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加速度傳感器頻響的自動標(biāo)定
點(diǎn)擊次數(shù)：3006 發(fā)布時間：2008-8-19
在振動分析和測試中所用的加速度計在研制過程中需要對其頻響進(jìn)行測試。根據(jù)頻響曲線來標(biāo)定其動態(tài)性能。這方面的性能標(biāo)定有比較法和法兩種。傳統(tǒng)的比較法標(biāo)定過程中,正弦激勵要手動調(diào)頻,響應(yīng)特性的測試也是人為逐點(diǎn)記錄,整個過程不僅工作量大,而且因人為因素較多而產(chǎn)生較大誤差Ώ]。近年來,國內(nèi)外市場上出現(xiàn)的頻響分析儀解決了上述問題,可以自動測量信號頻響特性,存儲有效數(shù)據(jù),以供繪圖儀繪制響應(yīng)曲線。這類儀器雖然性能優(yōu)良,但由于價格昂貴,未能在實際工作中得到廣泛使用。隨著計算機(jī)的普及,各種測試和分析技術(shù)已向微機(jī)化、數(shù)字化發(fā)展,利用一臺微機(jī)可完成多項工作。
1 系統(tǒng)的工作原理及組成
加速度傳感器動態(tài)標(biāo)定的方法通常有校準(zhǔn)法和比較校準(zhǔn)法。法常用于標(biāo)定高精度傳感器或標(biāo)準(zhǔn)傳感器,比較法是工程中常用的校準(zhǔn)方法。比較法是將兩只加速度傳感器背靠背地安裝在一起(或同一剛性支架上),其中一只為參考標(biāo)準(zhǔn)加速度傳感器,它的全部技術(shù)性能是已知的;另一只為被校傳感器,采用同樣加速度a激勵它們,則通過兩只傳感器的輸出之間的關(guān)系求出被校傳感器的技術(shù)性能。這個系統(tǒng)就是基于比較法以486微機(jī)為主機(jī),外配一塊A/D、D/A接口板,用以采集傳感器輸出模擬信號。接口板是北京華遠(yuǎn)公司生產(chǎn)的HY8011接口板。該板有12位16通道A/D并有D/A輸出ᅢHz采集通過率,程控增益及8253定時器等,其它的外圍設(shè)備還有功率放大器,振動臺以及打印機(jī)等,硬件組成框圖如圖1ΐ]。標(biāo)準(zhǔn)加速度計與被校加速度傳感器"背靠背"地安裝在振動臺上,振動臺的正弦激勵由微機(jī)控制接口板上D/A輸出,通過功率放大器將小信號放大以推動振動臺。同時標(biāo)準(zhǔn)加速度計輸出的信號分成兩路,一路用于反饋回振動臺控制系統(tǒng),控制振動臺臺面加速度使之保持恒定;另一路與被校傳感器的信號一道送入計算機(jī)Α]。
系統(tǒng)工作時選通微機(jī)中的定時中斷,取出計算好的按正弦規(guī)律變換的數(shù)據(jù),編程D/A口,經(jīng)D/A口變換成模擬量,從而得到正弦信號。此信號經(jīng)功放放大后驅(qū)動振動臺,使得振動臺按照預(yù)計頻率做振動實驗。只須改變定時器初值,就可很方便地改變激勵頻率,系統(tǒng)設(shè)計的頻率范圍是1 Hzㅇ kHz。兩只傳感器的輸出信號經(jīng)電荷放大器放大后直接連到HY8011板上的AD0、AD1口,定時通過A/D轉(zhuǎn)換測量加速度傳感器的輸出電壓值,使用定時觸發(fā)方式可以按照一定的頻率角對兩個A/D通道進(jìn)行采集。當(dāng)用正弦信號激勵時傳感器的輸出信號為正弦同頻信號,故對兩個通道的數(shù)據(jù)按此模型進(jìn)行處理可得到兩個正弦信號的幅值。同樣根據(jù)此模型可計算出被測傳感器與標(biāo)準(zhǔn)傳感器之間的相位差。此頻率測完之后,計算機(jī)按照預(yù)定的步幅自動增加頻率,在新的頻率下繼續(xù)測量直至結(jié)束,從而得到傳感器的幅頻和相頻特性。
2 軟件設(shè)計
