溫度、濕度、振動綜合環境試驗系統現場校準裝置研制

楊錦杰，冉學臣，梅現均

(國防科技工業5012 二級計量站，重慶400023)

0 引言

溫度、濕度、振動綜合環境試驗系統主要用于航天、航空、電子、通訊等科研及生產單位，其主要功能是在試驗箱內提供溫濕度變化環境，同時將振動應力施加到試驗產品上，供用戶對整機(或部件)、電器、儀器、材料等做溫度、濕度、振動綜合應力篩選試驗，以便考核產品的適應性或對產品的行為作出評價。

本裝置根據溫度、濕度、振動綜合環境試驗系統的特點而設計，應用虛擬儀器技術和網絡技術，僅用一套裝置解決了綜合試驗設備溫度、濕度、振動多參數的同步現場校準問題，保證了產品的質量，提高了工作效率。

1 校準裝置系統結構

校準裝置主要由測量傳感器、變送器、電荷放大器以及數據采集和控制器系統三大部分組成，裝置原理圖如圖1。

圖1 溫度、濕度、振動綜合環境試驗系統現場校準裝置原理圖

1.1 測量傳感器選型

溫度傳感器選用常用的四線制Pt100 鉑電阻傳感器，它體積小、響應快、靈敏度高。選用了兩種單軸向加速度傳感器:丹麥B＆K 公司的4371 電荷型加速度傳感器，美國ENDEVCO 公司的2271A 電荷型加速度傳感器，這樣選型可以保證加速度傳感器有更寬的量程和溫度范圍，以及傳感器質量大小對振動臺推力的影響，滿足不同溫度、濕度、振動綜合環境試驗系統校準的需要。同理，三軸向加速度傳感器選型也選用了兩種:丹麥B＆K 公司的4321 電荷型加速度傳感器和美國ENDEVCO 公司的2228C 電荷型加速度傳感器。

1.2 變送器和電荷放大器選型

溫濕度變送器選用奧地利E +E 公司的EE31 溫濕度變送器;對于電荷型放大器，我們選用丹麥B＆K 公司的2692C 電荷放大器。

1.3 組建數據采集和控制器系統

在自動化測量系統中，目前主要用到的先進技術規范有VXI 和PXI。VXI 規范和PXI 規范之間的主要差別在于它們各自的底層總線結構不同。VXI 規范基于VME 總線，主要用于滿足高端自動化測試應用的需要，然而，因為其成本太高以及使用VXI 規范的測量裝置尺寸大，限制其成為主流應用。而PXI 規范基于PCI 總線，PCI 總線在臺式計算機中廣泛應用，其裝置成本低。另外，由于使用PXI 規范的測量裝置尺寸小，所以它方便攜帶。基于以上因素考慮，本裝置所設計的數據采集和控制器選定PXI 技術規范，并以此為標準對整個系統進行構建。

一個PXI 系統由一個機箱、系統控制器以及數個外設模塊組成。機箱選用美國NI 公司的PXI －1042Q機箱，該機箱是帶通用電源的8 槽3U PXI 機箱，可滿足各種測試和測量應用的需求;系統控制器選用美國NI 公司的PXI －8108 控制器，PXI －8108 配有2.53 GHz 雙核處理器和800 MHz DDR2 內存;選用美國NI公司的PXI －4461 模塊作為PXI 信號源模塊;選用美國NI 公司的PXI－4462 模塊作為PXI 振動數據采集模塊，完成對振動傳感器數據的采集功能，PXI－4462 模塊具有4 路同步采樣模擬輸入通道， ±316 mV 到±42.4 V 輸入范圍，最高采樣速率達204.8 kS/s，118dB動態范圍，24 位分辨力，具有抗混疊濾波功能，完全滿足振動測量要求;選用兩塊美國NI 公司的PXI －4351 模塊分別作為PXI 溫度數據采集模塊和PXI 濕度數據采集模塊，完成對溫度和濕度數據的采集功能，PXI－4351 模塊配合鉑電阻測量時誤差為0.12℃，具有16 路電壓輸入，24 位分辨力，完全滿足溫度和濕度測量要求;選用美國NI 公司的PXI －6281 模塊作為預留接口，主要目的是為今后進一步開發和完善本系統做準備。

