• 信號(hào)調(diào)理器VXI總線現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)

    摘要:在軍品型號(hào)研制和生產(chǎn)過(guò)程中,信號(hào)調(diào)理器廣泛應(yīng)用于振動(dòng)、力、壓力和聲學(xué)等非電量電測(cè)技術(shù)中。為了解決信號(hào)調(diào)理器現(xiàn)場(chǎng)檢定工作中存在的諸多不便,我們研制了信號(hào)調(diào)理器VXI總線現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由硬件和軟件組成,硬件主要包括信號(hào)源模塊、數(shù)字化儀模塊與VXI總線機(jī)箱等部分。

    關(guān)鍵詞:信號(hào)調(diào)理器;VXI總線模塊;測(cè)試系統(tǒng)

     

    Signal Conditioner VXI Bus On-siteVerification System

     

                 Feng wenmin,Wang haiyan,Liu haimei 

     Abstract:Signal conditioner is extensively used in vibration、force、pressure、acoustics measurement and so on.There are many difficulties in verification of signal conditioner On-site.To resolve these problems,we produce the signal conditioner VXI bus On-site Verification System.This system include signal generator module、digitizer module,which compose verification system with the VXI mainframe ; and verification software.

    Key words: Signal conditioner; VXI bus module; verification system

     

    1 引言

    信號(hào)調(diào)理器,包括電荷放大器、應(yīng)變儀及傳感器變送器等,是把傳感器信號(hào)作初步處理,變?yōu)榉治鰞x可進(jìn)一步分析的信號(hào)的儀器。在軍品型號(hào)研制和生產(chǎn)過(guò)程中,廣泛應(yīng)用于振動(dòng)、力、壓力和聲學(xué)等非電量電測(cè)技術(shù)中。如:在彈體整體結(jié)構(gòu)技術(shù)性能試驗(yàn)、發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)性能試驗(yàn)和慣導(dǎo)器件的環(huán)境試驗(yàn)等試驗(yàn)中,應(yīng)用了各種類型的傳感器和信號(hào)調(diào)理器。由于傳感器信號(hào)調(diào)理器集成在導(dǎo)彈測(cè)試系統(tǒng)中,拆卸不方便,而檢測(cè)信號(hào)調(diào)理器的標(biāo)準(zhǔn)儀器數(shù)量多、體積大,給現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量檢測(cè)工作帶來(lái)了不便。一般信號(hào)調(diào)理器,通道數(shù)較多,現(xiàn)有的檢測(cè)設(shè)備只能實(shí)現(xiàn)單個(gè)通道測(cè)量,工作量和計(jì)算量較大,而且手動(dòng)操作存在人為誤差,影響測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。為了解決上述問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的小型化和自動(dòng)化,實(shí)現(xiàn)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)可方便移動(dòng)到現(xiàn)場(chǎng),我們研制了信號(hào)調(diào)理器VXI總線現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)。

     

    2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    2.1硬件設(shè)計(jì)

    檢測(cè)系統(tǒng)硬件組成如圖1所示,檢測(cè)系統(tǒng)硬件主要有VXI總線機(jī)箱、信號(hào)轉(zhuǎn)接電路和外控計(jì)算機(jī)等部分組成。VXI總線機(jī)箱內(nèi)有電源模塊、控制模塊、信號(hào)源模塊和數(shù)字化儀模塊。VXI總線機(jī)箱采用C尺寸,C尺寸的儀器模塊通過(guò)機(jī)箱背板上的連接器插入機(jī)箱。電源模塊將穩(wěn)定的直流電壓送到機(jī)箱背板上,經(jīng)過(guò)連接器給各個(gè)儀器模塊供電。外控計(jì)算機(jī)通過(guò)IEEE1394總線和控制模塊對(duì)儀器進(jìn)行操作控制。在計(jì)算機(jī)的控制下,信號(hào)源模塊輸出標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)接電路送到被檢測(cè)信號(hào)調(diào)理器的各個(gè)輸入端,被檢測(cè)信號(hào)調(diào)理器的輸出信號(hào)接到數(shù)字化儀模塊。計(jì)算機(jī)控制數(shù)字化儀模塊,采集被檢測(cè)信號(hào)調(diào)理器的輸出信號(hào),將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。由計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算分析這些數(shù)字信號(hào),最后得到被測(cè)信號(hào)頻譜或電壓值等檢測(cè)結(jié)果。