在以往的測試中,由于振幅的測量,尤其是Φ值的測量較為困難,而且計算量大,誤差較大,通常采用定點(diǎn)測量,然后擬合出整個頻率的方法。在這套系統(tǒng)中,采用計算機(jī)自動產(chǎn)生激勵信號,自動記錄計算,因此可以定頻、掃頻。
根據(jù)奈魁斯采樣定理,只要f采≥2f模就可以不失真地復(fù)原出模擬信號。此接口板A/D轉(zhuǎn)換zui大的通過率為50 Hz,但每次A/D建立時間為10 μs而每次采集兩路。每一路的zui大采集頻率為25 kHz,則模擬信號的zui高頻率不要超過20 kHz。
根據(jù)公式V=Asin(ωt+φ),其中:V為電壓測量值;ω為振動臺振動頻率;A為幅度zui大值;φ為初始偏移角度。則有:
ωt+φ=arcsin(V/A) Ƒ)
對于某一路傳感器來說,兩次采集時間為固定時間,因此對于固定的角率的Δφ為已知量,且根據(jù)公式Ƒ)有:
Δφ=arcsin(V2/A)arcsin(V1/A) ƒ)
式中:V1、V2分別為相鄰兩次采集的數(shù)據(jù)。
每一振動頻率下可以測量多個點(diǎn) 故可用解方程組的方法求解方程ƒ)中的A值。但此方程直接求解析解,算法復(fù)雜,故本文運(yùn)用數(shù)值分析的方法求出振幅A的數(shù)值解。
對于方程ƒ)同樣有: Δφ=arcsin(V4/A)arcsin(V3/A)
故有: arcsin(V4/A)arcsin(V3/A) =arcsin(V2/A)arcsin(V1/A)
令 F(A)=arcsin(V4/A)arcsin(V3/A)arcsin(V2/A)+arcsin(V1/A)
故求解振幅A的過程即為求解方程F(A)ɢ的解。這里采用迭代法,令A(yù)0=max{V1,V2,V3,V4},B0(數(shù)字量4096表示模擬電壓5 V代表模擬量0 V)。在區(qū)間[A0,B0]中計算每一個值的F(Ai),并找到使│F(A)│zui小時的A值就是所求的振幅。求出多組的幅值,計算出均方根σ,再根據(jù)3σ的范圍剔除粗大誤差,然后求出算術(shù)平均值,即為某一頻率下的幅值A(chǔ)i,這樣就可測出傳感器的幅頻特性。
同樣據(jù)公式Ƒ)有: ωt標(biāo)+φ標(biāo)ωt檢φ檢=arcsin(V標(biāo)/A標(biāo))arcsin(V檢/A檢)
下標(biāo)為"標(biāo)"的變量代表標(biāo)準(zhǔn)傳感器的變量,下標(biāo)為"檢"的變量是表征欲檢測的傳感器的特征量。
由于采用定時觸發(fā)方式,每次采集的間隔時間Δt是固定的,即(t標(biāo)t檢)為固定值,ω為振動臺振動角頻率,因此可以求出Δφφ標(biāo)φ檢,即兩傳感器相位差的相頻函數(shù)Δφ(ω),而標(biāo)準(zhǔn)傳感器的相頻函數(shù)φ標(biāo)(ω)為已知,則有: φ檢(ω)φ標(biāo)(ω)Δφ(ω)
采用計算機(jī)對于數(shù)據(jù)采集、處理、存儲、維護(hù)都十分方便,可以打開文件將采集到的兩路通道數(shù)據(jù)存入文件中,將計算得到的幅頻和相頻函數(shù)存入文件中,以供隨時調(diào)出打印。
本系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計,結(jié)構(gòu)靈活,易于組合、調(diào)試、聯(lián)接與擴(kuò)展。主要分為A/D采集模塊、數(shù)據(jù)處理、顯示驅(qū)動、打印驅(qū)動等部分。其中數(shù)據(jù)處理、顯示驅(qū)動及打印驅(qū)動部分均采用Borlad C++軟件包編譯而成的。A/D采集模塊需要實時的、動態(tài)的,響應(yīng)速度快,因此各種語言均不能滿足系統(tǒng)的要求,而只能使用8088宏匯編完成。主程序軟件流程如圖3所示。
