溫度、濕度、振動綜合環(huán)境試驗(yàn)系統(tǒng)現(xiàn)場校準(zhǔn)裝置研制

楊錦杰，冉學(xué)臣，梅現(xiàn)均

(國防科技工業(yè)5012 二級計量站，重慶400023)

0 引言

溫度、濕度、振動綜合環(huán)境試驗(yàn)系統(tǒng)主要用于航天、航空、電子、通訊等科研及生產(chǎn)單位，其主要功能是在試驗(yàn)箱內(nèi)提供溫濕度變化環(huán)境，同時將振動應(yīng)力施加到試驗(yàn)產(chǎn)品上，供用戶對整機(jī)(或部件)、電器、儀器、材料等做溫度、濕度、振動綜合應(yīng)力篩選試驗(yàn)，以便考核產(chǎn)品的適應(yīng)性或?qū)Ξa(chǎn)品的行為作出評價。

本裝置根據(jù)溫度、濕度、振動綜合環(huán)境試驗(yàn)系統(tǒng)的特點(diǎn)而設(shè)計，應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，僅用一套裝置解決了綜合試驗(yàn)設(shè)備溫度、濕度、振動多參數(shù)的同步現(xiàn)場校準(zhǔn)問題，保證了產(chǎn)品的質(zhì)量，提高了工作效率。

1 校準(zhǔn)裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

校準(zhǔn)裝置主要由測量傳感器、變送器、電荷放大器以及數(shù)據(jù)采集和控制器系統(tǒng)三大部分組成，裝置原理圖如圖1。

圖1 溫度、濕度、振動綜合環(huán)境試驗(yàn)系統(tǒng)現(xiàn)場校準(zhǔn)裝置原理圖

1.1 測量傳感器選型

溫度傳感器選用常用的四線制Pt100 鉑電阻傳感器，它體積小、響應(yīng)快、靈敏度高。選用了兩種單軸向加速度傳感器:丹麥B＆K 公司的4371 電荷型加速度傳感器，美國ENDEVCO 公司的2271A 電荷型加速度傳感器，這樣選型可以保證加速度傳感器有更寬的量程和溫度范圍，以及傳感器質(zhì)量大小對振動臺推力的影響，滿足不同溫度、濕度、振動綜合環(huán)境試驗(yàn)系統(tǒng)校準(zhǔn)的需要。同理，三軸向加速度傳感器選型也選用了兩種:丹麥B＆K 公司的4321 電荷型加速度傳感器和美國ENDEVCO 公司的2228C 電荷型加速度傳感器。

1.2 變送器和電荷放大器選型

溫濕度變送器選用奧地利E +E 公司的EE31 溫濕度變送器;對于電荷型放大器，我們選用丹麥B＆K 公司的2692C 電荷放大器。

1.3 組建數(shù)據(jù)采集和控制器系統(tǒng)

在自動化測量系統(tǒng)中，目前主要用到的先進(jìn)技術(shù)規(guī)范有VXI 和PXI。VXI 規(guī)范和PXI 規(guī)范之間的主要差別在于它們各自的底層總線結(jié)構(gòu)不同。VXI 規(guī)范基于VME 總線，主要用于滿足高端自動化測試應(yīng)用的需要，然而，因?yàn)槠涑杀咎咭约笆褂肰XI 規(guī)范的測量裝置尺寸大，限制其成為主流應(yīng)用。而PXI 規(guī)范基于PCI 總線，PCI 總線在臺式計算機(jī)中廣泛應(yīng)用，其裝置成本低。另外，由于使用PXI 規(guī)范的測量裝置尺寸小，所以它方便攜帶?；谝陨弦蛩乜紤]，本裝置所設(shè)計的數(shù)據(jù)采集和控制器選定PXI 技術(shù)規(guī)范，并以此為標(biāo)準(zhǔn)對整個系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)建。

