一種基于LabVIEW振動傳感器的校準系統

黃如昌 劉 建 李國星

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一種基于LabVIEW振動傳感器的校準系統

黃如昌 劉 建 李國星

在實際工程應用中，為了校準振動傳感器的輸出精度并檢驗其輸出幅頻特性，利用LabVIEW軟件及其DAQmx驅動開發一套能夠采集多路振動傳感器的輸出幅值和頻譜分析的實時數據采集系統，同時能夠存儲相關數據以便事后進行回放分析。通過對多路振動傳感器的幅值采樣、數據存儲、波形顯示及信號的頻譜分析等工作，可對傳感器進行更好的校準工作。

在工程應用中，如試飛測試中，飛機振動參數的測量是不可缺少的一種參數。振動傳感器及其配套放大器本身有著固定的靈敏度，但是在實際生產過程中，由于傳感器本身以及后續放大電路的差異，會導致每個傳感器的輸出有或多或少的偏差。因此在使用振動傳感器之前，我們必須對傳感器進行校準，以確定傳感器的幅頻特性。在傳統的校準工作中，我們需要一個電壓表，一臺示波器對振動傳感器的輸出信號進行測量及波形顯示。在這種情況下，我們每次只能對一個傳感器進行測量及波形顯示。而實際工作中為了提高效率，結合振動模擬臺的工作能力，我們每次可以同時對四路傳感器進行校準。因此，我們利用LabVIEW平臺，結合USB-6008采集板卡及其DAQmx驅動開放一種成本低廉，能夠同時校準多路振動傳感器的測試系統。

測試系統方案設計

硬件的選擇

振動傳感器：壓電式振動傳感器，利用壓電效應即敏感原件表面受到加速度時，其表面將產生電荷的現象。傳感器選用ENDEVCO公司2276型傳感器，其輸出為：10pC/g；

電荷放大器：將振動傳感器輸出的電荷量變成與之相對應的輸出電壓。選用ENDEVCO公司2680M14放大器，其增益范圍為1-100mV/pC可調；

數據采集板卡：選用NI公司USB-6008采集卡。其技術指標為：USB總線接口，最高采樣率為10ks/s，分辨率為12bit，最大輸入電壓范圍-10v～10v。

方案設計

利用LabVIEW設計的虛擬儀器平臺測試系統是常用的電子測試儀器之一，在本文介紹的振動傳感器實時校準系統中，它的主要功能是精確復現作為時間函數的電壓波形，顯示的波形用來確定數量的信息（如幅度、頻率），也可用來獲得其質量的信息（如波形）；還可用來比較兩個不同的波形，并測量它們的時間和相位關系。該系統利用NI公司USB-6008數據采集卡及LabVIEW應用開發環境，開發基于USB總線的虛擬示波器。其結構框圖如圖1所示。

本系統主要通過采集卡采集振動信號并能對輸入信號實時顯示在PC機終端上，同時對振動傳感器的輸出信號進行實時頻譜分析，以判斷傳感器幅頻特性以及頻率響應的好壞。系統亦可同時將原始信號信號以電子表格形式存儲在本地硬盤上，便于日后分析或處理。

軟件設計

該系統由一塊基于USB總線的多功能數據采集卡和相應的軟件組成，采集卡選用NI公司的USB-6008，系統的軟件采用模塊化的思想編寫，每個功能的實現由一個模塊完成。完成振動傳感器的輸出接口與采集板卡的通道對接后，利用NI提供的DAQmx模塊采集信號，便可完成系統軟件與數據采集卡之間的通信。軟件采用模塊化設計思想編寫，總體上包括信號采集，波形顯示、頻譜分析、數據存儲及回放等模塊組成，最終能實現數據采集、調節、處理、顯示等功能。

數據采集模塊的設計

數據采集及通過軟件對USB-6008板卡進行編程設置，包括對信號通道選擇，采樣速率，模式等參數設置。其程序如圖2所示。

波形顯示、數據存儲及頻譜分析部分程序設計

波形顯示主要對采集的傳感器信號實時地顯示在前面板，其程序如圖3所示。

圖1　測試系統框圖

圖2　信號采樣部分程序

波形的回放程序設計

波形回放部分是個獨立程序結構，其思想就是將電腦上保存的波形數據調用并重新在波形圖表中顯示出來，其程序如圖4所示。

前面板的設計

前面板主要通過一個波形圖表模塊顯示傳感器輸出信號的采集波形圖，及其信號處理后的頻譜圖。本文以振動傳感器為例，能夠同時對四路傳感器進行波形顯示及信號分析，因此我們前面板設計出四路并行的波形顯示畫面，因為LabVIEW軟件可以實現多任務的并行運行，因此我們的四路畫面可以同時進行波形的顯示及信號處理。在本文中，我們使用仿真信號源，作為我們的振動傳感器輸出信號。我們選用四個信號源分別為正弦波信號，方波信號，鋸齒波信號及白噪聲，運行程序可以發現設計的虛擬示波器面板可以對四路信號同時進行數據測量，波形顯示及信號處理。設計的前面板及測試仿真信號波形圖如圖5所示，頻譜分析如圖6所示，數據回放如圖7所示。

圖3　波形顯示，頻譜分析及數據保存程序

圖4　波形回放程序

圖5　四通道振動信號采集系統前面板

圖6　頻譜分析前面板

圖7　數據回放面板

應用實例

在工程應用中，我們需要對一組4個振動參數（編號分別為：VIB1、VIB2、VIB3、VIB4）進行校準，由于每個傳感器的靈敏度都不一樣，因此使用的每個傳感器都需要安裝在標準振動臺上施以標準振動值，再使用采集系統采集對應傳感器的輸出值，最后對應每個傳感器出一個校線公式。這樣在之后的實際應用中，根據傳感器的實際輸出電壓便知道測量的振動g值，經過校準之后的傳感器其測量精度會進一步提升。我們以傳感器靈敏度為10pC/g，調節器增益10mV/pC為例，那么其標準輸出為100mV/g，該值為峰值，有效值便為70.7 mV/g。然而每個傳感器的實際輸出定會存在一定的誤差，通過校準系統采集的實際輸出如表1所示。

表1　傳感器的實際輸出列表

通過最小二乘法得出四個參數的校準公式為（x為g值，y為采集電壓）：

VIB1：y1=69.51x+0.02；VIB2：y2=71.79x+0.48；

VIB3：y3= 71.19x+0.46；VIB4：y4= 70.70x+0.20。

總結

為了便于同時對多路傳感器進行校準工作，本文利用NI公司數據采集卡USB-6008及LabVIEW應用開發環境，開發的基于USB總線的虛擬振動信號數據采集系統。其主要針對振動傳感器的校準工作，基本實現了對振動參數的數據采集、處理、顯示等功能，并通過最后的數據處理得出傳感器的實際校線公式。該系統具有操作簡單、界面美觀等特點，且通過軟件實現具有更多靈活性，滿足更個性化的要求。

黃如昌 劉 建 李國星

中國飛行試驗研究院

黃如昌（1984－）男，安徽人，漢族，碩士研究生畢業，現中國飛行試驗研究院測試所工程師，研究方向：機載測試技術。

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.10.013