    (a)信號(hào)源模塊采用直接數(shù)字合成技術(shù)實(shí)現(xiàn)波形輸出功能,保證了模塊輸出的波形在整個(gè)信號(hào)頻率范圍內(nèi)具有很高的頻率分辨率;模塊內(nèi)部提供了八選一輸出通道,可以通過(guò)軟件對(duì)通道進(jìn)行設(shè)置和選擇一個(gè)通道輸出波形,減少了計(jì)量時(shí)反復(fù)的接線和設(shè)置工作,使得工作量大大減少,提高了工作效率、減輕了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

    VXI總線機(jī)箱

    (b) 數(shù)字化儀模塊同樣也具有八選一輸入通道;模塊采用DSP做信號(hào)處理,具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能,包括數(shù)字濾波、FFT變換等,還可根據(jù)需要添加其他算法插件,DSP不僅使模塊的數(shù)據(jù)處理速度大大提高,而且不占用主控機(jī)的時(shí)間,使系統(tǒng)的實(shí)時(shí)處理能力得到了增強(qiáng)。

    外控計(jì)算機(jī)

    控制模塊

    IEEE1394接口

                    

    被檢測(cè)信號(hào)調(diào)理器

    輸入

    輸出

    信號(hào)轉(zhuǎn)接電路

    電源模塊

    信號(hào)源模塊

    多路開(kāi)關(guān)

     

    數(shù)字化儀模塊

    多路開(kāi)關(guān)

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     


    圖1 系統(tǒng)硬件組成

    2.2軟件設(shè)計(jì)

    檢測(cè)系統(tǒng)軟件完成的主要功能包括:硬件檢測(cè)及初始化、方式及條件設(shè)置、數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)處理及分析計(jì)算。采用WINDOWS平臺(tái)下運(yùn)行的LabVIEW作為軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境。檢測(cè)軟件流程如圖2所示。

    (a)硬件檢測(cè)及初始化:包括對(duì)信號(hào)發(fā)生器模塊和數(shù)字信號(hào)處理模塊地址設(shè)置、第一次開(kāi)機(jī)的初始化、模塊狀態(tài)及錯(cuò)誤檢查等。

    (b)方式及條件設(shè)置:設(shè)置數(shù)據(jù)讀取方式及采集信號(hào)的時(shí)間。

    (c)數(shù)據(jù)采集:采用定時(shí)采集方式。

    (d)數(shù)據(jù)顯示:采用窗口顯示標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)數(shù)據(jù)和測(cè)量信號(hào)數(shù)據(jù)。采用指示燈顯示硬件工作狀態(tài)。

    (e)數(shù)據(jù)處理及分析計(jì)算:數(shù)據(jù)處理包括數(shù)字濾波、交流耦合、加窗函數(shù)等;數(shù)據(jù)分析包括FFT、最小二乘法曲線擬合等。

    數(shù)據(jù)的處理及分析計(jì)算結(jié)果

    開(kāi)始

     

    數(shù)據(jù)采集

    方式及條件設(shè)置

    存儲(chǔ)數(shù)據(jù)

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     


    數(shù)據(jù)顯示

     

                           

     

    結(jié)束

     

     

     

     

     


    圖2 檢測(cè)軟件流程

     

    3不確定度分析

    3.1增益

    信號(hào)調(diào)理器增益=輸出電壓/輸入電壓,

    以標(biāo)準(zhǔn)裝置輸出電壓10V為例進(jìn)行分析,輸出電壓幅度誤差為0.03%,此誤差屬均勻分布,由此帶來(lái)的不確定度分量為:

    =0.03%/ =0.017%

    針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)裝置輸出為10V,幅度測(cè)量量程選10V檔,對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)裝置幅度測(cè)量誤差為0.05%,此誤差屬均勻分布,由此帶來(lái)的不確定度分量為:

    =0.05%/ =0.029%

    信號(hào)轉(zhuǎn)接電路的誤差是標(biāo)準(zhǔn)電容或標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變的誤差,誤差均為0.05%,此誤差屬均勻分布, 由此帶來(lái)的不確定度分量為

    =0.05%/ =0.029%

    合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為:

    = 0.044%

    擴(kuò)展不確定度為:

    U=k× =0.09%( k=2,即p=95%)

    被檢信號(hào)調(diào)理器增益誤差為1%,所以滿足增益檢測(cè)的要求。

    3.2信號(hào)調(diào)理器線性

    信號(hào)調(diào)理器線性誤差為:

