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基于LabVIEW的高冲击加速度校准系统设计与实现

2024-10-09 125 上传者：管理员

摘要：高g值加速度传感器被广泛应用于先进兵器的研制当中，针对其10 000 g_n以上的校准需求，建立了一种“端到端”的高冲击加速度校准系统。其中，基于LabVIEW开发环境设计系统软件，实现了对电磁发射装置、激光测速装置、数据采集卡以及信号调理仪等硬件设备的通信控制与数据传输，同时具备数据处理和证书生成等功能。经过试验验证，本文系统与标准装置的测量结果偏差仅为-0.78%,能够满足计量检定的需求。

关键词：
Hopkinson杆
LabVIEW软件
多普勒信号
数据采集
校准系统
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随着国防科技工业的快速发展，高g值加速度传感器被广泛应用于深侵彻系统、精确打击弹药及钻地弹药等先进兵器的研制当中[1],其灵敏度、线性度等重要性能指标将直接影响研究结果的准确性和可靠性，故对高g值加速度传感器进行定期校准十分必要。因此，针对现有传感器10万gn以上的高加速度校准需求，开展高冲击加速度校准系统的研究对于实现高加速度量值溯源、保障高冲击加速度及动高压等测试工作具有重要意义。

高加速度对于校准系统的响应特性、动态范围及频响特性均提出较高要求，同时为减少附加约束，需对被测传感器采用非接触式测量[2]。本文基于高g值加速度传感器的校准原理，参考《GB/T 20485.13—2007 振动与冲击传感器校准方法第13部分：激光干涉法冲击绝对校准》[3]的具体要求，搭建了一种以电磁发射、Hopkinson杆激励与激光测试等技术为基础的高冲击加速度校准系统。同时，基于LabVIEW开发环境设计软件系统，可以实现被测传感器信号、激光干涉信号以及高低电平信号同步采集、数据处理及实时存储等功能。通过对数据采集卡以及电磁发射装置的控制，最终实现弹丸撞击速度、高冲击加速度峰值、脉宽以及被测传感器灵敏度的精准测量，具备高度集成化、一体化的特点。

1、校准原理

高冲击加速度校准系统由高冲击发生子系统与高冲击测量子系统2个部分组成，具体示意如图1所示。

高冲击发生子系统主要包括多功能集成箱、电磁发射器以及Hopkinson杆3个部分。将被校传感器安装于砧体上，利用真空夹具将波形整形器与砧体牢固地吸附在Hopkinson杆两端。在收到PC控制器的发射指令后，电磁发射装置利用驱动线圈与良导体弹丸之间的磁场耦合机制开始工作。其中，脉冲电容器、充电机、晶闸管、罗氏线圈、泄放电阻、气泵、整机控制模块以及通信光纤等均组装于多功能集成箱内。电磁发射器产生脉冲磁场后，位于线圈内部的弹丸同时产生感应涡流[4]。在电磁力的作用下，弹丸受到纵向力驱动开始加速运动，最终以一定速度与波形整形器相撞，并在Hopkinson杆中产生一个半正弦的压缩波。当压缩波沿杆向前传播至被测传感器的安装面上时，传感器受到高g值的激励，被击飞后由吸能装置进行回收[5]。

图1 高冲击加速度校准系统

高冲击测量子系统主要包括由PC控制器和LabVIEW软件组成的上位机以及由激光干涉仪、激光测速装置和数据采集卡组成的下位机2个部分。当弹丸飞行通过光学耦合器发出的两束激光时，会依次对激光信号进行遮断。遮断时，光电探测器输出为低电平，形成脉冲下降沿。结合两路下降沿的时间间隔与两路光束的垂直距离，即可计算得到弹丸撞击整形器前的平均速度。进行校准时，将激光干涉仪的光束垂直照射于砧体表面的反光纸上。传感器受到激励后，数据采集卡同步采集激光干涉仪输出的干涉信号和信号调理仪输出的传感器信号。利用LabVIEW软件编程对激光干涉信号进行解调，实现传感器所受激励的加速度量值的复现，最终计算得到被测传感器的灵敏度，具体过程如图2所示。

图2 信号处理原理

激光干涉信号uRF(t)的表达式如下[6]

式中up和φ0分别为uRF(t)的幅值与初始相位，sp和φs分别为振动位移的幅值与初始相位，fc为uRF(t)的载波频率，fv为振动速度的频率，λ为波长，t为时间。

由式可得，振动速度与振动位移分别对uRF(t)的频率与相位进行调制[7]。为获取uRF(t)的相位，将其正交化后得到两路干涉信号，并输入低通滤波器得到相互正交的u1(ti)和u2(ti)

式中u′p和f′c分别为正交信号的幅值与载波频率。

利用相位展开法提取得到uRF(t)的相位φMod(ti)[8]

式中n=1,2,…;nπ为相位补偿项，用以避免φMod(ti)的跳变[9]。

进一步可计算得到振动位移s(ti)[3]

由上式可得，φMod(ti)每增加π,s(ti)变化λ/4。将低通滤波后的s(ti)依次进行一次微分和二次微分，即可得到振动对应的速度v(ti)和加速度a(ti)。

从a(ti)与低通滤波后的传感器输出信号U(ti)中选取最大值作为加速度峰值apeak与传感器输出峰值Upeak,最后利用式(5)可计算得到传感器的冲击灵敏度S

S=Upeak/apeak(5)