一個PXI 系統(tǒng)由一個機(jī)箱、系統(tǒng)控制器以及數(shù)個外設(shè)模塊組成。機(jī)箱選用美國NI 公司的PXI －1042Q機(jī)箱，該機(jī)箱是帶通用電源的8 槽3U PXI 機(jī)箱，可滿足各種測試和測量應(yīng)用的需求;系統(tǒng)控制器選用美國NI 公司的PXI －8108 控制器，PXI －8108 配有2.53 GHz 雙核處理器和800 MHz DDR2 內(nèi)存;選用美國NI公司的PXI －4461 模塊作為PXI 信號源模塊;選用美國NI 公司的PXI－4462 模塊作為PXI 振動數(shù)據(jù)采集模塊，完成對振動傳感器數(shù)據(jù)的采集功能，PXI－4462 模塊具有4 路同步采樣模擬輸入通道， ±316 mV 到±42.4 V 輸入范圍，最高采樣速率達(dá)204.8 kS/s，118dB動態(tài)范圍，24 位分辨力，具有抗混疊濾波功能，完全滿足振動測量要求;選用兩塊美國NI 公司的PXI －4351 模塊分別作為PXI 溫度數(shù)據(jù)采集模塊和PXI 濕度數(shù)據(jù)采集模塊，完成對溫度和濕度數(shù)據(jù)的采集功能，PXI－4351 模塊配合鉑電阻測量時誤差為0.12℃，具有16 路電壓輸入，24 位分辨力，完全滿足溫度和濕度測量要求;選用美國NI 公司的PXI －6281 模塊作為預(yù)留接口，主要目的是為今后進(jìn)一步開發(fā)和完善本系統(tǒng)做準(zhǔn)備。

我們將兩塊TBX －68T 接線盒、交直流電源轉(zhuǎn)換器等封裝起來，做成鉑電阻和溫濕度變送器的便攜式接口適配器，如圖2 所示。

圖2 鉑電阻和溫濕度變送器的便攜式接口適配器實(shí)物圖

接口適配器包括16 路溫度通道、4 路濕度通道。由于采用四線制PT100 和EE31 溫濕度變送器，所以需要對五芯接口進(jìn)行定義。溫度通道的五芯接口定義為:1，信號1;2 ，信號2;3，RES;4，信號1;5，信號2;濕度通道的五芯接口定義為:1，電流/電壓+;2，5V+;3，24V+;4，GND;5，RES。測量溫濕度時，可直接將傳感器插頭插入五芯接口，再將接口適配器的68PIN 電纜接頭與PXI 機(jī)箱中的4351 采集卡連接即可。

2 校準(zhǔn)方法

溫度、濕度、振動綜合環(huán)境試驗(yàn)系統(tǒng)的現(xiàn)場校準(zhǔn)按JJF1270 －2010 《溫度、濕度、振動綜合環(huán)境試驗(yàn)系統(tǒng)》校準(zhǔn)規(guī)范分為三個大步驟:首先單獨(dú)對環(huán)境試驗(yàn)箱溫度、濕度參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn);然后單獨(dú)對振動試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn);最后對綜合試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行三參數(shù)的綜合校準(zhǔn)。

這里重點(diǎn)介紹對綜合試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行三參數(shù)的綜合校準(zhǔn)。綜合校準(zhǔn)分為5 個小步驟:①確保三綜合試驗(yàn)設(shè)備的振動臺處于垂直狀態(tài)，臺面空載、整個三綜合試驗(yàn)設(shè)備無負(fù)載。②將溫度傳感器、濕度傳感器和振動傳感器同時放入其中，并安裝牢固，接通三綜合試驗(yàn)設(shè)備的電源，將其溫濕度控制儀表調(diào)到溫度70℃和濕度80%RH，等溫度和濕度達(dá)到規(guī)定值并穩(wěn)定后，啟動設(shè)置好的振動臺，等待30 min 后，應(yīng)用本裝置同時對溫度、濕度和振動信號進(jìn)行采集，對溫度值、濕度值和振動加速度幅值示值誤差等技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時顯示，并記錄環(huán)境試驗(yàn)箱的溫度、濕度示值，按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的計算公式分析各種技術(shù)指標(biāo)。③將其溫濕度控制儀表調(diào)到溫度－55℃，變溫速率≥5℃/min，在變溫過程中，應(yīng)用本裝置對溫度和振動信號進(jìn)行采集，計算變溫速率和振動加速度幅值示值誤差等指標(biāo)。④停止振動臺，等溫度達(dá)到規(guī)定值并穩(wěn)定后，啟動設(shè)置好的振動臺，等待30 min 后，應(yīng)用本裝置同時對溫度和振動信號進(jìn)行采集，對溫度值、振動試驗(yàn)系統(tǒng)動態(tài)范圍等技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時顯示，并記錄環(huán)境試驗(yàn)箱的溫度示值，按校準(zhǔn)規(guī)范的計算公式分析各種技術(shù)指標(biāo)。⑤將其溫濕度控制儀表調(diào)到溫度70℃和濕度80%RH，變溫速率≥5℃/min，在變溫過程中，應(yīng)用本裝置對溫度和振動信號進(jìn)行采集，計算變溫速率和振動加速度幅值示值誤差等指標(biāo)，并進(jìn)行存儲。

