基于LabVIEW的電荷放大器自動檢定軟件設(shè)計(jì)

宋佳玲，王蘇閩，朱宇潔

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基于LabVIEW的電荷放大器自動檢定軟件設(shè)計(jì)

宋佳玲，王蘇閩，朱宇潔

（中國工程物理研究院計(jì)量測試中心，綿陽，621000）

依據(jù)JJG 338-2013《電荷放大器檢定規(guī)程》的要求，提出了電荷放大器自動檢定硬件系統(tǒng)方案，基于LabVIEW設(shè)計(jì)了電荷放大器自動檢定軟件，實(shí)現(xiàn)了電荷放大器歸一化誤差、增益誤差、幅頻特性、相頻特性等項(xiàng)目的自動檢定，提高了電荷放大器的檢定效率。通過實(shí)驗(yàn)對軟件進(jìn)行驗(yàn)證，證明了自動檢定軟件的可靠性和準(zhǔn)確性。通過設(shè)計(jì)本軟件，為航天航空領(lǐng)域中振動、沖擊等非電量測量提供更好的計(jì)量保障。

電荷放大器；自動檢定；LabVIEW

0 引 言

壓電傳感器是獲取動態(tài)信號廣泛使用的一類傳感器，在航天、航空、軍事、交通等工業(yè)領(lǐng)域中涉及到大量動態(tài)信號測試問題。電荷放大器作為壓電傳感器的前置裝置，是壓電傳感器標(biāo)定和壓電測試系統(tǒng)的重要組成部分[1,2]。電荷放大器的輸出電壓正比于輸入電荷，在振動、沖擊、動態(tài)靜態(tài)測量等環(huán)境實(shí)驗(yàn)以及模態(tài)實(shí)驗(yàn)中有大量運(yùn)用。因此，電荷放大器廣泛應(yīng)用于振動、沖擊、力、壓力、聲強(qiáng)等非電量電測中。

在JJG 338-2013《電荷放大器檢定規(guī)程》中[3]，電荷放大器的首次檢定項(xiàng)目為11項(xiàng)，檢定項(xiàng)目眾多也需要較多的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，其相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理也相對比較復(fù)雜[4]。目前，市面上帶有接口的電荷放大器越來越多，是未來的發(fā)展趨勢，為電荷放大器自動檢定的實(shí)現(xiàn)提供了先決條件。通過開發(fā)電荷放大器的自動檢定程序，不僅可以提高檢定工作效率，釋放勞動力；同時(shí)，自動計(jì)量過程中，人為無法干預(yù)測量數(shù)據(jù)及結(jié)果，確保測量過程真實(shí)可靠。因此，開發(fā)電荷放大器自動檢定軟件，實(shí)現(xiàn)電荷放大器自動檢定具有很高的應(yīng)用價(jià)值。

1 設(shè)計(jì)方案

1.1 硬件系統(tǒng)方案

該檢定系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備由Agilent 33220A 信號發(fā)生器、CS-3標(biāo)準(zhǔn)電容器、Agilent DSO3102A示波器、KEITHLEY 2000 數(shù)字多用表、KH4116失真度儀、Clarke-Hess 6000相位計(jì)、GPIB-USB轉(zhuǎn)換器以及運(yùn)行檢定軟件的主控計(jì)算機(jī)構(gòu)成。

計(jì)算機(jī)通過GPIB接口控制信號發(fā)生器輸出標(biāo)準(zhǔn)正弦信號，通過標(biāo)準(zhǔn)電容器將電壓信號轉(zhuǎn)換為電荷信號輸入待檢的電荷放大器中，改變電荷放大器配置，利用計(jì)算機(jī)采集電荷放大器輸出端相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的數(shù)據(jù)，來檢定電荷放大器的多個(gè)參數(shù)。該硬件系統(tǒng)方案如圖1所示[5]。

圖1 電荷放大器自動檢定軟件硬件系統(tǒng)方案

1.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

a）軟件系統(tǒng)框架

本軟件采用Windows XP作為開發(fā)系統(tǒng)，采用NI LabVIEW2011作為開發(fā)軟件。LabVIEW采用圖形化的編程方式，集成了各種儀器通信總線標(biāo)準(zhǔn)的功能函數(shù)，可移植性好，兼容全自動化和半自動化測試，便于開發(fā)[5,6]。

軟件采用模塊化的開發(fā)思想，按照功能要求將軟件主要分為3個(gè)模塊，即配置模塊、測量模塊以及處理模塊[7]。配置模塊實(shí)現(xiàn)了對客戶信息、設(shè)備信息、證書信息的錄入功能；測量模塊實(shí)現(xiàn)了對規(guī)程中不同檢定項(xiàng)目的具體操作功能；處理模塊實(shí)現(xiàn)了采集數(shù)據(jù)計(jì)算處理，原始記錄以及檢定證書出具功能。軟件系統(tǒng)框架如圖2所示。

