基于虛擬儀器的高頻角振動測試系統(tǒng)研制

陳璐

(中航工業(yè)北京長城計量測試技術(shù)研究所，北京100095)

0 引言

角振動傳感器在航空、航天、艦船及兵器等領(lǐng)域均有重要的應(yīng)用。在對傳感器進(jìn)行動態(tài)校準(zhǔn)，或進(jìn)行反饋控制中，需要同時準(zhǔn)確獲取幅頻特性和相頻特性參數(shù)時，角振動傳感器的精準(zhǔn)溯源顯得尤為重要［1］。

為保證這些角振動傳感器的研制與生產(chǎn)，提高其技術(shù)指標(biāo)的測量準(zhǔn)確度，建立可實現(xiàn)量值溯源的絕對法測試系統(tǒng)具有重要意義［2］。目前國家或國防最高計量標(biāo)準(zhǔn)中都不包含角振動量，實際使用中的角振動量無法進(jìn)行量值溯源。國內(nèi)現(xiàn)有角振動臺的研制水平，與最高計量標(biāo)準(zhǔn)對角振動臺的要求還有一些距離，而且由于傳感器的動態(tài)特性要求比實際測試設(shè)備的工作頻率范圍要超出400 Hz，甚至600 Hz，另外慣性器件也正在朝高頻響、小型化的方向發(fā)展，這就需要我們對角振動臺的頻率范圍提出更高的要求。

高頻角振動測試系統(tǒng)基于高頻激光測速儀的設(shè)計原理，以平面光柵為合作目標(biāo)，采用激光多普勒動態(tài)參數(shù)測量方法和光柵差動式激光干涉技術(shù)，復(fù)現(xiàn)角振動量值，并直接溯源于長度和時間，從根本上解決了普通激光干涉儀測量固體表面橫向運動時不可避免的多普勒信號的隨機(jī)相位效應(yīng)，并提高了多普勒信號的信噪比。傳統(tǒng)的角振動測試系統(tǒng)需要對信號發(fā)生設(shè)備、激勵設(shè)備及各種傳感器件等多個儀器進(jìn)行操控，步驟繁瑣，費時費力，整個系統(tǒng)體積大、自動化程度低、不便于設(shè)備升級。

虛擬儀器技術(shù)利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效、靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應(yīng)用。具有如下特點:①集成度高、體積小 (虛擬儀器使用計算機(jī)軟件完成大部分?jǐn)?shù)據(jù)分析和處理功能，省去了大量的硬件，避免了顯示和存儲硬件的重復(fù)投資，大大減小了體積和重量);②配置靈活，便于維護(hù)、擴(kuò)展和升級 (由于虛擬儀器系統(tǒng)的主要功能由軟件完成，用戶可以根據(jù)需求量身訂制，便于升級，大大延長了儀器的技術(shù)壽命);③開放性、模塊化 (虛擬儀器硬件體系結(jié)構(gòu)由主機(jī)箱、控制器、各種外圍功能模塊組成。用戶可根據(jù)需要自由地構(gòu)建硬件系統(tǒng));④自動化程度高 (虛擬儀器中，測試任務(wù)的調(diào)度，數(shù)據(jù)的采集、分析、處理、存儲和輸出都可自動完成，大大降低人工處理數(shù)據(jù)中的錯誤率)。

在本文所闡述的基于虛擬儀器的高頻角振動測量系統(tǒng)中，將傳統(tǒng)角振動測量系統(tǒng)的激勵源發(fā)生與控制，振動臺狀態(tài)監(jiān)測，包括氣壓、溫度、電壓、電流等參數(shù)的監(jiān)測都集中由虛擬儀器軟件進(jìn)行控制，簡化了測量步驟，節(jié)省了人力，從而提高了工作效率，縮短了測量時間。

本文主要介紹高頻角振動測量系統(tǒng)設(shè)計，對光柵信號處理算法進(jìn)行重點研究，介紹了測量系統(tǒng)中虛擬儀器技術(shù)的應(yīng)用，并對測量系統(tǒng)進(jìn)行能力驗證［3］。

1 高頻角振動測量系統(tǒng)