我們將兩塊TBX －68T 接線盒、交直流電源轉換器等封裝起來，做成鉑電阻和溫濕度變送器的便攜式接口適配器，如圖2 所示。

圖2 鉑電阻和溫濕度變送器的便攜式接口適配器實物圖

接口適配器包括16 路溫度通道、4 路濕度通道。由于采用四線制PT100 和EE31 溫濕度變送器，所以需要對五芯接口進行定義。溫度通道的五芯接口定義為:1，信號1;2 ，信號2;3，RES;4，信號1;5，信號2;濕度通道的五芯接口定義為:1，電流/電壓+;2，5V+;3，24V+;4，GND;5，RES。測量溫濕度時，可直接將傳感器插頭插入五芯接口，再將接口適配器的68PIN 電纜接頭與PXI 機箱中的4351 采集卡連接即可。

2 校準方法

溫度、濕度、振動綜合環境試驗系統的現場校準按JJF1270 －2010 《溫度、濕度、振動綜合環境試驗系統》校準規范分為三個大步驟:首先單獨對環境試驗箱溫度、濕度參數進行校準;然后單獨對振動試驗系統進行校準;最后對綜合試驗系統進行三參數的綜合校準。

這里重點介紹對綜合試驗系統進行三參數的綜合校準。綜合校準分為5 個小步驟:①確保三綜合試驗設備的振動臺處于垂直狀態，臺面空載、整個三綜合試驗設備無負載。②將溫度傳感器、濕度傳感器和振動傳感器同時放入其中，并安裝牢固，接通三綜合試驗設備的電源，將其溫濕度控制儀表調到溫度70℃和濕度80%RH，等溫度和濕度達到規定值并穩定后，啟動設置好的振動臺，等待30 min 后，應用本裝置同時對溫度、濕度和振動信號進行采集，對溫度值、濕度值和振動加速度幅值示值誤差等技術指標進行實時顯示，并記錄環境試驗箱的溫度、濕度示值，按標準規范的計算公式分析各種技術指標。③將其溫濕度控制儀表調到溫度－55℃，變溫速率≥5℃/min，在變溫過程中，應用本裝置對溫度和振動信號進行采集，計算變溫速率和振動加速度幅值示值誤差等指標。④停止振動臺，等溫度達到規定值并穩定后，啟動設置好的振動臺，等待30 min 后，應用本裝置同時對溫度和振動信號進行采集，對溫度值、振動試驗系統動態范圍等技術指標進行實時顯示，并記錄環境試驗箱的溫度示值，按校準規范的計算公式分析各種技術指標。⑤將其溫濕度控制儀表調到溫度70℃和濕度80%RH，變溫速率≥5℃/min，在變溫過程中，應用本裝置對溫度和振動信號進行采集，計算變溫速率和振動加速度幅值示值誤差等指標，并進行存儲。

3 軟件設計

軟件是整個校準裝置的核心，它直接決定了整個校準裝置性能及應用效果。本系統中，選擇了Visual basic 6.0 、LabVIEW 8.5 和NI measurement studio 8 作為開發平臺。專用校準軟件架構采用模塊化設計，采用模塊化設計的目的是增加軟件的靈活性和提高軟件的整體效率。整個校準軟件的模塊框圖如圖3 所示。

圖3 綜合試驗設備現場校準專用軟件模塊框圖

整個軟件分成兩大部分，溫度、濕度校準系統和振動沖擊校準系統。溫度、濕度校準系統又細分成5個小軟件模塊，分別為:文件，顯示，工具，報告和設置;振動沖擊校準系統細分成4 個小軟件模塊，分別為:單通道模式，具有單個通道的時域、頻域分析功能，可以測量振動幅值，頻率示值，諧波失真度、速度和位移等技術指標;多通道模式，具有多個通道的時域、頻域分析功能，可以測量橫向振動比，振動幅值均勻性等技術指標;沖擊模式，具有預觸發、正負極性觸發、平均值、容差帶等分析計算功能;簡單模式，具有振動幅值，頻率示值等簡單技術指標測量功能，方便測量人員操作和判斷。本校準軟件單通道模式運行界面如圖4 所示。