3 軟件設(shè)計

軟件是整個校準(zhǔn)裝置的核心，它直接決定了整個校準(zhǔn)裝置性能及應(yīng)用效果。本系統(tǒng)中，選擇了Visual basic 6.0 、LabVIEW 8.5 和NI measurement studio 8 作為開發(fā)平臺。專用校準(zhǔn)軟件架構(gòu)采用模塊化設(shè)計，采用模塊化設(shè)計的目的是增加軟件的靈活性和提高軟件的整體效率。整個校準(zhǔn)軟件的模塊框圖如圖3 所示。

圖3 綜合試驗(yàn)設(shè)備現(xiàn)場校準(zhǔn)專用軟件模塊框圖

整個軟件分成兩大部分，溫度、濕度校準(zhǔn)系統(tǒng)和振動沖擊校準(zhǔn)系統(tǒng)。溫度、濕度校準(zhǔn)系統(tǒng)又細(xì)分成5個小軟件模塊，分別為:文件，顯示，工具，報告和設(shè)置;振動沖擊校準(zhǔn)系統(tǒng)細(xì)分成4 個小軟件模塊，分別為:單通道模式，具有單個通道的時域、頻域分析功能，可以測量振動幅值，頻率示值，諧波失真度、速度和位移等技術(shù)指標(biāo);多通道模式，具有多個通道的時域、頻域分析功能，可以測量橫向振動比，振動幅值均勻性等技術(shù)指標(biāo);沖擊模式，具有預(yù)觸發(fā)、正負(fù)極性觸發(fā)、平均值、容差帶等分析計算功能;簡單模式，具有振動幅值，頻率示值等簡單技術(shù)指標(biāo)測量功能，方便測量人員操作和判斷。本校準(zhǔn)軟件單通道模式運(yùn)行界面如圖4 所示。

圖4 單通道模式運(yùn)行界面

4 部分關(guān)鍵技術(shù)

4.1 加速度諧波失真度測量實(shí)現(xiàn)方法

由于波形失真是各種非線性系統(tǒng)普遍存在的問題，諧波分析廣泛應(yīng)用于各個技術(shù)領(lǐng)域，因此LabVIEW 提供了各種類型的諧波失真測量函數(shù)，一般主要使用“諧波失真分析”VI。“諧波失真分析”VI 對輸入信號進(jìn)行全諧波分析。具體實(shí)現(xiàn)方法是:使用“諧波失真分析”VI 對加速度時域樣本進(jìn)行諧波失真分析，獲得基波A1和2 到5 次的諧波頻率下的幅值(A2～A5)，根據(jù)公式(1)計算諧波失真度:

通過試驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)使用“諧波失真分析”VI時，測量準(zhǔn)確度較高，原因是它的內(nèi)部對信號進(jìn)行了加Hanning 窗處理，能夠減小頻率泄漏。

4.2 數(shù)據(jù)采集技術(shù)

本裝置選用的數(shù)據(jù)采集模塊為美國國家儀器公司的產(chǎn)品，其提供的Windows 驅(qū)動程序?yàn)镹I －DAQmx。要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，其主要過程有7 個步驟:

1)創(chuàng)建采集任務(wù)

在NI－DAQmx 驅(qū)動中，所有的采集、控制、通信動作都被統(tǒng)稱為任務(wù)，任務(wù)創(chuàng)建后，所有的其它操作都以任務(wù)句柄為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)置。其API 如下:

int32 DAQmxCreateTask (const char taskName ［］，TaskHandle * taskHandle);

