基于VC的沖擊加速度標準裝置測控系統(tǒng)

潘良明/上海市計量測試技術研究院

0 引言

隨著測控技術和虛擬儀器技術的不斷發(fā)展，以計算機作為儀器統(tǒng)一的硬件平臺[1]，基于VC或Labview等軟件平臺在測控系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應用。新研制的基于VC平臺的沖擊加速度標準裝置測控系統(tǒng)具有良好的人機界面，易操作，有效地實現(xiàn)了對沖擊加速度標準裝置的自動控制、校準參數(shù)的輸入、數(shù)據(jù)采集與處理以及數(shù)據(jù)的保存和打印等功能。

1 系統(tǒng)的硬件組成

系統(tǒng)硬件部分主要由氣動發(fā)生裝置、氣路控制裝置、放大器和信號調理設備以及數(shù)據(jù)采集卡等組成，其組成見圖1。

系統(tǒng)工作原理：利用壓縮空氣使彈體在瞬間加速后碰撞到砧子，從而使安裝在砧子上的標準沖擊加速度計和被校沖擊加速度計產(chǎn)生沖擊運動（標準沖擊加速度計和被校沖擊加速度計背靠背安裝在砧子上），沖擊加速度計的信號經(jīng)放大器和信號調理設備后，由數(shù)據(jù)采集卡采集并記錄其電信號時間響應，比較兩個傳感器信號的峰值來實現(xiàn)沖擊校準。裝置通過氣路控制裝置控制彈體彈射時所需的氣壓以控制彈體彈射速度，通過選用不同的砧子和墊層獲得校準所需的沖擊加速度值。

圖1 系統(tǒng)的硬件組成

2 系統(tǒng)的軟件結構

系統(tǒng)的軟件部分主要實現(xiàn)以下四種功能：信息輸入、沖擊控制（主要包括沖擊控制和數(shù)據(jù)采集處理等）、數(shù)據(jù)顯示和保存以及校準結果顯示保存或打印。考慮測控系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能較多，在軟件設計中，采用功能模塊的方式實現(xiàn)各部分功能。在軟件運行中，只需調用相應的模塊就能實現(xiàn)其對應的功能，其系統(tǒng)的總體結構和流程見圖2和圖3。

圖2 測控系統(tǒng)軟件總體結構圖

沖擊波形的脈沖時間很短，本標準裝置的脈沖時間0.1 ～ 10 ms，因而對數(shù)據(jù)采集和保存部分的要求很高，研制中控制機箱采用NI公司的PXI-1031，數(shù)據(jù)采集卡（DAQ）采用NI公司的PXI-5122和PXI-6025E，其中PXI-5122數(shù)據(jù)采集卡的實時采樣速率達100 MS/s，14-Bit的雙同步采樣，帶有去噪和抗混濾波器的100 MHz帶寬；PXI-6025E是200 KS/s，12-Bit，16路的模擬輸入多功能的數(shù)據(jù)采集卡，可方便地應用于VC、VB以及Labview等測量平臺，其性能完全能滿足使用要求。

軟件系統(tǒng)在啟動時，首先完成系統(tǒng)自檢，如相關儀器設備未連接好，程序將無法啟動，并提示檢查儀器連接。在輸入相關預設沖擊加速度值后，系統(tǒng)會自動設置沖擊觸發(fā)信號，同時準備一塊內存用以存放數(shù)據(jù)。當沖擊動作被執(zhí)行后，沖擊脈沖來到時，沖擊加速度計的信號通過放大器和信號調理設備將沖擊脈沖轉化為0～10 V的電壓。當此電壓量大于沖擊觸發(fā)信號時，系統(tǒng)就會自動連續(xù)高速采集，并將采集的數(shù)據(jù)放于預先開辟的內存中，完成采集。其后程序將內存中的數(shù)據(jù)取出，通過比較兩個傳感器的峰值實現(xiàn)沖擊校準，同時將計算結果顯示出來，這樣就完成了一次沖擊處理，等待下一次沖擊動作的發(fā)生。當沖擊動作全部執(zhí)行完成后，進行數(shù)據(jù)的保存、打印等功能。

圖3 測控系統(tǒng)流程圖

3 試驗數(shù)據(jù)

通過裝置產(chǎn)生的標準沖擊加速度值、重復性和穩(wěn)定性以及與沖擊國家基準的數(shù)據(jù)比對等試驗，對新研制的裝置測控系統(tǒng)進行驗證，其測試數(shù)據(jù)分別見表1、表2、表3和表4。

新研制裝置的沖擊加速度最小值為50 g，而最大值則達到10 000 g。從表1可見，在整個沖擊加速度范圍內除50 g（表中實際為56.4 g）外，與沖擊基準的最大的相對誤差均小于0.5%。（注：基于沖擊特性，通常對低于100 g的小量值沖擊，其測試結果不可避免地受沖擊墊層影響，其相對誤差一般都較大。）

通過5個穩(wěn)定的沖擊加速計對裝置的重復性進行測試，從表2的數(shù)據(jù)可以得出其重復性均小于0.5%。通過兩個標準沖擊加速度計在半年時間內，對裝置的穩(wěn)定性進行考核，從表4的數(shù)據(jù)可以得出其穩(wěn)定性小于0.5%。

表1 標準沖擊加速度測試值

表2 裝置的重復性測試

表3 裝置的穩(wěn)定性測試

表4 試驗比對

由表4可以看出，新研制的測控裝置與沖擊國家基準的測試數(shù)據(jù)的相對誤差的絕對值小于0.5%。綜合以上測試數(shù)據(jù)，裝置具有良好的重復性和穩(wěn)定性，其測試數(shù)據(jù)的準確性相對于目前沖擊國家基準2.0%的相對不確定度，也是十分理想的。

4 結論

圖4 傳感器信息輸入界面

圖5 沖擊結果顯示界面

基于VC開發(fā)的沖擊加速度標準裝置測控系統(tǒng)功能完備，具有良好的圖形用戶界面（見圖4和圖5），操作簡單，提高了數(shù)據(jù)的準確性和可靠性，減少了未實現(xiàn)自動校準時人員操作帶來的影響，同時較大地提高了沖擊校準的效率。目前，系統(tǒng)已在我院的沖擊加速度標準裝置中投入實際應用，效果良好。

[1]秦樹人. 虛擬儀器——測試儀器從硬件到軟件[J]. 振動、測試與診斷，2000, 20（1）：1-6.

[2]全國機械振動與沖擊標準化技術委員會. GB/T 20485.22-2008/ISO 16063-22: 2005[S]. 北京：中國標準出版社，2008.