圖2 電荷放大器自動檢定軟件系統(tǒng)框架

b）軟件操作流程

根據(jù)軟件系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)軟件的操作流程，按照圖1所示的硬件系統(tǒng)方案連接設(shè)備。首先，對儀器通電預(yù)熱，初始化儀器的GPIB地址；然后配置客戶信息、設(shè)備信息、證書信息；接著分別對電荷放大器的歸一化誤差、增益檔誤差、線性誤差、高低通濾波器截止頻率、幅頻特性以及相頻特性項(xiàng)目進(jìn)行檢定；數(shù)據(jù)采集完成后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并計(jì)算測量結(jié)果，生成原始記錄以及檢定證書，并將數(shù)據(jù)錄入，完成檢定[4]。軟件操作流程如圖3所示。

圖3 電荷放大器自動檢定軟件系統(tǒng)操作流程

c）軟件界面設(shè)計(jì)

為便于日常檢定人員使用，開發(fā)人機(jī)交互性良好的軟件操作界面。為方便擴(kuò)展軟件功能，對不同的檢定項(xiàng)目開發(fā)獨(dú)立的檢定程序。

對于軟件配置模塊的設(shè)計(jì)，圖4為電荷放大器自動檢定軟件配置模塊界面，其主要完成對客戶信息、設(shè)備編號、業(yè)務(wù)類別、證書編號、環(huán)境條件等信息的錄入功能。該信息也是原始記錄和檢定證書表頭信息的來源。

圖4 電荷放大器自動檢定軟件配置模塊與流程

對于軟件測量模塊的設(shè)計(jì)，以檢定電荷放大器歸一化誤差、幅頻特性及線性誤差為例，依次對檢定的操作界面和具體操作流程進(jìn)行說明。

在電荷放大器歸一化誤差檢定中，首先配置數(shù)表GPIB地址；然后按照圖5左側(cè)的歸一化檔位順序依次進(jìn)行檢定，改變電荷放大器的歸一化檔位，在數(shù)表數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，對電荷放大器輸出電壓進(jìn)行采集；數(shù)據(jù)采集完成后，根據(jù)電荷放大器理論輸出電壓和實(shí)際輸出電壓，計(jì)算各個(gè)檔位的歸一化相對誤差，取各個(gè)檔位相對誤差的最大值作為歸一化誤差，在原始記錄記錄歸一化誤差采集數(shù)據(jù)，在證書中記錄歸一化誤差結(jié)果，完成歸一化誤差檢定。

圖5 電荷放大器歸一化誤差檢定界面設(shè)計(jì)與操作流程

在電荷放大器幅頻特性檢定中，軟件界面與操作流程如圖6所示，首先配置信號源和數(shù)表的GPIB地址；然后根據(jù)檢定規(guī)程要求，依次改變信號發(fā)生器的輸出頻率，待電荷放大器輸出端電壓穩(wěn)定后，分別讀取信號發(fā)生器輸出電壓和電荷放大器輸出電壓；數(shù)據(jù)采集完成后，根據(jù)信號基準(zhǔn)頻率點(diǎn)160 Hz的測量數(shù)據(jù)，計(jì)算各個(gè)頻率點(diǎn)的傳輸系數(shù)和傳輸系數(shù)偏差，在原始記錄和證書中錄入相應(yīng)數(shù)據(jù)，完成幅頻特性檢定。

圖6 電荷放大器幅頻特性檢定界面設(shè)計(jì)與流程

在電荷放大器線性誤差檢定中，檢定界面與操作流程如圖7所示。首先，按照算出的放大器輸出電壓，依次改變信號發(fā)生器輸出電壓；然后，利用兩塊數(shù)表分別讀取信號發(fā)生器電壓和電荷放大器輸出電壓，待數(shù)表數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，對信號發(fā)生器輸出電壓和電荷放大器輸出電壓進(jìn)行采集；數(shù)據(jù)采集完成后，利用最小二乘法進(jìn)行擬合計(jì)算擬合曲線的斜率和截距，利用該結(jié)果計(jì)算誤差。最后將結(jié)果記錄到原始記錄和證書中。