2、硬件设计

校准系统的硬件部分主要包括NI PXIe—1092机箱、NI PXIe—8840控制器、NI PXIe—5111示波器板卡、NI PXIe—6396高速数据采集卡、Polytec HSV—100激光干涉仪、PCB 482C信号调理仪、激光测速装置以及电磁发射器等，其中校准系统的信息流如图3所示。

图3 校准系统信息流

系统中的NI PXIe—1092机箱与NI PXIe—8840控制器组成了一种具有强大数据处理能力的PXI系统，具有高数据带宽、高精度定时的特点。板卡A型号为NI PXIe—5111,是一种350 MHz带宽、1.5 GS/s采样率的双通道示波器板卡，可用于高速采集激光干涉仪输出的多普勒信号以及载波信号。板卡B型号为NI PXIe—6396,是一种14 MS/s采样率的8通道同步数据采集卡，可用于采集激光干涉仪输出的速度信号以及PCB 482C信号调理仪输出的被测传感器信号。

3、软件设计

采用“基于队列的动态多引擎生产者消费者”模式对高冲击加速度校准软件进行设计[10]。其中，“生产者”线程用于截获和传送用户的操作指令，是人机进行交互的接口。消息管理机构接收到指令后，选择直接在自身线程处理任务，或者通过队列将命令分发到各引擎。各引擎并联运行、信息独立，公用数据通过共享资源模块进行传递。该模式具有以下优点：1)实行托管机制，各线程负荷均衡；2)各模块耦合较少、权责清晰，利于维护和分工。

校准软件主要包括7大功能模块，具体如下：

1)用户送检信息录入模块：完成被测传感器相关信息的录入。

2)系统参数配置模块：进行数据采集卡和信号调理仪的初始化设置，包括采样频率、采样点数、触发电平、通道选择、信号增益等。

3)数据采集模块：点击“开始采集”,发射弹丸并采集信号。

4)数据处理模块：设置低通滤波器截止频率、载波频率等参数，完成激光干涉信号解调、传感器参数计算等运算工作。根据文献[11],为减少测量冲击加速度时的峰值误差，一般选用截止频率≥10/THz的低通滤波器进行滤波。

5)数据存储模块：点击“保存”,存储原始数据及运算结果。

6)证书生成模块：点击“报表生成”,根据规程要求生成校准证书。

7)数据查询模块：调取并查看历史校准数据。

3.1 数据采集模块

为实现激光干涉仪标准加速度信号与被测传感器加速度信号的比对计算，需实现对激光干涉信号与传感器信号的同步采集，即NI PXIe—5111与NI PXIe—6396的同步触发。模块的程序框图如图4和图5所示。具体实现方法如下：

1)板卡采集时钟同步：将NI PXIe—5111与NI PXIe—6396的参考时钟全部设置为NI PXIe—1092背板100 MHz时钟，从而实现两张板卡的采样时钟的同源；

2)板卡触发同步开始：利用激光干涉仪输出的速度信号实现NI PXIe—6396的触发，同时将该板卡的触发信号经由PXI触发总线传输至NI PXIe—5111,从而实现两张板卡的同步触发。

图4 板卡采集时钟同步

图5 板卡触发同步开始

3.2 数据处理模块

LabVIEW为用户提供了丰富的数学函数和公式节点，具备强大的数据分析和处理功能[12,13]。本文模块根据式(1)～式(5)进行设计，实现了激励加速度量值的复现以及传感器灵敏度的计算，部分程序框图如图6所示。

图6 数据处理模块

3.3 数据查询模块

本文模块采用数据库技术进行设计，试验中将采集及处理得到的数据存储至SQL Server数据库，试验后可根据相关参数条件进行历史数据筛选、回放以及证书生成，其程序框图如图7所示。

图7 数据查询模块

4、试验验证

选用某型压电式加速度传感器开展校准试验，其中，加速度峰值范围为20 000～110 000gn,通过改变电磁发射器的充电电压、弹丸的弹头形状和整型器的尺寸、材质对激励加速度的峰值与脉宽进行调整，试验结果如表1所示。

表1 高g值加速度传感器校准结果

以序号4为例，对位移信号s(ti)、速度信号v(ti)与加速度信号a(ti)依次选用截止频率为50,100,200 kHz的四阶巴特沃斯低通滤波器，软件主界面如图8所示。利用中物院计量测试中心的高冲击加速度标准装置对该传感器进行校准，灵敏度校准结果为0.026 58 pC/gn。由表1可得，本文系统的校准结果为0.026 37 pC/gn,与标准的偏差仅为-0.78 %,验证了本文系统的有效性。

图8 软件主界面

5、结束语

本文以高g值加速度传感器的校准原理和校准规程为基础，首先结合电磁发射技术与Hopkinson杆技术实现了对被测传感器的冲击激励，并利用激光干涉仪对激励量值进行复现。针对硬件系统，基于LabVIEW设计了一种高度自动化的高冲击加速度校准软件，通过开展与现有标准装置的对比试验，对本文系统的性能进行了验证，具有较高的工程应用价值。

参考文献:

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[10]何进松.基于PXI平台的光电通信转换器自动化测试系统设计[J].电子产品世界,2017(12):64-66.

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