高頻角振動測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，如圖1所示。傳感器安裝在角振動臺的臺面上，由信號源產(chǎn)生不同頻率和幅值的電壓信號通過控制器控制功率放大器來驅(qū)動角振動臺，角振動臺將以某一給定的頻率和振幅產(chǎn)生正弦角運動。校準(zhǔn)過程中，標(biāo)準(zhǔn)傳感器與被校傳感器同時安裝在角振動臺的臺面上 (比較法測量)或直接采用角振動臺的角度測量元件的輸出信號為標(biāo)準(zhǔn)信號 (絕對法測量)進(jìn)行測量。

圖1 高頻角振動測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

硬件部分主要包括光柵激光干涉儀、信號放大器、角振動臺和系統(tǒng)控制柜。其中，光柵激光干涉儀主要用來測量標(biāo)準(zhǔn)信號，將角振動量值直接溯源到長度量值;角振動臺作為激勵系統(tǒng);系統(tǒng)控制柜則包含了數(shù)據(jù)采集、信號發(fā)生器和功率放大器，這部分集成了整個系統(tǒng)的核心設(shè)備，即虛擬儀器硬件。高頻角振動測試系統(tǒng)設(shè)備實物圖如圖2所示。

圖2 高頻角振動測試系統(tǒng)設(shè)備

在高頻角振動測量系統(tǒng)中，光柵信號的解調(diào)處理、降低波形失真是系統(tǒng)設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)，也是本系統(tǒng)中借助虛擬儀器技術(shù)重點研究的對象。

高等職業(yè)院校要有教師信息能力和素養(yǎng)提升與發(fā)展的平臺，通過高等職業(yè)院校數(shù)字化資源的利用建立起教師信息化和數(shù)字化培養(yǎng)與發(fā)展體系，使教師通過數(shù)字化、信息化平臺認(rèn)知大數(shù)據(jù)技術(shù)，熟練掌握高等職業(yè)院校教育教學(xué)中應(yīng)該具備的能力和方法，真正能夠利用大數(shù)據(jù)成果更好地整合現(xiàn)有的高等職業(yè)院校教育教學(xué)資源，形成獨特的教育教學(xué)風(fēng)格以適應(yīng)高等職業(yè)院校改革教育的自身發(fā)展的需要。

2 信號處理方法

2.1 光柵信號解調(diào)

在圖1中，光柵輸出兩路相位差為π/2電信號，經(jīng)信號調(diào)理器放大后可以表示為

式中:h和k表示直流分量;a和b表示交流分量的幅值;φ表示兩路信號的相位。

當(dāng)光柵運動時，相位隨之變化，Ux和Uy的交流分量按正弦規(guī)律變化并且兩者的相位差為π/2。如果將Ux和Uy輸出至示波器的x和y軸，將會產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)矢量，形成李薩育圓。旋轉(zhuǎn)矢量每旋轉(zhuǎn)一周代表相位變化2π，對應(yīng)的被測目標(biāo)角位移為λ/2(λ為光柵柵距，此處為1200線/mm)，角位移和電信號的相位關(guān)系可表示為

經(jīng)過調(diào)整光路及信號調(diào)理器，可使交流分量的幅值相等，通過濾波去除直流分量，此時兩路正交信號的相位可以表示為

Ux和Uy信號被數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)字化后形成2個離散信號系列 Ux［n］，Uy［n］。被測目標(biāo)的位移 s［n］可通過下式計算:

由式 (5)中位移隨時間變化的離散時間系列數(shù)據(jù)，可以計算出被測目標(biāo)的角位移、角速度、角加速度。

公式中的k的計算是非常重要的。正交信號的相位變化如圖3所示，A，B，C，D，E是數(shù)據(jù)采樣點，當(dāng)光信號的相位增加時，采樣到的信號按從A至E的時間順序變化，在A向B點過渡時以及D向E點過渡時，k加1;反之，當(dāng)光信號相位減少時，信號相位從E至A減少，在E向D過渡及B向A過渡時，k減1。在計算過程中反正切計算值取主值區(qū)間-0.5π至0.5π。k值變化可以簡單地確定，當(dāng)信號相位從-0.5π向0.5π變化時，假定數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)至少采集到3個點(圖中的 B，C，D)，各相鄰點間的相位變化小于0.5π，如果相鄰點間的相位變化大于0.5π，那就意味著k發(fā)生了變化，當(dāng)相鄰點間相位變化Δθ＞0.5π時，k加1，當(dāng)Δθ＜ -0.5π，k減1。