其中，TaskHandle 即為任務(wù)句柄。

2)設(shè)置采集通道

本軟件中，用戶可以設(shè)定的通道數(shù)為8 個，可以任意組合。組合好后以通道字符串的形式傳遞給創(chuàng)建采集通道函數(shù)，以下是創(chuàng)建加速度模擬輸入通道的API函數(shù):

int32 DAQmxCreateAIAccelChan (TaskHandle taskHandle，const char physicalChannel ［］，const char nameToAssignToChannel ［ ］， int32 terminalConfig，float64 minVal，float64 maxVal，int32 units，float64 sensitivity，int32 sensitivityUnits，int32 currentExcitSource，float64 currentExcitVal， const char customScaleName［］);

其中，physicalChannel 為物理通道的名稱字符串，可以是一個或多個通道的組合;sensitivity 為傳感器的靈敏度;currentExcitSource 為傳感器激勵源;currentExcitVal 為激勵電流的大小。

3)設(shè)置采樣時鐘和時序

用來設(shè)置采樣的時鐘源、采樣率、觸發(fā)沿、采樣點(diǎn)數(shù)及采樣方式，其API 函數(shù)如下:

int32 DAQmxCfgSampClkTiming (TaskHandle taskHandle，const char source ［］，float64 rate，int32 activeEdge，int32 sampleMode，uInt64 sampsPerChanToAcquire);

其中，采樣模式sampleMode 有DAQmx_ Val_ FiniteSamps (有限點(diǎn)數(shù))、DAQmx_ Val_ ContSamps (連續(xù)采樣)、DAQmx_ Val_ HWTimedSinglePoint (硬件定時單點(diǎn)采樣)三種可選，本軟件選用的是連續(xù)采樣。

4)開始采集任務(wù)

將以上各項(xiàng)設(shè)置好后，就可以開始采集了，調(diào)用的API 函數(shù)如下:

int32 DAQmxStartTask (TaskHandle taskHandle);

其中TaskHandle 為任務(wù)句柄。軟件調(diào)用了該函數(shù)后，將自動觸發(fā)測試(如果沒有設(shè)置其它的觸發(fā)方式)。

5)讀取采集任務(wù)

讀取觸發(fā)后測試的數(shù)據(jù)。對于本項(xiàng)目中的連續(xù)采樣，即一次采樣有限樣本，完成后馬上讀取另外有限樣本，讀取、分析數(shù)據(jù)都必須在采集完成兩個有限樣本間的時間間隙間完成。讀取采集的API 如下:

int32DAQmxReadAnalogF64 (TaskHandle taskHandle，int32 numSampsPerChan，float64 timeout，bool32 fillMode，float64 readArray ［］，uInt32 arraySizeInSamps，int32 * sampsPerChanRead，bool32 * reserved);

其中，readArray 為讀取的數(shù)組。

6)停止采集任務(wù)

完成測試后(比如用戶停止測試)，需要調(diào)用如下的API 函數(shù):

int32 DAQmxStopTask (TaskHandle taskHandle);

其中TaskHandle 為任務(wù)句柄。

7)清除采集任務(wù)

完成整個測試后，退出應(yīng)用程序前，需要調(diào)用如下的API 函數(shù)清除采集任務(wù):

int32 DAQmxClearTask (TaskHandle taskHandle);

其中TaskHandle 為任務(wù)句柄。

4.3 解決現(xiàn)場各種干擾對測量結(jié)果的影響

為了解決現(xiàn)場各種干擾對測量結(jié)果的影響，本裝置同時采用了模擬濾波器和數(shù)字濾波器。它們既可以消除噪聲，又可以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)抗混疊濾波。具體使用時，模擬濾波器的截止頻率設(shè)計在數(shù)據(jù)采集模塊最高采樣率的1/2 處，而數(shù)字濾波器的截止頻率設(shè)在用戶通過軟件設(shè)定的采樣率的1/2 處，這樣才能夠保證抗混疊濾波作用的實(shí)現(xiàn)。本校準(zhǔn)軟件設(shè)計的數(shù)字濾波器界面如圖5 所示。

