基于PXI實現振動臺現場自動校準技術研究

包楨

(貴州航天計量測試技術研究所，貴州貴陽550009)

0 引言

振動臺是一種非常重要的環境試驗設備，遍布在各軍工行業中。振動臺能考核模擬真實環境試驗條件下產品的可靠性、動強度，疲勞破壞等以便評估其性能是否滿足要求，找出工藝生產中薄弱環節進行修改。另外，振動試驗是從元器件到武器型號進行地面模擬仿真試驗的關鍵步驟。因此，振動臺性能的可靠性將直接影響型號產品研制水平、試驗、生產及其性能評定。

本文以PXI-NI數據采集器為基礎，應用LabVIEW語言編寫振動臺現場校準程序，依據JJG 948-1999《數字式電動振動試驗系統檢定規程》技術指標要求。通過實時采集的方法實現現場對頻率、加速度、失真度、均勻度、橫向振動比、動態范圍、功率譜密度、沖擊等參數的自動記錄，從而實現對振動臺全參數的無紙化計量校準。

1 PXI-NI數據采集器介紹

本文中采用PXI-NI數據采集器。PXI-NI數據采集器擁有電源模塊、控制分析模塊、示波器模塊、函數發生器模塊、數據采集模塊(10個輸入通道)等五個模塊。

圖1 計量校準過程實物圖

計量校準過程實物圖，如圖1所示。將傳感器均勻分布在振動臺面上，將信號傳輸線直接接入PXI輸入端，省去了電荷放大器和BNC連接線。

2 校準軟件總體設計

依據《JJG 948-1999數字式電動振動試驗系統檢定規程》，結合振動臺現場檢測的參數特點，校準軟件主要程序有四個:正弦參數程序、隨機參數程序、沖擊參數程序、數據自動存儲程序。如圖2所示。正弦參數程序主要完成頻率、加速度、失真度、均勻度、橫向振動比、加速度、速度及位移的示值誤差的校準;隨機參數程序主要完成動態范圍、加速度均方根值、加速度功率譜密度的校準;沖擊參數程序主要完成沖擊加速度值、沖擊脈寬的校準;數據自動存儲程序主要完成數據的自動存儲、報表、打印等功能。

圖2 振動臺校準軟件組成框圖

整套校準軟件的核心是將每個輸入通道合理分配到相應的校準參數進行配置。主要設計是:PXI-NI數據采集器有3片采集卡共十個通道，現場振動臺校準中需要八個通道。分別為1/ai0～1/ai3，2/ai0～2/ai3，3/ai0～3/ai1通道。首先，選擇“DAQmx創建通道”子VI函數，來實現虛擬通道和物理通道的通訊，并對該虛擬通道進行信息配置，如輸入接線端配置、輸入范圍、物理通道名稱、任務輸入、單位等信息。

3 硬件選擇

采集加速度信號的傳感器一般分為電荷式加速度計和電壓式加速度計。而前者不能直接連入數據采集器，需要通過電荷放大器轉換信號。但是，采用后者可以連入數據采集器。因為，NI PXI-4622采集模塊可配置AC/DC耦合和IEPE調理，為電荷式加速度計提供4 mA的激勵電流。所以，本文選擇電壓式加速度計。

4 測試軟件設計

4.1 正弦參數程序

4.1.1 正弦信號采集軟件程序設計

創建DAQmx添加全局虛擬通道中的八個虛擬通道，并為其配置物理通道名稱、傳感器靈敏度值和單位及量程范圍。創建失真度測量VI，并輸入配置其諧波次數、自動搜索基頻功能。在顯示配置上添加失真度、基頻輸出并在前面板顯示。創建加速度峰值搜索VI和索引數組，將輸入的八個通道采集的加速度峰值輸出，并在前面板顯示。

根據檢定規程參數要求，需要計算臺面均勻性和橫向振動比誤差。設計組考慮添加公式實時計算均勻性和橫向振動比誤差，便于隨時觀察振動臺異常數據。將五個通道數據按公式(1)計算，后三個通道數據按公式(2)計算。

式中:ax，ay為垂直于主振方向的兩個相互垂直軸的加速度幅值分量;az為主振方向的加速度幅值。

根據檢定規程參數要求，需要計算臺面速度和臺面位移。于是，本文考慮添加公式實時計算臺面速度和臺面位移。將通道(中心點)數據按公式(3)計算

式中:D為中心點位移，mm;a為中心點加速度幅值，g;f為中心點頻率，Hz。

式中:V為中心點速度，m/s;a為中心點加速度幅值，g;f為中心點頻率，Hz。

具體設計軟件流程圖如圖3所示。

圖3 軟件設計流程圖

4.1.2 正弦信號采集軟件前面板設計

采集部分包括8個輸入通道名稱配置、采樣帶寬和線數設置和8通道靈敏度輸入設置。為了方便輸入和修改統一將其規劃在前面板的左側。波形顯示部分包括時域和頻域波形顯示，用選項卡設計進行切換。對波形圖的X軸和Y軸根據數據大小實現自動調整標尺。為了便于觀察波形添加移動游標、波形放大和移動功能及應用八種顏色區分各個波形。為了方便輸入和觀察統一將其規劃在前面板的中間。數據顯示部分采用自上而下和各參數獨立分區的設計，為了便于觀察將其規劃在前面板的右測。具體前面板設計如圖4所示。

