基于虛擬儀器的高頻角振動測試系統研制

陳璐

(中航工業北京長城計量測試技術研究所，北京100095)

0 引言

角振動傳感器在航空、航天、艦船及兵器等領域均有重要的應用。在對傳感器進行動態校準，或進行反饋控制中，需要同時準確獲取幅頻特性和相頻特性參數時，角振動傳感器的精準溯源顯得尤為重要［1］。

為保證這些角振動傳感器的研制與生產，提高其技術指標的測量準確度，建立可實現量值溯源的絕對法測試系統具有重要意義［2］。目前國家或國防最高計量標準中都不包含角振動量，實際使用中的角振動量無法進行量值溯源。國內現有角振動臺的研制水平，與最高計量標準對角振動臺的要求還有一些距離，而且由于傳感器的動態特性要求比實際測試設備的工作頻率范圍要超出400 Hz，甚至600 Hz，另外慣性器件也正在朝高頻響、小型化的方向發展，這就需要我們對角振動臺的頻率范圍提出更高的要求。

高頻角振動測試系統基于高頻激光測速儀的設計原理，以平面光柵為合作目標，采用激光多普勒動態參數測量方法和光柵差動式激光干涉技術，復現角振動量值，并直接溯源于長度和時間，從根本上解決了普通激光干涉儀測量固體表面橫向運動時不可避免的多普勒信號的隨機相位效應，并提高了多普勒信號的信噪比。傳統的角振動測試系統需要對信號發生設備、激勵設備及各種傳感器件等多個儀器進行操控，步驟繁瑣，費時費力，整個系統體積大、自動化程度低、不便于設備升級。

虛擬儀器技術利用高性能的模塊化硬件，結合高效、靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應用。具有如下特點:①集成度高、體積小 (虛擬儀器使用計算機軟件完成大部分數據分析和處理功能，省去了大量的硬件，避免了顯示和存儲硬件的重復投資，大大減小了體積和重量);②配置靈活，便于維護、擴展和升級 (由于虛擬儀器系統的主要功能由軟件完成，用戶可以根據需求量身訂制，便于升級，大大延長了儀器的技術壽命);③開放性、模塊化 (虛擬儀器硬件體系結構由主機箱、控制器、各種外圍功能模塊組成。用戶可根據需要自由地構建硬件系統);④自動化程度高 (虛擬儀器中，測試任務的調度，數據的采集、分析、處理、存儲和輸出都可自動完成，大大降低人工處理數據中的錯誤率)。

在本文所闡述的基于虛擬儀器的高頻角振動測量系統中，將傳統角振動測量系統的激勵源發生與控制，振動臺狀態監測，包括氣壓、溫度、電壓、電流等參數的監測都集中由虛擬儀器軟件進行控制，簡化了測量步驟，節省了人力，從而提高了工作效率，縮短了測量時間。

本文主要介紹高頻角振動測量系統設計，對光柵信號處理算法進行重點研究，介紹了測量系統中虛擬儀器技術的應用，并對測量系統進行能力驗證［3］。

1 高頻角振動測量系統

高頻角振動測量系統結構框圖，如圖1所示。傳感器安裝在角振動臺的臺面上，由信號源產生不同頻率和幅值的電壓信號通過控制器控制功率放大器來驅動角振動臺，角振動臺將以某一給定的頻率和振幅產生正弦角運動。校準過程中，標準傳感器與被校傳感器同時安裝在角振動臺的臺面上 (比較法測量)或直接采用角振動臺的角度測量元件的輸出信號為標準信號 (絕對法測量)進行測量。

圖1 高頻角振動測量系統結構框圖

硬件部分主要包括光柵激光干涉儀、信號放大器、角振動臺和系統控制柜。其中，光柵激光干涉儀主要用來測量標準信號，將角振動量值直接溯源到長度量值;角振動臺作為激勵系統;系統控制柜則包含了數據采集、信號發生器和功率放大器，這部分集成了整個系統的核心設備，即虛擬儀器硬件。高頻角振動測試系統設備實物圖如圖2所示。

