作進(jìn)一步分析和處理，并按照校準(zhǔn)證書(shū)格式要求保存數(shù)據(jù)。endprint

加速度計(jì)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)預(yù)處理完成后，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)保存在Excel文件中。該部分功能由PCB公司提供的標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)臺(tái)配套的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)完成。而校準(zhǔn)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是整個(gè)加速度校準(zhǔn)系統(tǒng)的核心部分，主要完成兩個(gè)功能：一是對(duì)預(yù)處理完成的數(shù)據(jù)作進(jìn)一步處理，得到最終的加速度計(jì)校準(zhǔn)結(jié)果；二是根據(jù)加速度計(jì)校準(zhǔn)證書(shū)和原始記錄要求，對(duì)處理完成的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)和校準(zhǔn)結(jié)果格式進(jìn)行調(diào)整，并保存數(shù)據(jù)?？傮w流程如圖2所示。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

LabVIEW是由美國(guó)國(guó)家儀器公司NI推出的虛擬儀器（Virtual Instrument，VI）開(kāi)發(fā)工具，它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所接受，視為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件[5]。LabVIEW程序又稱虛擬儀器，即VI，VI由兩部分組成，前面板和程序框圖。

校準(zhǔn)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)基于LabVIEW軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)前面板設(shè)計(jì)見(jiàn)圖3，整個(gè)操作界面控制按鈕較少，用戶操作起來(lái)十分方便。利用加速度計(jì)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)分析加速度計(jì)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)時(shí)，選擇文件路徑，設(shè)置相關(guān)參數(shù)后，點(diǎn)擊“開(kāi)始分析”按鈕，便可啟動(dòng)程序，進(jìn)行校準(zhǔn)數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)處理完成后，點(diǎn)擊“退出”按鈕，即可退出VI程序。

靈敏度幅值響應(yīng)數(shù)據(jù)處理及其程序設(shè)計(jì)是系統(tǒng)的重要組成部分。該部分程序設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到因加速度計(jì)的應(yīng)用場(chǎng)合不同，送校時(shí)，客戶要求的校準(zhǔn)頻率范圍不一，導(dǎo)致預(yù)處理后得到的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)中的校準(zhǔn)頻率點(diǎn)存在差異，所以為了避免頻率點(diǎn)混淆造成數(shù)據(jù)出錯(cuò)，程序中，須將各加速度計(jì)的校準(zhǔn)頻率點(diǎn)數(shù)據(jù)提取出來(lái)。加速度計(jì)靈敏度幅值響應(yīng)數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計(jì)思想是，首先根據(jù)預(yù)處理的加速度計(jì)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的保存特點(diǎn)，分別提取各個(gè)加速度計(jì)的編號(hào)、校準(zhǔn)頻率點(diǎn)、各頻率點(diǎn)處的靈敏度幅值和靈敏度幅值響應(yīng)。再分析各加速度計(jì)靈敏度幅值響應(yīng)的最大值，并判斷其是否滿足±5%的計(jì)量性能要求，給定頻響測(cè)試結(jié)論。

加速度計(jì)幅值線性度數(shù)據(jù)處理程序，先是從預(yù)處理后的數(shù)據(jù)文件中提取加速度計(jì)的編號(hào)、各幅值測(cè)試點(diǎn)處的靈敏度值和幅值線性度，分析幅值線性度絕對(duì)值最大的點(diǎn)，判斷其是否滿足±3%的計(jì)量性能要求，根據(jù)判斷結(jié)果給出線性度測(cè)量結(jié)論。圖4為本系統(tǒng)的程序框圖。

4 軟件測(cè)試與應(yīng)用

加速度計(jì)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，為了研究軟件系統(tǒng)的性能，將系統(tǒng)用于某批次加速度計(jì)的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的處理中，對(duì)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。該批次加速度計(jì)含兩個(gè)型號(hào)，6個(gè)軸，一個(gè)軸對(duì)應(yīng)一個(gè)Excel文件，分別為編號(hào)131525傳感器的X、Y、Z軸和編號(hào)為CA3ZYD220V-100-00009的X、Y、Z軸的數(shù)據(jù)。

圖5為軟件運(yùn)行之后得到的數(shù)據(jù)處理結(jié)果。軟件測(cè)試結(jié)果為得到一個(gè)excel文件，該文件內(nèi)包含四部分內(nèi)容，分別為參考靈敏度幅值數(shù)據(jù)、靈敏度頻率響應(yīng)數(shù)據(jù)、靈敏度幅值線性度數(shù)據(jù)和校準(zhǔn)結(jié)論。其中各加速度計(jì)的靈敏度頻率響應(yīng)數(shù)據(jù)第一行為測(cè)量頻率點(diǎn)，第二行為各頻率點(diǎn)處的靈敏度幅值以及最大靈敏度幅值頻響。靈敏度幅值線性讀數(shù)據(jù)為各加速度值下的靈敏度值以及最大靈敏度幅值線性度。校準(zhǔn)結(jié)論部分顯示了系統(tǒng)對(duì)所校準(zhǔn)加速度計(jì)的頻響和線性度的判定結(jié)果。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)清晰，結(jié)論明了，能夠滿足加速度計(jì)校準(zhǔn)和證書(shū)出具的要求。

5 結(jié)語(yǔ)

為了提高大批量加速度計(jì)的校準(zhǔn)效率和準(zhǔn)確度，基于LabVIEW軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)了一個(gè)加速度計(jì)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。系統(tǒng)具有友好的人機(jī)交互界面，操作簡(jiǎn)單，設(shè)置參數(shù)少，方便實(shí)用。它能夠依據(jù)加速度計(jì)的檢定規(guī)程對(duì)加速度計(jì)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并通過(guò)分析判定給出校準(zhǔn)結(jié)論，效率得到提高的同時(shí)避免了人為判定帶來(lái)的錯(cuò)誤。另外，系統(tǒng)還能夠根據(jù)校準(zhǔn)證書(shū)和原始記錄的格式和數(shù)據(jù)要求，將數(shù)據(jù)處理結(jié)果保存在excel文件中，節(jié)省了校準(zhǔn)證書(shū)和原始記錄的出具時(shí)間，大大提高了工作效率，極大地降低了加速度計(jì)的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)處理工作量。

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