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基于虛擬儀器的加速度計測試系統方案設計
發布時間：2017-11-22
引言
導彈武器系統的射擊精度偏差主要是由慣性器件測量誤差引起的,而加速度計占其大部分,因此對加速度計的測試特別是對誤差系數的標定提出了很高的要求。目前加速度計測試工序多,操作復雜,很容易引起誤操作,同時測試系統不能滿足自動化、快速化的測試要求。隨著虛擬儀器技術的飛速發展,出現了PXI總線。PXI總線是PCI總線的一種擴展總線,由于其模塊化、通用性以及標準化及軟件兼容性設計等優點,使之成為目前應用最廣泛的測試總線。基于PXI總線的優點以及為了有效的提高測試效率和自動化水平,設計了基于PXI總線的加速度計自動化測試系統。
1加速度計測試原理
加速度計的測試是根據重力加速度矢量可以作為標定加速度計的標準輸入量的原理進行的,以改變儀表相對于重加速度矢量的位置來改變儀表各軸的輸入信息,從而確定加速度計的各項誤差系數。它的主要參數模型可以用轉臺轉動角度0°、90°、180°、270°4個基本位置的輸出計算。4位置法提供的信息有限而無法辨識高階項,加速度計的簡化模型如式(1):U= k0+k1ai+k2a2i(1)式中:k0為加速度計的零偏;k1為加速度計的標度因數;k2為加速度計的二階非線性系數。加速度計在各個位置的輸出可以表示為式(2)：
式中:α為安裝誤差角和旋轉誤差角;β為繞轉軸垂直方向的滾動角。
聯立方程組,并求解得到:
2自動化測試系統的組成
自動測試系統板卡部分均采用美國NI公司的產品,所有的板卡均插在PXI-1025的機箱中。NI公司為每個模塊提供了完整的驅動程序庫,把模塊安裝到PXI機箱中,在計算機上安裝相應的軟件系統,包括虛擬儀器的開發工具,以及每塊板卡對應的驅動程序,就可以在計算機上構建整個測試系統。為管理整個系統中的軟硬件資源,NI開發了自己的系統管理工具Measurement & AutomationExplorer,簡稱MAX。它是一個集成到Windows Explorer的工具,用戶可以利用這個工具管理NI公司的儀器設備,對硬件進行各種必要的設置和測試。該測試系統組建主要采用NI8176系統控制器、NI-6602高速計數器、NI-6070E多功能數據采集板、NI-4070數字萬用表等。組建測試系統時,由于加速度計是敏感度很高的慣性器件,容易受到外界環境、溫度以及測試設備的精度等因素的影響,因此組建測試系統時必須考慮抗干擾以及微小信號的測量問題。
2.1測試系統硬件組成
根據通用測試要求選擇硬件包括:
1) PXI機箱
組建自動測試系統采用NI公司PXI-1000機箱,PXI-1000基本參數為:尺寸40.4 cm×43.9 cm×17.7 cm,底座上由8槽PXI,4槽SCXI。
2) NI-8176
系統采用NI-8176嵌入式計算機作為系統控制器,完成整個測試系統的控制任務。它控制整個系統按預定程序正常運行。NI8176采用主頻為1.26 G的PentiumIII處理器,最高支持512 M內存,內置10 G(或更大)硬盤。NI-8176通過自己的RS232接口輸出轉動指令,來控制位置轉臺按程序要求進行轉動。
3) PXI-6602
PXI6602計數器/定時器在該系統中主要用于測量加速度計在規定的時間內輸出的脈沖數,為加速度計的標定提供原始數據。包含8路32位計數器/定時器,用于對數字、脈沖信號的采集以及交流或周期信號頻率、周期的測量。它具有最高80 MHz的源頻率(帶預定標器可高達125 MHz),以及數字防抖動過濾與短時脈沖干擾消除。
4) NI-6070E