圖4 單通道模式運行界面

4 部分關鍵技術

4.1 加速度諧波失真度測量實現方法

由于波形失真是各種非線性系統普遍存在的問題，諧波分析廣泛應用于各個技術領域，因此LabVIEW 提供了各種類型的諧波失真測量函數，一般主要使用“諧波失真分析”VI。“諧波失真分析”VI 對輸入信號進行全諧波分析。具體實現方法是:使用“諧波失真分析”VI 對加速度時域樣本進行諧波失真分析，獲得基波A1和2 到5 次的諧波頻率下的幅值(A2～A5)，根據公式(1)計算諧波失真度:

通過試驗，我們發現使用“諧波失真分析”VI時，測量準確度較高，原因是它的內部對信號進行了加Hanning 窗處理，能夠減小頻率泄漏。

4.2 數據采集技術

本裝置選用的數據采集模塊為美國國家儀器公司的產品，其提供的Windows 驅動程序為NI －DAQmx。要進行數據采集，其主要過程有7 個步驟:

1)創建采集任務

在NI－DAQmx 驅動中，所有的采集、控制、通信動作都被統稱為任務，任務創建后，所有的其它操作都以任務句柄為基礎進行設置。其API 如下:

int32 DAQmxCreateTask (const char taskName ［］，TaskHandle * taskHandle);

其中，TaskHandle 即為任務句柄。

2)設置采集通道

本軟件中，用戶可以設定的通道數為8 個，可以任意組合。組合好后以通道字符串的形式傳遞給創建采集通道函數，以下是創建加速度模擬輸入通道的API函數:

int32 DAQmxCreateAIAccelChan (TaskHandle taskHandle，const char physicalChannel ［］，const char nameToAssignToChannel ［ ］， int32 terminalConfig，float64 minVal，float64 maxVal，int32 units，float64 sensitivity，int32 sensitivityUnits，int32 currentExcitSource，float64 currentExcitVal， const char customScaleName［］);

其中，physicalChannel 為物理通道的名稱字符串，可以是一個或多個通道的組合;sensitivity 為傳感器的靈敏度;currentExcitSource 為傳感器激勵源;currentExcitVal 為激勵電流的大小。

3)設置采樣時鐘和時序

用來設置采樣的時鐘源、采樣率、觸發沿、采樣點數及采樣方式，其API 函數如下:

int32 DAQmxCfgSampClkTiming (TaskHandle taskHandle，const char source ［］，float64 rate，int32 activeEdge，int32 sampleMode，uInt64 sampsPerChanToAcquire);

其中，采樣模式sampleMode 有DAQmx_ Val_ FiniteSamps (有限點數)、DAQmx_ Val_ ContSamps (連續采樣)、DAQmx_ Val_ HWTimedSinglePoint (硬件定時單點采樣)三種可選，本軟件選用的是連續采樣。

4)開始采集任務

將以上各項設置好后，就可以開始采集了，調用的API 函數如下:

int32 DAQmxStartTask (TaskHandle taskHandle);

其中TaskHandle 為任務句柄。軟件調用了該函數后，將自動觸發測試(如果沒有設置其它的觸發方式)。

5)讀取采集任務

讀取觸發后測試的數據。對于本項目中的連續采樣，即一次采樣有限樣本，完成后馬上讀取另外有限樣本，讀取、分析數據都必須在采集完成兩個有限樣本間的時間間隙間完成。讀取采集的API 如下:

int32DAQmxReadAnalogF64 (TaskHandle taskHandle，int32 numSampsPerChan，float64 timeout，bool32 fillMode，float64 readArray ［］，uInt32 arraySizeInSamps，int32 * sampsPerChanRead，bool32 * reserved);