圖3 正交信號相位展開圖

軟件框圖程序，如圖4所示。

圖4 光柵信號解調(diào)處理軟件框圖

2.2 降低波形失真

2.2.1 信號非線性補(bǔ)償

由于各種干擾的存在，導(dǎo)致兩路測量的光電信號存在一個相位差，其輸出電壓表達(dá)式為

式中:δ為正交信號相位偏差。這種非線性的直觀表示就是李薩育圖形不再是圓，而是橢圓。綜合上兩式，可獲得橢圓方程

式中:B，C，D，E，F(xiàn)為橢圓方程系數(shù)。

已知數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲得的Ux和Uy系列，可以采樣最小二乘法擬和出橢圓方程的系數(shù)，進(jìn)而由B，C，D，E，F(xiàn)計算出h，k，a，b及δ。采用下式進(jìn)行非線性補(bǔ)償 (橢圓修正)后獲得正交信號的相位:

非線性補(bǔ)償?shù)倪^程不可能完全實時進(jìn)行，一般要先測量一定量的數(shù)據(jù)計算出橢圓方程的系數(shù)，然后進(jìn)行修正。當(dāng)測量系統(tǒng)的橢圓方程系數(shù)在某個測量條件下保持不變時，可以實時進(jìn)行非線性修正。圖5為Ux和Uy系列進(jìn)行非線性補(bǔ)償前和補(bǔ)償后的李薩育圖形。

2.2.2 去干擾信號

對于干擾信號，由于其來源不同，其表現(xiàn)形式也多種多樣，本文針對系統(tǒng)中存在的兩種典型的干擾信號 (調(diào)頻干擾信號和周期性干擾信號)進(jìn)行濾波處理。調(diào)頻干擾信號時域表達(dá)式為

圖5 光柵信號的李薩育圖形

式中:Uj為調(diào)頻干擾信號的幅度;ωj為調(diào)頻干擾信號的中心頻率;kfm為調(diào)頻斜率。在去除此類型干擾信號的過程中，首先將正弦信號按整周期進(jìn)行分解，分別求取調(diào)頻干擾信號的中心頻率和調(diào)頻斜率，從而擬合出干擾信號，再逐一從有用正弦信號中減掉干擾信號成分，即實現(xiàn)濾波。系統(tǒng)中，信號頻率fn小于等于50 Hz時，采用此法進(jìn)行濾波處理。其濾波前后的效果如圖6所示。其中淺色部分為濾波后的有用信號，深色部分為濾波前混有噪聲的信號。

圖6 調(diào)頻干擾信號濾波前后的效果圖

對于周期性干擾信號，濾波過程相對簡單，本文采用巴特沃斯低通濾波器實現(xiàn)濾波，并利用相位補(bǔ)償方法彌補(bǔ)由于濾波帶來的相位損失。測量系統(tǒng)中，信號頻率fn大于50 Hz時，采用此法進(jìn)行濾波處理。其濾波前后的效果如圖7所示。

圖7 周期干擾信號濾波前后的效果圖

3 高頻角振動測量系統(tǒng)的虛擬儀器軟件

高頻角振動測試系統(tǒng)軟件針對光柵式外差激光干涉儀角振動校準(zhǔn)裝置設(shè)計而成，主要用于對角加速度傳感器、角位移傳感器和角速度傳感器的測試與校準(zhǔn)。整個軟件由硬件驅(qū)動模塊、數(shù)據(jù)處理模塊以及數(shù)據(jù)管理模塊三個功能模塊構(gòu)成。測量系統(tǒng)計算機(jī)控制界面如圖8所示。

圖8 高頻角振動測量系統(tǒng)軟件界面

硬件驅(qū)動模塊包括系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、信號源控制和數(shù)據(jù)采集控制等。可實現(xiàn)對NI6115兩個模擬輸入通道的控制，NI6220多個模擬輸入通道的控制，以及通過GPIB接口實現(xiàn)對Tektronix AFG3022B信號源的控制。

數(shù)據(jù)處理模塊實現(xiàn)光電信號的解調(diào)和測試結(jié)果的處理，包括信號解調(diào)、濾波處理等算法。

數(shù)據(jù)管理模塊實現(xiàn)了數(shù)據(jù)保存、打印等功能。數(shù)據(jù)保存包括原始數(shù)據(jù)和波形圖片的保存，并能夠通過打印的方式將結(jié)果輸出。