NI-6070E多功能數據采集卡主要用于監視電流和電壓信號。在具有12位模擬輸入,可用于連續或單點高速數據采集,模擬輸入、模擬輸出的同步控制。NI-6070E提供多達64路單端或32路差分模擬輸入。1.25 MS/s的采樣速度和1.25 MS/s磁盤寫入速度;輸入范圍±0.05~±10 V。另外還有兩路12位模擬輸出、8條數字I/O線和兩路24位計數器/定時器。
5) NI-4070
NI-4070是集成精密測量的高精度多功能數據采集卡,在該系統中主要用于采集加速度計輸出信號,它的采樣精度達到612(22 bit),能夠完成微小信號的高精度采集。
2.2測試系統軟件設計
軟件系統采用層次化、模塊化的程序設計方法,每一個功能子程序均是一個獨立的功能模塊。以Microsoft的VB為主要的軟件平臺,調用設備的相關驅動軟件實現各儀器、模塊功能。且VB編程可以實現面板設計的美觀、靈活、易操作。
軟件系統可以分為:系統設置、數據采集與處理系統和數據庫管理模塊系統。
1)系統設置
系統設置主要功能設計如下:提供輸入參數界面,可以設置數據庫中必要的參數,如:測試人員、測試時間、測試點、測試設備代號,并將數據傳遞到數據庫中存儲;提供數據庫的存儲路徑。
2)數據采集與處理系統
數據采集與處理系統主要是利用VB開發平臺與采集模塊的驅動程序,通過數據采集模塊和PXI儀器完成測試數據的采集,并進行必要、簡單的數據處理,然后將數據存儲到數據庫。數據采集系統主要完成模擬信號測量、數字信號測量等。
3)數據庫管理模塊
數據庫管理模塊主要功能包括:數據查詢、數據修改、報表輸出等;整個測試系統的軟件框架如圖2所示。
其中數據采集模塊和數據分析模塊是比較關鍵的2個部分,以下是對它們進行相應的介紹。數據采集模塊:主要是對模擬量信號進行采集,軟件開發環境為VB,板卡驅動程序版本為DAQ。以下是對模擬量進行采集的部分程序代碼:
//初始化數字萬用表
niDMM _ init (InstrDesc. Text, VI _ TRUE, VI _TRUE, VI)
//設置數據采集時間
timeLimit = 10 000
//設置采樣精度
Resolution = CtlVal(Digits) + 3.5
//設置采集信息
niDMM _ ConfigureMeasurementDigits (VI, CtlVal
(measFunction), _
Val(Range.Text), Resolution)
//設置采樣次數
niDMM_ConfigureMultiPoint(VI, 1, Val
(NumSamples.Text), _
NIDMM_VAL_IMMEDIATE, 0#
數據分析模塊:主要完成對數據采集板卡采集到的數據進行處理。在該測試系統中,它的主要功能就是對加速度計的誤差系數標定等式用程序代碼表示出來。加速度計的誤差系數標定等式如式(3)~(5)所示。
3測試系統的應用
NI-4070是集成精密測量的高精度多功能數據采集卡,采樣精度達到612(22 bit),滿足石英加速度計測試的要求,由于石英加速度計的測試項目眾多,這里僅介紹一下采集的加速度計在4位置標定情況下的輸出信號,并進行濾波數據處理。
應用標準Kalman濾波算法對加速度計測試的原始數據進行處理,可得原始數據與濾波結果的比較如圖3所示,圖中橫坐標代表采樣個數,縱坐標代表加表輸出。從圖3比較可以看出,應用標準Kalman濾波算法對加速度計測試的原始數據進行處理,剔除了粗大誤差,提高了數據的穩定性,為加速度計標定提供了良好的基礎。
4結論
系統用虛擬儀器取代了傳統的加速度計測試儀,從而在很大程度上解決了加速度計測試復雜,自動化程度不高、人為誤差大等問題,并滿足了現代化、快速化的要求。基于PXI總線的加速度計測試系統的組建,實現了數據的高速、精確采集。實踐中,已將該測試系統應用于石英加速度計測試,結果證明基于PXI總線的加速度計測試系統能夠滿足試驗要求。
摘自：中國計量測控網