圖5 數(shù)字濾波器界面

5 校準(zhǔn)裝置的溯源

5.1 校準(zhǔn)裝置溫度、濕度參數(shù)的溯源

采用一等鉑電阻標(biāo)準(zhǔn)裝置，對本裝置和專用軟件一起進(jìn)行溫度整體校準(zhǔn)，溫度校準(zhǔn)結(jié)果的最大誤差為0.18℃，低于JJF1270 －2010 中表2 給出的溫度測量系統(tǒng)最大允許誤差±0.2℃，滿足校準(zhǔn)規(guī)范校準(zhǔn)用儀器要求;采用精密露點(diǎn)儀和溫濕度檢定箱，對本裝置和專用軟件一起進(jìn)行濕度整體校準(zhǔn)，濕度校準(zhǔn)結(jié)果的最大誤差為1.7%RH，低于JJF1270 －2010 中表2 給出的濕度測量系統(tǒng)最大允許誤差±2%RH，滿足校準(zhǔn)規(guī)范校準(zhǔn)用儀器要求。

5.2 校準(zhǔn)裝置振動參數(shù)的溯源

將本裝置送到中航工業(yè)計量所，先對加速度傳感器和電荷放大器進(jìn)行檢定，檢定結(jié)果全部合格，滿足檢定規(guī)程的要求;再對本裝置和專用軟件一起按JJG834 －2006 《動態(tài)信號分析儀檢定規(guī)程》進(jìn)行整體檢定，檢定結(jié)果合格。經(jīng)過測量不確定度分析，本裝置加速度幅值測量不確定度U = 2.2% (k = 2)，低于JJF1270 －2010 中表2 給出的振動測量分析系統(tǒng)加速度幅值U = 3% (k = 2)，滿足校準(zhǔn)規(guī)范校準(zhǔn)用儀器要求。

最后，進(jìn)行溫度響應(yīng)的檢定。選擇型號為BK4802+4817 的標(biāo)準(zhǔn)振動臺，將振動臺嵌入到溫度箱中。將本裝置加速度傳感器放在溫度箱內(nèi)，上級加速度傳感器放在溫度箱外，設(shè)置溫度箱的環(huán)境溫度為23℃， －55℃和70℃，在f =160 Hz，a =100 m/s2，具體檢定數(shù)據(jù)如表1。

表1 溫度響應(yīng)

在校準(zhǔn)溫度、濕度、振動綜合環(huán)境試驗(yàn)系統(tǒng)時，必須按環(huán)境溫度設(shè)置傳感器靈敏度。

6 結(jié)束語

該校準(zhǔn)裝置使用了PXI 技術(shù)，體積比傳統(tǒng)儀器大大減小，并開發(fā)了專用校準(zhǔn)軟件對信號進(jìn)行采集、分析和處理，具有很強(qiáng)的靈活性。采用該校準(zhǔn)裝置到現(xiàn)場對溫度、濕度、振動參數(shù)進(jìn)行同步校準(zhǔn)，既節(jié)省了經(jīng)費(fèi)，又便于攜帶，較好地解決了溫度、濕度、振動綜合環(huán)境試驗(yàn)系統(tǒng)的校準(zhǔn)和量值溯源問題。今后可進(jìn)一步開發(fā)和完善該校準(zhǔn)裝置，改進(jìn)軟件的各種算法，提高其測量準(zhǔn)確度。

［1］國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.JJF 1270 －2010 溫度、濕度、振動綜合環(huán)境試驗(yàn)系統(tǒng)校準(zhǔn)規(guī)范［S］.

［2］國防科工委科技與質(zhì)量司. 計量技術(shù)知識［M］. 北京:原子能出版社，2002.

［3］楊樂平.LabVIEW 程序設(shè)計與應(yīng)用［M］. 北京:電子工業(yè)出版社，2006.

［4］雷振山，魏麗，趙晨光，等.LabVIEW 高級編程與虛擬儀器工程應(yīng)用［M］. 北京:中國鐵道出版社，2009.

［5］白云，高育鵬，胡小江，等. 基于LabVIEW 的數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)［M］. 西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2009.