沖擊綜合自動校準系統的虛擬儀器軟件實現

陳璐

(中航工業北京長城計量測試技術研究所，北京100095)

0 引言

在我國國防領域，隨著新型火炮研制技術的不斷提高，對火炮的射擊準確度、可靠性等方面的要求也越來越高，火炮沖擊振動研究的重要性也就越發突顯出來，在某些方面，沖擊振動計量與測試分析甚至已經成為解決問題的唯一入口。

為保證現代火炮振動沖擊計量和測試分析中數據的可靠性和準確度，以及其力學環境實驗中控制準確度滿足要求，必須對測量使用的加速度計進行靈敏度、頻響特性等校準測試。火炮系統的加速度數據為衡量火炮威力和改進火炮及車載設備設計、乘員安全至關重要，沖擊綜合自動校準系統的建立將為加速度計動態特性研究提供很好的技術支持，是對加速度計頻響特性校準測試的擴展，不論是在加速度量值范圍上還是頻率范圍上，都是一次技術的擴充。同時，將為沖擊響應譜相關校準提供技術保障，是對沖擊相關參數校準的完善，將為準確控制沖擊響應譜環境試驗打下堅實的技術基礎。沖擊綜合自動校準系統將頻響特性校準與沖擊響應譜測量儀校準融合于一個系統，綜合實現兩種校準功能，為國防振動、沖擊計量與校準提供了強有力的技術支持與保障。

1 沖擊綜合自動校準系統的組成

沖擊綜合自動校準系統主要包括兩個部分:一部分是采用激光干涉法通過傳遞函數實現被校傳感器的頻響校準，即加速度計頻響校準裝置;一部分是采用激光干涉法實現沖擊響應譜測量儀的絕對法校準，即沖擊響應譜測量儀校準裝置。本文將詳細介紹沖擊綜合自動校準系統的軟件實現方法，對于硬件裝置將不作詳細介紹。

2 沖擊綜合自動校準方法及原理

不論是加速度計傳遞函數測量裝置還是沖擊響應譜測量儀的校準裝置，均采用激光多普勒原理，并利用虛擬儀器構建方法，建立沖擊綜合自動校準系統軟件。通過虛擬儀器軟件將激光干涉儀的輸出信號解算出標準通道加速度信號，與被校加速度計的輸出波形進行相應的數字信號分析，確定被測加速度計的傳遞函數;利用解算出的標準加速度信號，虛擬儀器軟件能夠同時進行相應的沖擊響應譜分析，和被校沖擊響應譜測量儀的沖擊響應譜輸出曲線進行比較，完成沖擊響應譜測量儀的校準。

3 虛擬儀器軟件的實現

3.1 結構設計及軟件界面

軟件的結構框圖及主界面如圖1，2 所示。沖擊綜合自動校準系統軟件采用LabVIEW 編程，測試于WINDOWS XP 操作平臺之下，主要用于對沖擊加速度計的頻響校準以及對沖擊響應譜測量儀的校準。整個軟件主要由硬件控制功能和沖擊校準處理功能組成。

硬件控制模塊包括采樣硬件參數設置模塊和測量模塊。可實現對高速數據采集卡NI5124 的CH0，CH1及觸發端，以及對NI6281 的AD 進行參數設置與數據采集控制。首先，利用NI5124 的觸發端啟動采集卡，然后分別利用NI5124 和NI6281 完成對光電信號和傳感器信號的數據采集。

沖擊自動校準模塊包括光電信號解調模塊、沖擊響應譜校準模塊和頻響校準模塊。光電信號解調模塊中還包括對信號的相移、混頻、濾波、求導等;沖擊響應譜校準模塊包括正/負向初始響應譜的獲取和正向初始響應譜的最大峰值及對應頻率的計算;頻響校準模塊中還包括連續/離散系統傳遞函數及校準靈敏度的計算等功能。

進行頻響校準時，首先將激光干涉儀的光電信號分別接入NI5124 的CH0，再將傳感器的輸出信號同時接入NI6281 的AD 通道和NI5124 的觸發端，當完成一次沖擊過程時，傳感器信號觸發啟動兩塊卡完成數據采集，再利用軟件完成光電信號解調與頻響校準數據處理，即可得到一次加速度計的頻響校準結果;進行沖擊響應譜校準時，首先利用數據采集卡獲取激光干涉儀的光電信號，再利用軟件完成信號解調與沖擊響應譜校準功能，即可得到正/負向初始響應譜和正向初始響應譜的最大峰值及對應頻率。

圖1 軟件結構框圖

圖2 軟件主界面

3.2 算法實現

3.2.1 傳遞函數

傳遞函數法之精髓在于其由表及里的分析方法和分析思想，即從系統外部輸出與輸入之間的關系，通過分析其系統結構(模型)的重要參數與相關系數，如系統延遲時間、采樣率等，從而獲悉系統的固有特性。由此法不管系統內部結構復雜或簡單，只要通過對系統外部輸出與輸入的仔細解析，便不難揭示系統內部的功能和結構特性。