其中，readArray 為讀取的數組。

6)停止采集任務

完成測試后(比如用戶停止測試)，需要調用如下的API 函數:

int32 DAQmxStopTask (TaskHandle taskHandle);

其中TaskHandle 為任務句柄。

7)清除采集任務

完成整個測試后，退出應用程序前，需要調用如下的API 函數清除采集任務:

int32 DAQmxClearTask (TaskHandle taskHandle);

其中TaskHandle 為任務句柄。

4.3 解決現場各種干擾對測量結果的影響

為了解決現場各種干擾對測量結果的影響，本裝置同時采用了模擬濾波器和數字濾波器。它們既可以消除噪聲，又可以實現自適應抗混疊濾波。具體使用時，模擬濾波器的截止頻率設計在數據采集模塊最高采樣率的1/2 處，而數字濾波器的截止頻率設在用戶通過軟件設定的采樣率的1/2 處，這樣才能夠保證抗混疊濾波作用的實現。本校準軟件設計的數字濾波器界面如圖5 所示。

圖5 數字濾波器界面

5 校準裝置的溯源

5.1 校準裝置溫度、濕度參數的溯源

采用一等鉑電阻標準裝置，對本裝置和專用軟件一起進行溫度整體校準，溫度校準結果的最大誤差為0.18℃，低于JJF1270 －2010 中表2 給出的溫度測量系統最大允許誤差±0.2℃，滿足校準規范校準用儀器要求;采用精密露點儀和溫濕度檢定箱，對本裝置和專用軟件一起進行濕度整體校準，濕度校準結果的最大誤差為1.7%RH，低于JJF1270 －2010 中表2 給出的濕度測量系統最大允許誤差±2%RH，滿足校準規范校準用儀器要求。

5.2 校準裝置振動參數的溯源

將本裝置送到中航工業計量所，先對加速度傳感器和電荷放大器進行檢定，檢定結果全部合格，滿足檢定規程的要求;再對本裝置和專用軟件一起按JJG834 －2006 《動態信號分析儀檢定規程》進行整體檢定，檢定結果合格。經過測量不確定度分析，本裝置加速度幅值測量不確定度U = 2.2% (k = 2)，低于JJF1270 －2010 中表2 給出的振動測量分析系統加速度幅值U = 3% (k = 2)，滿足校準規范校準用儀器要求。

最后，進行溫度響應的檢定。選擇型號為BK4802+4817 的標準振動臺，將振動臺嵌入到溫度箱中。將本裝置加速度傳感器放在溫度箱內，上級加速度傳感器放在溫度箱外，設置溫度箱的環境溫度為23℃， －55℃和70℃，在f =160 Hz，a =100 m/s2，具體檢定數據如表1。

表1 溫度響應

在校準溫度、濕度、振動綜合環境試驗系統時，必須按環境溫度設置傳感器靈敏度。

6 結束語

該校準裝置使用了PXI 技術，體積比傳統儀器大大減小，并開發了專用校準軟件對信號進行采集、分析和處理，具有很強的靈活性。采用該校準裝置到現場對溫度、濕度、振動參數進行同步校準，既節省了經費，又便于攜帶，較好地解決了溫度、濕度、振動綜合環境試驗系統的校準和量值溯源問題。今后可進一步開發和完善該校準裝置，改進軟件的各種算法，提高其測量準確度。

［1］國家質量監督檢驗檢疫總局.JJF 1270 －2010 溫度、濕度、振動綜合環境試驗系統校準規范［S］.

［2］國防科工委科技與質量司. 計量技術知識［M］. 北京:原子能出版社，2002.

［3］楊樂平.LabVIEW 程序設計與應用［M］. 北京:電子工業出版社，2006.

［4］雷振山，魏麗，趙晨光，等.LabVIEW 高級編程與虛擬儀器工程應用［M］. 北京:中國鐵道出版社，2009.

［5］白云，高育鵬，胡小江，等. 基于LabVIEW 的數據采集與處理技術［M］. 西安:西安電子科技大學出版社，2009.