加速度計校準數據處理系統設計

劉瑩++解啟瞻++魏玫

摘 要：為滿足大批量加速度計校準數據處理的高可靠性、高準確度和高效率的需求，基于虛擬儀器技術和計算機技術，依據加速度計檢定規程，設計了一種加速度計校準數據處理系統。測試結果表明：系統人機交互界面友好，能夠快速處理大批量加速度計校準數據，大大節省了加速度計校準數據處理、證書出具和原始記錄出具的人力和時間資源，實用性強。

關鍵詞：加速度計 校準 數據處理 虛擬儀器

中圖分類號：TP2 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）11（c）-0007-03

Abstract：To meet the high reliability， high accuracy and high efficiency need of calibration data processing for mass accelerometer， based on VI and computer technology， according to the V.R of accelerometer calibration， a kind of calibration data processing system for mass accelerometer has been developed. Testing results show that， the system has a friendly man-machine surface， and can quickly process large quantities of accelerometer calibration data. The system has very strong practicability.

Key Words：Accelerometer； Calibration； Data processing； VI

加速度計通常與適調儀配用，用于振動與沖擊加速度的測量[1]。在直升機領域內，加速度計常被用做監控發動機故障和結構損傷等的感知設備，在航空航天、汽車電子、地質勘探等領域內，加速度計的應用也越來越廣泛。通常，為保證加速度計能夠獲得準確的加速度測試數據，需周期性對其進行校準，維持加速度計的準確度，避免檢測時誤判[2]。但隨著加速度計的應用越來越廣泛，加速度計的校準工作量也越來越大，對于計量工作者而言，經常一次就需要校準幾十甚至是上百枚加速度計，校準完成后將會得到大量的校準數據，還需要進一步對這些校準數據進行數據處理和分析，根據數據分析結果判定所校加速度計是否合格，并出具原始記錄和校準證書。而如果用傳統的數據處理方法對每一個加速度計的校準數據進行分析處理，并手動調整數據格式使其滿足原始記錄和校準證書的要求是非常困難的，且單個加速度計的數據處理時間長，數據處理效率低，無法滿足大批量加速度計的校準需求。

為此，本文根據加速度計的校準數據處理原理，針對加速度計的多參數、大批量校準的特點，以及對高可靠、高性能、高效率提出的要求，基于虛擬儀器技術和計算機技術，依據加速度計檢定規程，構建一種高自動化的加速度計校準數據處理系統。

1 加速度計校準數據處理基本原理

依據壓電加速度計檢定規程JJG 233-2008，在首次和使用過程中，加速度計的檢定項目均包括參考靈敏度、靈敏度頻率幅值響應和靈敏度幅值線性度3個項目。

1.1 參考靈敏度

參考靈敏度的檢定是指在參考頻率和參考加速度條件下確定被檢加速度計的靈敏度。被檢加速度計的輸出與所承受的加速度值之比即為參考靈敏度幅值。需要時，測量兩只加速度計的輸出比。

使用中，加速度計參考點靈敏度數據處理時，需要根據規程要求，將各加速度計參考點的靈敏度數據提取出來，寫入到保存文件中。而在首次對加速度計進行校準時，還需要計算加速度計的靈敏度誤差，靈敏度誤差計算公式一般如式（1）所示[3]：

（1）

式中：為靈敏度出廠值；為加速度計實測參考靈敏度。

1.2 靈敏度幅頻響應

靈敏度幅頻的檢定一般采用振動連續掃描法、逐點法或隨機激勵法，在工作頻率范圍內，以1/3倍頻程頻率序列選取7～12個頻率點，計算各頻率下的靈敏度幅值。靈敏度幅頻響應以參考靈敏度幅值的相對偏差表示。

根據檢定規程的計量性能要求，加速度計的靈敏度幅頻響應應在±5或±10之間。

靈敏度幅頻響應數據處理，即是提取各頻率點下的靈敏度幅值和靈敏度幅頻響應，分析各頻率點頻響絕對值最大值，判定其是否滿足±5或±10的計量性能要求，給出判定結果。

1.3 靈敏度幅值線性度

靈敏度幅值線性度檢定是在實際使用的加速度幅值范圍內選取5～10個點，包括最大和最小加速度，進行靈敏度幅值的檢定。對加速度幅值范圍不大的情況，靈敏度的幅值線性度用檢定點的靈敏度幅值相對于參考靈敏度幅值的相對偏差來表示。

根據檢定規程的計量性能要求，加速度計的靈敏度幅值線性度應在±3之間。

加速度計校準數據靈敏度幅值線性度數據處理與靈敏度頻響數據處理原理一致，即讀取加速度計在各加速度值下的靈敏度幅值和靈敏度幅值線性度，分析靈敏度幅值線性度絕對值最大值，判定其是否滿足±3之間，據此判定加速度計的靈敏度幅值線性度性能是否合格。

