基于LabVIEW的沖擊加速度傳感器校準(zhǔn)系統(tǒng)研究

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、儀器檢測等設(shè)備中的重要元件，目前在航空航天、武器制導(dǎo)、工程檢測等多個領(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等設(shè)備的精度，同時經(jīng)過較長時間的使用后其性能參數(shù)會發(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)中地球重力場校準(zhǔn)是利用地球重力場在±1 g 的加速度范圍內(nèi)對加速度傳感器進(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)振動法受限于振動臺的推力以及結(jié)構(gòu)設(shè)計等原因，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g 時，且需要得到加速度傳感器的加速度幅值線性度時，就需要通過沖擊校準(zhǔn)來實現(xiàn)。

中國計量科學(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)計了一種基于LabVIEW 的沖擊加速度傳感器校準(zhǔn)系統(tǒng)，可實現(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，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）計算，靈敏度校準(zhǔn)結(jié)果不確定度可參考國家標(biāo)準(zhǔn)評定。

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序列的最大峰值，單位為pC 或V。

線性度校準(zhǔn)時，按照加速度傳感器量程選取校準(zhǔn)點，依次改變沖擊幅值，分別讀取各個校準(zhǔn)點標(biāo)準(zhǔn)加速度傳感器采集的輸出信號序列的最大峰值uSi和被檢加速度傳感器采集的輸出信號序列的最大峰值uXi，做最小二乘法擬合按照公式（2）計算各個校準(zhǔn)點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，其計量性能指標(biāo)如表1所示，加速度套組定期經(jīng)國家沖擊加速度基準(zhǔn)檢定合格，可保證測量數(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算機(jī)為核心，配合NI PCI5105 高速數(shù)字化儀來實現(xiàn)加速度信號采集。

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，該沖擊信號即為加速度傳感器的激勵源。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經(jīng)電荷放大器轉(zhuǎn)化成電信號，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

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，均采用如上所述的采集及處理方式，最后通過計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，因為是兩路信號完全同步的采集，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)置主要包括采樣時間、采樣頻率和觸發(fā)電壓。因為沖擊加速度信號是一個典型的非周期瞬態(tài)信號，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。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，通過這個設(shè)置可以將采集到的電壓信號轉(zhuǎn)化為物理量，即對應(yīng)的加速度值的大小。另外，還有一個是濾波器的開關(guān)，是設(shè)置對加速度信號進(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，就是放大器的放大倍數(shù)設(shè)置。另外還包括一個是低通濾波部分，就是根據(jù)需要對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應(yīng)的速度波形以及對其進(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 測試驗證

4.1 示波試驗

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，采樣時間設(shè)置為10 ms，觸發(fā)電壓設(shè)置為150 mV。點擊示波按鈕，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

對于沖擊信號的檢測與分析，其時域波形所顯示的沖擊加速度峰值是一個非常重要的物理量，而要準(zhǔn)確的判斷所采集到的沖擊加速度信號的峰值，必須保證所采集到的沖擊信號是一條光滑的曲線。但在實際的沖擊試驗過程中，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，都會使所采集到的沖擊信號出現(xiàn)較大的失真，從而影響對其峰值的判斷[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如圖4所示，不設(shè)置濾波時其曲線明顯含有噪聲，其峰值不明顯。對其進(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曲線非常光滑，其時域峰值可以準(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)試驗及結(jié)果驗證

選取RSM-PDT（B）基樁動測儀高應(yīng)變加速度傳感器作為試驗驗證比對樣品，主要性能參數(shù)如表2所示。在1000～5000 m/s2范圍內(nèi)選取10 個校準(zhǔn)點，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，得到被檢加速度傳感器的靈敏度和線性度，同時該基樁動測儀也經(jīng)過中國計量科學(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

基于美國NI 公司LabVIEW 軟件平臺的沖擊加速度校準(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)的實時采集、分析、記錄和保存等，自動化程度高，降低了科研人員的工作強(qiáng)度，實現(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，可在全國范圍內(nèi)推廣使用。