圖4 正弦信號采集軟件前面板

4.2 隨機參數程序設計

4.2.1 隨機信號采集軟件程序設計

創建功率譜密度VI，輸入部分添加窗函數、對數采集開關、平均模式、平均方法、平均次數及是否自動重新平均等配置。輸出部分添加重新平均的布爾控件和已平均次數的顯示。創建“rmsVI”，便于讀取加速度頻譜有效值(即加速度均方根值)。創建波形圖像，便于觀察和讀取功率譜密度、動態范圍及加速度均方根值的波形。創建獲取功率譜密度值VI，輸入配置需觀測的頻率，輸出配置該頻率點的功率譜密度。

4.2.2 隨機信號采集軟件前面板設計

采集部分包括輸入單通道名稱配置、采樣帶寬和線數設置和單通道靈敏度輸入設置。窗函數選擇根據要求進行更改。采樣設置中的平均模式、平均方法、平均次數及是否自動重新平均根據規程要求分別配置為有效值平均模式、線性平均方法、120次及自動重新平均。同樣為了方便輸入和修改統一將其規劃在前面板的左側。波形顯示部分包括了功率譜密度、動態范圍及加速度均方根值的波形，用選項卡設計進行切換顯示。對波形圖的X軸和Y軸根據數據大小實現自動調整標尺。為了便于觀察波形添加移動游標、波形放大和移動功能。為了方便輸入和觀察統一將其規劃在前面板的中間。數據顯示部分采用自上而下和各參數獨立分區的設計，為了便于觀察將其規劃在前面板的右測。具體前面板設計如圖5和圖6所示。

圖5 隨機信號采集軟件前面板(功率譜密度)

圖6 隨機信號采集軟件前面板(動態范圍)

4.3 沖擊參數程序設計

4.3.1 沖擊信號采集軟件程序設計

該程序采用單通道采集。創建DAQmx觸發，選擇為參考模擬邊沿觸發。添加”DAQmx開始任務”，該VI主要功能為通知PXI采集卡可以開始采集任務。創建DAQmx讀取，將采集到的信號根據設置還原為所需要的信號，根據設計要求配置采樣線數(可根據采樣頻率范圍通過前面板進行調節)，便于下一步的讀取與分析。創建濾波器VI，便于剔除多余的干擾信號。為了便于觀察，創建波形圖表，實時顯示沖擊波形變化。

4.3.2 沖擊信號采集軟件前面板設計

采集部分包括輸入通道名稱配置、采樣帶寬和線數設置和單通道靈敏度輸入設置。采樣時間的設計主要針對沖擊波形的快速采集的連續性，根據需求輸入時間，如果在該時間內未觸發，軟件將自動停止采集。最大正負加速度的設計，根據需求調整，主要目的是對即將采集的波形幅值的預判，防止過載損壞傳感器。觸發電平和觸發邊沿的設計主要考慮防止2次余波的干擾觸發和波形正負向的修改。濾波器類型分為低通、高通、帶通和帶阻。實際沖擊計量應用一般選擇低通和帶通。濾波頻率范圍根據所采波形的脈寬設置，根據公式(5)和(6)確定低通濾波器和高通濾波器。

式中:f1為低通頻率，Hz;t為所測得沖擊脈寬，ms。

式中:f2為高通頻率，Hz;t為所測得沖擊脈寬，ms。顯示波形為時域波形。對波形圖的X軸和Y軸根據數據大小實現自動調整標尺。為了便于觀察波形添加移動游標、波形放大和移動功能，對過載的沖擊波形實行紅燈報警顯示。具體前面板設計如圖7所示。

圖7 沖擊信號采集軟件前面板

4.4 數據自動存儲程序設計

根據以上3個程序數據輸出的特性，在各程序后添加了自動存儲功能。按照指定模板輸入在同一張EXCEL表中。模板中包含了客戶姓名、地址、所檢設備型號、編號、生產廠家、檢定日期等信息。

5 振動臺現場自動校準軟件可靠性驗證

使用振動臺現場自動校準軟件對振動臺部分參數進行測量，測試結果滿足JJG 948-1999《數字式電動振動試驗系統檢定規程》中給出的計量標準設備技術指標要求。具體數據如表1所示。

表1 振動臺參數技術指標要求和實測結果

6 結論

本文針對振動臺的正弦、隨機、沖擊參數的校準需求，設計了基于PXI-NI數據采集器的校準軟件，從正弦參數、隨機參數、沖擊參數、數據自動存儲程序4個方面進行了設計和驗證，可實現振動臺的正弦、隨機、沖擊參數的校準。另外該項目的完成同時實現了對電動水平振動試驗臺、機械振動試驗臺、公路模擬運輸試驗臺、落體式沖擊試驗臺，碰撞試驗臺、顆粒噪聲碰撞試驗臺等環境試驗設備的計量校準。

［1］姚天任.數字信號處理［M］.武漢:華中理工大學出版社，1987.

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