A/D采集模塊為了減小軟件占用時間,提供采樣頻率,用匯編語言編制的。它是利用接口板上定時器8223產(chǎn)生的定時中斷,在中斷服務(wù)程序中觸發(fā)A/D轉(zhuǎn)換,查詢等待A/D結(jié)束,讀出A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果,依次存入存儲區(qū)內(nèi)。
顯示驅(qū)動模塊將屏幕設(shè)置成圖形方式,可以顯示漢字信息,也可顯示測得的幅頻和相頻曲線。打印驅(qū)動模塊采用點(diǎn)陣方式驅(qū)動打印機(jī)將計算后得到的幅頻、相頻曲線打出。
3 結(jié) 論
這套系統(tǒng)設(shè)計比較合理,屬于開放式結(jié)構(gòu),按不同的要求可以增加或減少以達(dá)到合適的配置,而且整個系統(tǒng)操作簡單,自動化程度高、速度快,適合傳感器頻響特性標(biāo)定,具有很大的推廣價值。
1 系統(tǒng)的工作原理及組成
加速度傳感器動態(tài)標(biāo)定的方法通常有校準(zhǔn)法和比較校準(zhǔn)法。法常用于標(biāo)定高精度傳感器或標(biāo)準(zhǔn)傳感器,比較法是工程中常用的校準(zhǔn)方法。比較法是將兩只加速度傳感器背靠背地安裝在一起(或同一剛性支架上),其中一只為參考標(biāo)準(zhǔn)加速度傳感器,它的全部技術(shù)性能是已知的;另一只為被校傳感器,采用同樣加速度a激勵它們,則通過兩只傳感器的輸出之間的關(guān)系求出被校傳感器的技術(shù)性能。這個系統(tǒng)就是基于比較法以486微機(jī)為主機(jī),外配一塊A/D、D/A接口板,用以采集傳感器輸出模擬信號。接口板是北京華遠(yuǎn)公司生產(chǎn)的HY8011接口板。該板有12位16通道A/D并有D/A輸出ᅢHz采集通過率,程控增益及8253定時器等,其它的外圍設(shè)備還有功率放大器,振動臺以及打印機(jī)等,硬件組成框圖如圖1ΐ]。標(biāo)準(zhǔn)加速度計與被校加速度傳感器"背靠背"地安裝在振動臺上,振動臺的正弦激勵由微機(jī)控制接口板上D/A輸出,通過功率放大器將小信號放大以推動振動臺。同時標(biāo)準(zhǔn)加速度計輸出的信號分成兩路,一路用于反饋回振動臺控制系統(tǒng),控制振動臺臺面加速度使之保持恒定;另一路與被校傳感器的信號一道送入計算機(jī)Α]。
系統(tǒng)工作時選通微機(jī)中的定時中斷,取出計算好的按正弦規(guī)律變換的數(shù)據(jù),編程D/A口,經(jīng)D/A口變換成模擬量,從而得到正弦信號。此信號經(jīng)功放放大后驅(qū)動振動臺,使得振動臺按照預(yù)計頻率做振動實驗。只須改變定時器初值,就可很方便地改變激勵頻率,系統(tǒng)設(shè)計的頻率范圍是1 Hzㅇ kHz。兩只傳感器的輸出信號經(jīng)電荷放大器放大后直接連到HY8011板上的AD0、AD1口,定時通過A/D轉(zhuǎn)換測量加速度傳感器的輸出電壓值,使用定時觸發(fā)方式可以按照一定的頻率角對兩個A/D通道進(jìn)行采集。當(dāng)用正弦信號激勵時傳感器的輸出信號為正弦同頻信號,故對兩個通道的數(shù)據(jù)按此模型進(jìn)行處理可得到兩個正弦信號的幅值。同樣根據(jù)此模型可計算出被測傳感器與標(biāo)準(zhǔn)傳感器之間的相位差。此頻率測完之后,計算機(jī)按照預(yù)定的步幅自動增加頻率,在新的頻率下繼續(xù)測量直至結(jié)束,從而得到傳感器的幅頻和相頻特性。
2 軟件設(shè)計
在以往的測試中,由于振幅的測量,尤其是Φ值的測量較為困難,而且計算量大,誤差較大,通常采用定點(diǎn)測量,然后擬合出整個頻率的方法。在這套系統(tǒng)中,采用計算機(jī)自動產(chǎn)生激勵信號,自動記錄計算,因此可以定頻、掃頻。