1)計算方法

對于線性定常系統，在零初始條件下，系統輸出量的拉氏變換與引起該輸出的輸入量的拉氏變換之比，稱為系統的傳遞函數。

質量－彈簧－阻尼系統，由二階微分方程式來描述它的動態特性，即

在所有初始條件均為零的情況下，對上式進行拉氏變換，得

按定義，傳遞函數為

系統輸出量的拉氏變換Xo(s)為

同樣，在零初始條件下，對式(1)進行拉氏變換，可得無源電路網絡的傳遞函數為

式(1)和式(3)表明，傳遞函數是復數S 域中的系統數學模型，它僅取決于系統本身的結構及參數，而與輸入、輸出的形式無關。

由式(2)可知，如果Fi(s)給定，則輸出Xo(s)的特性完全由傳遞函數G(s)決定，因此，傳遞函數G(s)表征了系統本身的動態本質。這是容易理解的，因為G(s)是由微分方程式經過拉氏變換得來的，而拉氏變換是一種線性變換，只是將變量從時間域變換到復數域，將微分方程變換為s 域中的代數方程來處理，所以不會改變所描述的系統的動態本質。

設線性定常系統的微分方程的一般形式為

式中:xo(t)為系統輸出量;xi(t)為系統輸入量;a0，a1，…，an及b0，b1，…，bm均為系統結構參數所決定的實常數。

設初始條件為零，對式(4)進行拉氏變換，可得系統傳遞函數的一般形式

令

式(5)可表示為

D(s)=0 稱為系統的特征方程，其根稱為系統特征根。特征方程決定著系統的穩定性。

2)軟件實現

在LabVIEW 平臺下，主要利用如下兩個重要的子VI 完成:

SI Estimate Continuous Transfer Function Model (SISO Array).vi (計算單輸入單輸出系統連續傳遞函數)。

SI Estimate Frequency Response (Array). vi (計算系統頻率響應)。

具體的計算步驟如下圖所示:①驗證輸入波形的有效信息;②參數檢驗;③計算連續傳遞函數的初始系數;④優化連續傳遞函數;⑤建立系統傳遞函數的模型;⑥計算傳函結構(模型)的系數;⑦計算傳函結構(模型)的延遲時間;⑧計算該系統結構(模型)的采樣率;⑨完成系統傳函的計算，并輸出。

3.2.2 沖擊響應譜

沖擊響應譜是一種沖擊響應的譜分解法。系統在受到沖擊作用后，為了描述系統運動參數的實踐歷程，響應的最大峰值可綜合成不同阻尼比的響應系統的固有頻率或固有周期的函數，并將這種表示方法稱為沖擊響應譜。

1)計算方法

沖擊響應譜的計算流程如圖3 所示。

圖3 沖擊響應譜計算流程

其求取方法主要有:直接積分法，Fourier 變換法，遞推法，數字濾波器。本文主要采用數字濾波器法實現，其具體計算步驟如下:①驗證輸入波形數據的有效性;②獲得信號通道信息;③預處理沖擊信號;④計算所有頻率成分;⑤計算遞歸濾波器的參數并進行濾波;⑥計算對應頻率下的最大峰值響應;⑦單位轉換;⑧完成沖擊響應譜的計算，并輸出。

2)軟件實現

在LabVIEW 平臺下，主要利用如下兩個重要的子VI 完成。

SVT Shock Response Spectrum (1 Ch－1 Max Type). vi (計算沖擊響應譜);

SVL Scale Voltage to EU (1 Ch). vi (單位轉換)。

4 試驗驗證

4.1 加速度計頻響校準方法驗證

對B＆K 公司的8309 型加速度計進行沖擊校準實驗，利用系統軟件的頻響校準功能對實驗數據進行處理，得到如表1 處理結果。

表1 8309 頻響試驗數據結果

4.2 沖擊響應譜測量儀校準方法驗證

對200 kg 沖擊響應譜試驗機(型號:Y52200 －12/ZF;編號:10001)，在沖擊加速度峰值分別為75 g和500 g 兩個點下進行沖擊實驗，利用標準試驗系統中的校準軟件和本系統中的校準軟件分別對實驗數據進行沖擊響應譜的計算，對兩種算法進行比較驗證。

表2 不同加速度峰值的數據處理結果

圖4、圖5 和圖6 分別為原始沖擊波形、標準軟件下的沖擊響應譜譜圖和本系統軟件下的沖擊響應譜譜圖。

圖4 原始沖擊波形

5 結論

通過比對試驗證明:沖擊綜合自動校準系統完全能夠實現加速度計頻響校準和沖擊響應譜測量儀的絕對法校準功能，在數值上傳遞函數法校準靈敏度與傳統峰值法校準靈敏度的最大偏差小于2.0%，而沖擊響應譜測量儀校準方法與標準試驗系統的處理結果，不論是數值還是譜圖趨勢上也完全能夠對應上，而且與標準系統中軟件相比，大大提高了處理速度，這就驗證了沖擊綜合自動校準系統的可行性與正確性，為沖擊振動計量與校準提供了新的方法與手段，極大地提高了航空領域沖擊振動測量與校準能力，提高了測量與校準效率。

圖5 標準軟件下的沖擊響應譜譜圖

圖6 本系統軟件下的沖擊響應譜譜圖

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