圖7 電荷放大器線性誤差檢定界面設(shè)計(jì)與操作流程

2 軟件驗(yàn)證

2.1 測量結(jié)果的不確定評定

以檢定B&K公司2692電荷放大器歸一化誤差為例，對測量結(jié)果的不確定度進(jìn)行評定。其測量模型為

由式（1）可以看出，引起測量結(jié)果不確定度的主要來源有數(shù)字多用表測量不準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)電容器不準(zhǔn)以及測量重復(fù)性[8,9]。

a）數(shù)字多用表引入的不確定度。

b）標(biāo)準(zhǔn)電容器引入的不確定度。

選用CS-3標(biāo)準(zhǔn)電容器，電容1 000 pF時(shí)經(jīng)溯源得到的標(biāo)準(zhǔn)不確定為：

c）測量重復(fù)性引入的不確定度。

采用A類方法進(jìn)行評定，對歸一化誤差連續(xù)測量10次，計(jì)算實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差，其引入的不確定度分量為

d）擴(kuò)展不確定度。

2.2 自動檢定與手動檢定結(jié)果的比較

以檢定歸一化誤差為例，對軟件進(jìn)行驗(yàn)證。使用同一套標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備在同樣的條件下，對同一臺2692電荷放大器分別采用自動和手動兩種方式進(jìn)行檢定。檢定結(jié)果如表1所示。

表 1 手動檢定與自動檢定數(shù)據(jù)

在歸一化為10-0-0檔時(shí)，歸一化誤差最大，通過上式說明比對結(jié)果為滿意，證明了自動檢定數(shù)據(jù)的合理性。

3 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了電荷放大器的自動檢定軟件。首先提出了檢定所需標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的硬件系統(tǒng)方案，搭建了硬件系統(tǒng)；然后采用模塊化的思想設(shè)計(jì)了軟件框架，編寫了相應(yīng)的軟件界面和自動檢定程序；最后，將自動檢定與手動檢定數(shù)據(jù)進(jìn)行比對驗(yàn)證，證明了自動檢定數(shù)據(jù)的合理性。通過編寫電荷放大器自動檢定軟件，在保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠的同時(shí)也提高了電荷放大器的檢定效率。

[1] 鄧維禮, 秦嵐, 劉俊. 基于multisim的準(zhǔn)靜態(tài)電荷放大器仿真分析[J].國外電子測量技術(shù), 2009, 28(4): 24-26.

[2] 朱新翔, 陳江偉, 紀(jì)曉輪, 等. 基于AD8601的電荷放大器的設(shè)計(jì)[J]. 微型機(jī)與應(yīng)用, 2013, 32(3): 88-89.

[3] 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局. JJG 338-2013《電荷放大器檢定規(guī)程》[S]. 2013.

[4] 張寧寧, 邵新慧, 鄭愛建, 徐佳, 王振. 新舊規(guī)程中電荷放大器分級方法比較[J]. 計(jì)測技術(shù), 2015(b07): 191-192.

[5] 阿拉踏, 石峰, 吳忠燕, 王建強(qiáng). 基于Labview的原位自動校準(zhǔn)軟件設(shè)計(jì)[J]. 計(jì)測技術(shù), 2015(35): 221-225.

[6] 嚴(yán)小銳. Labview在電學(xué)計(jì)量中的應(yīng)用[J]. 計(jì)測技術(shù), 2016(36): 242-243.

[7] 張恒萍, 朱傳煥. 基于Visual Basic 的電荷放大器自動校準(zhǔn)系統(tǒng)研究[J]. 計(jì)測技術(shù), 2013, 33(4): 37-40.

[8] 張寧寧, 王顯偉, 邵新慧, 劉春紅. 電荷放大器的校準(zhǔn)及裝置的不確定評定[J]. 誤差與不確定度, 2010, 30(3): 44-46.

[9] 贠韞, 王玲. 電荷放大器測量結(jié)果的不確定評定[J]. 計(jì)量與測試技術(shù), 2013, 40(5): 63-65

Design of Charge Amplifier Automatic Verification Software Based on LabVIEW

Song Jia-ling, Wang Su-ming, Zhu Yu-jie

（Centre of Metrology and Measurement, China Academy of Engineering Physics, Mianyang, 621000）

According to JJG 338-2013 charge amplifier verification regulation, the paper puts forward a hardware system project for automatic verification. The paper also designs the software to realize the automatic verification of transducer sensitivity range, amplifier gain, amplitude-frequency characteristic and phase-frequency characteristic, improving the charge amplifier verification efficiency. The test proves the reliability and veracity of the automatic verification software. The software provides much better metrology support for the measurement of vibration and shock in spaceflight and aero aviation.

Charge amplifier; Automatic; LabVIEW

1004-7182(2017)06-0102-04

10.7654/j.issn.1004-7182.20170622

V554+.1

A

2017-10-05；

2017-10-20

宋佳玲（1990-），女，助理工程師，主要研究方向?yàn)殡姶艑I(yè)計(jì)量測試技術(shù)、數(shù)字信號處理