2 系統總體結構

加速度計校準系統的原理如圖1所示。控制系統控制NI采集卡輸出模擬信號，通過功放調理后加載至標準振動臺。標準振動臺上背靠背貼合的標準加速度計和被測加速度計同步獲取振動信號，利用壓電效應將振動信號轉換為微弱電信號[4]。微弱電信號經過前置預處理模塊放大等處理后，在控制系統控制下由NI數據采集卡采集。在控制系統上對信號實時預處理，保存數據。然后在校準數據處理平臺上作進一步分析和處理，并按照校準證書格式要求保存數據。endprint

加速度計校準數據預處理完成后，校準數據保存在Excel文件中。該部分功能由PCB公司提供的標準振動臺配套的計算機控制系統完成。而校準數據處理系統是整個加速度校準系統的核心部分，主要完成兩個功能：一是對預處理完成的數據作進一步處理，得到最終的加速度計校準結果；二是根據加速度計校準證書和原始記錄要求，對處理完成的校準數據和校準結果格式進行調整，并保存數據。總體流程如圖2所示。

3 系統設計

LabVIEW是由美國國家儀器公司NI推出的虛擬儀器（Virtual Instrument，VI）開發工具，它廣泛地被工業界、學術界和研究實驗室所接受，視為一個標準的數據采集和儀器控制軟件[5]。LabVIEW程序又稱虛擬儀器，即VI，VI由兩部分組成，前面板和程序框圖。

校準數據處理系統基于LabVIEW軟件平臺設計，系統前面板設計見圖3，整個操作界面控制按鈕較少，用戶操作起來十分方便。利用加速度計校準數據處理系統分析加速度計校準數據時，選擇文件路徑，設置相關參數后，點擊“開始分析”按鈕，便可啟動程序，進行校準數據處理。數據處理完成后，點擊“退出”按鈕，即可退出VI程序。

靈敏度幅值響應數據處理及其程序設計是系統的重要組成部分。該部分程序設計時，考慮到因加速度計的應用場合不同，送校時，客戶要求的校準頻率范圍不一，導致預處理后得到的校準數據中的校準頻率點存在差異，所以為了避免頻率點混淆造成數據出錯，程序中，須將各加速度計的校準頻率點數據提取出來。加速度計靈敏度幅值響應數據處理程序設計思想是，首先根據預處理的加速度計校準數據的保存特點，分別提取各個加速度計的編號、校準頻率點、各頻率點處的靈敏度幅值和靈敏度幅值響應。再分析各加速度計靈敏度幅值響應的最大值，并判斷其是否滿足±5%的計量性能要求，給定頻響測試結論。

加速度計幅值線性度數據處理程序，先是從預處理后的數據文件中提取加速度計的編號、各幅值測試點處的靈敏度值和幅值線性度，分析幅值線性度絕對值最大的點，判斷其是否滿足±3%的計量性能要求，根據判斷結果給出線性度測量結論。圖4為本系統的程序框圖。

4 軟件測試與應用

加速度計校準數據處理系統設計完成后，為了研究軟件系統的性能，將系統用于某批次加速度計的校準數據的處理中，對校準數據處理系統進行測試。該批次加速度計含兩個型號，6個軸，一個軸對應一個Excel文件，分別為編號131525傳感器的X、Y、Z軸和編號為CA3ZYD220V-100-00009的X、Y、Z軸的數據。

圖5為軟件運行之后得到的數據處理結果。軟件測試結果為得到一個excel文件，該文件內包含四部分內容，分別為參考靈敏度幅值數據、靈敏度頻率響應數據、靈敏度幅值線性度數據和校準結論。其中各加速度計的靈敏度頻率響應數據第一行為測量頻率點，第二行為各頻率點處的靈敏度幅值以及最大靈敏度幅值頻響。靈敏度幅值線性讀數據為各加速度值下的靈敏度值以及最大靈敏度幅值線性度。校準結論部分顯示了系統對所校準加速度計的頻響和線性度的判定結果。數據結構清晰，結論明了，能夠滿足加速度計校準和證書出具的要求。

5 結語

為了提高大批量加速度計的校準效率和準確度，基于LabVIEW軟件平臺設計了一個加速度計校準數據處理系統。系統具有友好的人機交互界面，操作簡單，設置參數少，方便實用。它能夠依據加速度計的檢定規程對加速度計校準數據進行處理，并通過分析判定給出校準結論，效率得到提高的同時避免了人為判定帶來的錯誤。另外，系統還能夠根據校準證書和原始記錄的格式和數據要求，將數據處理結果保存在excel文件中，節省了校準證書和原始記錄的出具時間，大大提高了工作效率，極大地降低了加速度計的校準數據處理工作量。

參考文獻

[1] JJG 233-2008，壓電加速度計檢定規程[S].北京：中國計量出版社，2008.

[2] 張艷.計量檢定與儀器校準的區分[J].科技致富向導，2010（8X）：219.

[3] 朱蕾.壓電加速度計規程修訂后對振動量值溯源的影響分析[A].江蘇省計量測試學術會議[C].2013.

[4] 藍偉威，符蓉，余璇，等.基于LabVIEW的熒光光纖氧傳感器的信號處理系統[J].儀表技術與傳感器，2014（5）：1-3.

[5] 何玉鈞，高會生.LabVIEW虛擬儀器設計教程[M].北京：人民郵電出版社，2012.endprint