圖2 高頻角振動測試系統設備

在高頻角振動測量系統中，光柵信號的解調處理、降低波形失真是系統設計中的關鍵技術，也是本系統中借助虛擬儀器技術重點研究的對象。

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2 信號處理方法

2.1 光柵信號解調

在圖1中，光柵輸出兩路相位差為π/2電信號，經信號調理器放大后可以表示為

式中:h和k表示直流分量;a和b表示交流分量的幅值;φ表示兩路信號的相位。

當光柵運動時，相位隨之變化，Ux和Uy的交流分量按正弦規律變化并且兩者的相位差為π/2。如果將Ux和Uy輸出至示波器的x和y軸，將會產生一個旋轉矢量，形成李薩育圓。旋轉矢量每旋轉一周代表相位變化2π，對應的被測目標角位移為λ/2(λ為光柵柵距，此處為1200線/mm)，角位移和電信號的相位關系可表示為

經過調整光路及信號調理器，可使交流分量的幅值相等，通過濾波去除直流分量，此時兩路正交信號的相位可以表示為

Ux和Uy信號被數據采集系統數字化后形成2個離散信號系列 Ux［n］，Uy［n］。被測目標的位移 s［n］可通過下式計算:

由式 (5)中位移隨時間變化的離散時間系列數據，可以計算出被測目標的角位移、角速度、角加速度。

公式中的k的計算是非常重要的。正交信號的相位變化如圖3所示，A，B，C，D，E是數據采樣點，當光信號的相位增加時，采樣到的信號按從A至E的時間順序變化，在A向B點過渡時以及D向E點過渡時，k加1;反之，當光信號相位減少時，信號相位從E至A減少，在E向D過渡及B向A過渡時，k減1。在計算過程中反正切計算值取主值區間-0.5π至0.5π。k值變化可以簡單地確定，當信號相位從-0.5π向0.5π變化時，假定數據采集系統至少采集到3個點(圖中的 B，C，D)，各相鄰點間的相位變化小于0.5π，如果相鄰點間的相位變化大于0.5π，那就意味著k發生了變化，當相鄰點間相位變化Δθ＞0.5π時，k加1，當Δθ＜ -0.5π，k減1。

圖3 正交信號相位展開圖

軟件框圖程序，如圖4所示。

圖4 光柵信號解調處理軟件框圖

2.2 降低波形失真

2.2.1 信號非線性補償

由于各種干擾的存在，導致兩路測量的光電信號存在一個相位差，其輸出電壓表達式為

式中:δ為正交信號相位偏差。這種非線性的直觀表示就是李薩育圖形不再是圓，而是橢圓。綜合上兩式，可獲得橢圓方程

式中:B，C，D，E，F為橢圓方程系數。

已知數據采集系統獲得的Ux和Uy系列，可以采樣最小二乘法擬和出橢圓方程的系數，進而由B，C，D，E，F計算出h，k，a，b及δ。采用下式進行非線性補償 (橢圓修正)后獲得正交信號的相位:

非線性補償的過程不可能完全實時進行，一般要先測量一定量的數據計算出橢圓方程的系數，然后進行修正。當測量系統的橢圓方程系數在某個測量條件下保持不變時，可以實時進行非線性修正。圖5為Ux和Uy系列進行非線性補償前和補償后的李薩育圖形。

2.2.2 去干擾信號

對于干擾信號，由于其來源不同，其表現形式也多種多樣，本文針對系統中存在的兩種典型的干擾信號 (調頻干擾信號和周期性干擾信號)進行濾波處理。調頻干擾信號時域表達式為

圖5 光柵信號的李薩育圖形

式中:Uj為調頻干擾信號的幅度;ωj為調頻干擾信號的中心頻率;kfm為調頻斜率。在去除此類型干擾信號的過程中，首先將正弦信號按整周期進行分解，分別求取調頻干擾信號的中心頻率和調頻斜率，從而擬合出干擾信號，再逐一從有用正弦信號中減掉干擾信號成分，即實現濾波。系統中，信號頻率fn小于等于50 Hz時，采用此法進行濾波處理。其濾波前后的效果如圖6所示。其中淺色部分為濾波后的有用信號，深色部分為濾波前混有噪聲的信號。

圖6 調頻干擾信號濾波前后的效果圖

對于周期性干擾信號，濾波過程相對簡單，本文采用巴特沃斯低通濾波器實現濾波，并利用相位補償方法彌補由于濾波帶來的相位損失。測量系統中，信號頻率fn大于50 Hz時，采用此法進行濾波處理。其濾波前后的效果如圖7所示。