本測試系統(tǒng)軟件主程序流程如圖9所示。測試系統(tǒng)支持單頻率和掃頻兩種模式的信號源。

本系統(tǒng)通過虛擬儀器技術(shù)實現(xiàn)對儀器硬件的控制，能夠根據(jù)用戶的設(shè)置產(chǎn)生不同頻率和幅值的正弦波、三角波、方波等信號，即單一頻率控制;也能夠根據(jù)用戶設(shè)置的起始/終止頻率、掃頻時間和信號幅值等參數(shù)，產(chǎn)生幅值不變，信號頻率在一定頻率范圍內(nèi)進(jìn)行線性變化的掃頻信號。

通過硬件的GPIB接口和相應(yīng)的控制指令及語法，可以通過系統(tǒng)的虛擬儀器軟件設(shè)置儀器硬件的輸出。一般控制指令包括設(shè)置指令和查詢指令，前者可以用來改變儀器的某些參數(shù)或執(zhí)行一些特殊的操作;通過后者則可以獲取儀器的某些狀態(tài)信息或儀器的一些數(shù)據(jù)。

圖9 測試系統(tǒng)軟件流程圖

本系統(tǒng)的虛擬儀器硬件是Tektronix AFG3022B，軟件設(shè)計中利用虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu)即VISA接口對硬件進(jìn)行控制。首先，在LabVIEW平臺下，通過VISA Find Resource()和VISA Open()函數(shù)獲取硬件資源并打開一個與儀器的對話，這里資源名稱為“GPIB0::11::INSTR”，然后按照指令結(jié)構(gòu)編輯各種指令，利用VISA庫中的VISA Write()和VISA Read()函數(shù)實現(xiàn)與儀器設(shè)備的對話即完成各種控制操作，最后通過VISA Close()函數(shù)關(guān)閉此次對話并清空緩存釋放資源。

4 高頻角振動測量系統(tǒng)能力測試

在系統(tǒng)角振動臺面上安裝某型號陀螺，作為被校對象，其輸出信號即被校通道輸出，將光柵激光干涉儀信號解調(diào)結(jié)果作為標(biāo)準(zhǔn)通道的輸出，設(shè)置不同的振動頻率和幅值進(jìn)行能力測試，其位移失真度控制在3%以內(nèi)，系統(tǒng)測試結(jié)果以及標(biāo)準(zhǔn)偏差如表1所示。

從試驗數(shù)據(jù)可以看出，在允許的失真度范圍內(nèi)，系統(tǒng)完全能夠?qū)崿F(xiàn)10～700 Hz頻率范圍內(nèi)的測量，角加速度測量偏差能控制在5%以內(nèi)，位移失真度最大不超過2.5%。

5 結(jié)論

本文研制的基于虛擬儀器的高頻角振動測試系統(tǒng)，在實現(xiàn)了對角振動量的絕對法測量的基礎(chǔ)上，又進(jìn)一步提高了測量系統(tǒng)的自動化程度，擴(kuò)大了能力范圍?；谔摂M儀器的高頻角振動測試系統(tǒng)的成功研制保證了陀螺性能指標(biāo)的準(zhǔn)確性測試，加快了陀螺研究和生產(chǎn)的步伐，同時也為我所對陀螺的研制和應(yīng)用提供了有力的計量保障和動態(tài)測試手段，具有較大的社會效益和實用價值。

表1 高頻角振動測量和系統(tǒng)的測試結(jié)果以及標(biāo)準(zhǔn)偏差

［1］謝列金.激光陀螺及其應(yīng)用 ［M］.北京:航空工業(yè)出版社，1992.

［2］姜亞南.環(huán)形激光陀螺儀 ［M］.北京:清華大學(xué)出版社，1985.

［3］ CHEN Lu，LI Xinliang，ZHANG Dazhi.Virtual Instrument Based High Frequency Angular Vibration Testing System ［A］.Proceedings of CIMM-PTB SEMINAR ON DYNAMIC MEASUREMENTS AND NANOMETROLOGY［C］.北京:2011.

［4］ LabVIEW Manual［Z］.2010.

［5］ Uchiyama N.Takagi S.Sano S.Design of discrete-time adaptive repetitive controllers and application to feed drive systems［J］.Journal of Systems and Control Engineering，2007，221(1):39-47.