    δm=[(ei0eom)/(eo0eim)-1]×100% (m=0,1,2…)

    式中, eo0——信號(hào)調(diào)理器的最大輸出電壓

    ei0——信號(hào)調(diào)理器輸出最大電壓eo0時(shí)信號(hào)發(fā)生器模塊的輸出電壓。

    eom——信號(hào)調(diào)理器的輸出電壓(m=1,2,3…)

    eim——信號(hào)調(diào)理器輸出eom時(shí)信號(hào)發(fā)生器模塊的輸出電壓(m=0,1,2…)

    ei0、eom、eo0和eim值由數(shù)字化儀模塊測(cè)得,信號(hào)調(diào)理器線性的測(cè)量點(diǎn)m一般為平均分布,選5~10個(gè)。

    以標(biāo)準(zhǔn)裝置輸出電壓10V為例進(jìn)行分析,輸出電壓幅度誤差為0.03%,此誤差屬均勻分布,由此帶來(lái)的不確定度分量為:

    =0.03%/ =0.017%

    針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)裝置輸出為10V,幅度測(cè)量量程選10V檔,對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)裝置幅度測(cè)量誤差為0.05%,此誤差屬均勻分布,由此帶來(lái)的不確定度分量為:

    =0.05%/ =0.029%

    信號(hào)轉(zhuǎn)接電路的誤差是標(biāo)準(zhǔn)電容或標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變的誤差,均為0.05%,此誤差屬均勻分布, 由此帶來(lái)的不確定度分量為:

    =0.05%/ =0.029%

    合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為:

    =0.044%

    擴(kuò)展不確定度為:

    U=k× =0.09%( k=2,即p=95%)

    被檢信號(hào)調(diào)理器的線性為1%,所以能滿足線性檢測(cè)的要求。

     

    4系統(tǒng)的主要特點(diǎn)

    4.1可靠性

    檢測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性是保證檢定質(zhì)量的關(guān)鍵,因此在設(shè)計(jì)本系統(tǒng)程序時(shí),采取了以下措施:

    (a)自動(dòng)記錄數(shù)據(jù),減少了因人而異的手動(dòng)操作的讀數(shù)誤差,避免了手工記錄、數(shù)據(jù)處理時(shí)的粗大誤差;

    (b) VXI總線具有高可靠性,由于儀器的功能主要靠軟件來(lái)實(shí)現(xiàn),減少了傳統(tǒng)儀器按鈕、開(kāi)關(guān)、顯示等部分,從而使系統(tǒng)的平均無(wú)故障時(shí)間大大提高。

    4.2可擴(kuò)展性

    (a) 由于采用了層次分明的軟件結(jié)構(gòu),使功能擴(kuò)充和程序修改變得比較容易;

    (b) VXI總線規(guī)范化,標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì),以及開(kāi)放式環(huán)境使得系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和可維護(hù)性更強(qiáng);

    (c) LabVIEW開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)不僅功能齊全,還節(jié)省成本,當(dāng)測(cè)量發(fā)生改變時(shí)可以輕松對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行修改或擴(kuò)展。

     

    5 結(jié)論

    信號(hào)調(diào)理器VXI總線現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng),建立了小型化、自動(dòng)化的信號(hào)調(diào)理器現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)。基于VXI總線技術(shù)建立的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng),具有高可靠性和可擴(kuò)展性。檢測(cè)數(shù)據(jù)采用自動(dòng)記錄方式,減少手動(dòng)操作的讀數(shù)誤差,提高了檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確程度。

     

    主要參考文獻(xiàn)

    [1]中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院起草,JJG338-97《電荷放大器檢定規(guī)程》,中國(guó)計(jì)量出版社出版,1998;

    [2]美國(guó)PCB公司,《44B104信號(hào)調(diào)理器說(shuō)明書(shū)》;

    [3]美國(guó)NI公司,《Using External Code In LabVIEW》;

    [4]楊樂(lè)平,李海濤,趙勇,楊磊,安雪瀅編著《LabVIEW 高級(jí)程序設(shè)計(jì)》,清華大學(xué)出版社,2003。

    [5]楊樂(lè)平,李海濤,肖相生等編著《LabVIEW 程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用》,電子工業(yè)出版社,2001。

    [6]屠良堯,李海濤編著《數(shù)字信號(hào)處理與VXI自動(dòng)化測(cè)試技術(shù)》,國(guó)防工業(yè)出版社,2000。




     
     
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