圖7 周期干擾信號濾波前后的效果圖

3 高頻角振動測量系統的虛擬儀器軟件

高頻角振動測試系統軟件針對光柵式外差激光干涉儀角振動校準裝置設計而成，主要用于對角加速度傳感器、角位移傳感器和角速度傳感器的測試與校準。整個軟件由硬件驅動模塊、數據處理模塊以及數據管理模塊三個功能模塊構成。測量系統計算機控制界面如圖8所示。

圖8 高頻角振動測量系統軟件界面

硬件驅動模塊包括系統參數設置、信號源控制和數據采集控制等。可實現對NI6115兩個模擬輸入通道的控制，NI6220多個模擬輸入通道的控制，以及通過GPIB接口實現對Tektronix AFG3022B信號源的控制。

數據處理模塊實現光電信號的解調和測試結果的處理，包括信號解調、濾波處理等算法。

數據管理模塊實現了數據保存、打印等功能。數據保存包括原始數據和波形圖片的保存，并能夠通過打印的方式將結果輸出。

本測試系統軟件主程序流程如圖9所示。測試系統支持單頻率和掃頻兩種模式的信號源。

本系統通過虛擬儀器技術實現對儀器硬件的控制，能夠根據用戶的設置產生不同頻率和幅值的正弦波、三角波、方波等信號，即單一頻率控制;也能夠根據用戶設置的起始/終止頻率、掃頻時間和信號幅值等參數，產生幅值不變，信號頻率在一定頻率范圍內進行線性變化的掃頻信號。

通過硬件的GPIB接口和相應的控制指令及語法，可以通過系統的虛擬儀器軟件設置儀器硬件的輸出。一般控制指令包括設置指令和查詢指令，前者可以用來改變儀器的某些參數或執行一些特殊的操作;通過后者則可以獲取儀器的某些狀態信息或儀器的一些數據。

圖9 測試系統軟件流程圖

本系統的虛擬儀器硬件是Tektronix AFG3022B，軟件設計中利用虛擬儀器軟件結構即VISA接口對硬件進行控制。首先，在LabVIEW平臺下，通過VISA Find Resource()和VISA Open()函數獲取硬件資源并打開一個與儀器的對話，這里資源名稱為“GPIB0::11::INSTR”，然后按照指令結構編輯各種指令，利用VISA庫中的VISA Write()和VISA Read()函數實現與儀器設備的對話即完成各種控制操作，最后通過VISA Close()函數關閉此次對話并清空緩存釋放資源。

4 高頻角振動測量系統能力測試

在系統角振動臺面上安裝某型號陀螺，作為被校對象，其輸出信號即被校通道輸出，將光柵激光干涉儀信號解調結果作為標準通道的輸出，設置不同的振動頻率和幅值進行能力測試，其位移失真度控制在3%以內，系統測試結果以及標準偏差如表1所示。

從試驗數據可以看出，在允許的失真度范圍內，系統完全能夠實現10～700 Hz頻率范圍內的測量，角加速度測量偏差能控制在5%以內，位移失真度最大不超過2.5%。

5 結論

本文研制的基于虛擬儀器的高頻角振動測試系統，在實現了對角振動量的絕對法測量的基礎上，又進一步提高了測量系統的自動化程度，擴大了能力范圍。基于虛擬儀器的高頻角振動測試系統的成功研制保證了陀螺性能指標的準確性測試，加快了陀螺研究和生產的步伐，同時也為我所對陀螺的研制和應用提供了有力的計量保障和動態測試手段，具有較大的社會效益和實用價值。

表1 高頻角振動測量和系統的測試結果以及標準偏差

［1］謝列金.激光陀螺及其應用 ［M］.北京:航空工業出版社，1992.

［2］姜亞南.環形激光陀螺儀 ［M］.北京:清華大學出版社，1985.

［3］ CHEN Lu，LI Xinliang，ZHANG Dazhi.Virtual Instrument Based High Frequency Angular Vibration Testing System ［A］.Proceedings of CIMM-PTB SEMINAR ON DYNAMIC MEASUREMENTS AND NANOMETROLOGY［C］.北京:2011.

［4］ LabVIEW Manual［Z］.2010.

［5］ Uchiyama N.Takagi S.Sano S.Design of discrete-time adaptive repetitive controllers and application to feed drive systems［J］.Journal of Systems and Control Engineering，2007，221(1):39-47.