根據(jù)奈魁斯采樣定理,只要f采≥2f模就可以不失真地復(fù)原出模擬信號。此接口板A/D轉(zhuǎn)換zui大的通過率為50 Hz,但每次A/D建立時間為10 μs而每次采集兩路。每一路的zui大采集頻率為25 kHz,則模擬信號的zui高頻率不要超過20 kHz。
根據(jù)公式V=Asin(ωt+φ),其中:V為電壓測量值;ω為振動臺振動頻率;A為幅度zui大值;φ為初始偏移角度。則有:
ωt+φ=arcsin(V/A) Ƒ)
對于某一路傳感器來說,兩次采集時間為固定時間,因此對于固定的角率的Δφ為已知量,且根據(jù)公式Ƒ)有:
Δφ=arcsin(V2/A)arcsin(V1/A) ƒ)
式中:V1、V2分別為相鄰兩次采集的數(shù)據(jù)。
每一振動頻率下可以測量多個點(diǎn) 故可用解方程組的方法求解方程ƒ)中的A值。但此方程直接求解析解,算法復(fù)雜,故本文運(yùn)用數(shù)值分析的方法求出振幅A的數(shù)值解。
對于方程ƒ)同樣有: Δφ=arcsin(V4/A)arcsin(V3/A)
故有: arcsin(V4/A)arcsin(V3/A) =arcsin(V2/A)arcsin(V1/A)
令 F(A)=arcsin(V4/A)arcsin(V3/A)arcsin(V2/A)+arcsin(V1/A)
故求解振幅A的過程即為求解方程F(A)ɢ的解。這里采用迭代法,令A(yù)0=max{V1,V2,V3,V4},B0(數(shù)字量4096表示模擬電壓5 V代表模擬量0 V)。在區(qū)間[A0,B0]中計算每一個值的F(Ai),并找到使│F(A)│zui小時的A值就是所求的振幅。求出多組的幅值,計算出均方根σ,再根據(jù)3σ的范圍剔除粗大誤差,然后求出算術(shù)平均值,即為某一頻率下的幅值A(chǔ)i,這樣就可測出傳感器的幅頻特性。
同樣據(jù)公式Ƒ)有: ωt標(biāo)+φ標(biāo)ωt檢φ檢=arcsin(V標(biāo)/A標(biāo))arcsin(V檢/A檢)
下標(biāo)為"標(biāo)"的變量代表標(biāo)準(zhǔn)傳感器的變量,下標(biāo)為"檢"的變量是表征欲檢測的傳感器的特征量。
由于采用定時觸發(fā)方式,每次采集的間隔時間Δt是固定的,即(t標(biāo)t檢)為固定值,ω為振動臺振動角頻率,因此可以求出Δφφ標(biāo)φ檢,即兩傳感器相位差的相頻函數(shù)Δφ(ω),而標(biāo)準(zhǔn)傳感器的相頻函數(shù)φ標(biāo)(ω)為已知,則有: φ檢(ω)φ標(biāo)(ω)Δφ(ω)
采用計算機(jī)對于數(shù)據(jù)采集、處理、存儲、維護(hù)都十分方便,可以打開文件將采集到的兩路通道數(shù)據(jù)存入文件中,將計算得到的幅頻和相頻函數(shù)存入文件中,以供隨時調(diào)出打印。
本系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計,結(jié)構(gòu)靈活,易于組合、調(diào)試、聯(lián)接與擴(kuò)展。主要分為A/D采集模塊、數(shù)據(jù)處理、顯示驅(qū)動、打印驅(qū)動等部分。其中數(shù)據(jù)處理、顯示驅(qū)動及打印驅(qū)動部分均采用Borlad C++軟件包編譯而成的。A/D采集模塊需要實時的、動態(tài)的,響應(yīng)速度快,因此各種語言均不能滿足系統(tǒng)的要求,而只能使用8088宏匯編完成。主程序軟件流程如圖3所示。
A/D采集模塊為了減小軟件占用時間,提供采樣頻率,用匯編語言編制的。它是利用接口板上定時器8223產(chǎn)生的定時中斷,在中斷服務(wù)程序中觸發(fā)A/D轉(zhuǎn)換,查詢等待A/D結(jié)束,讀出A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果,依次存入存儲區(qū)內(nèi)。
顯示驅(qū)動模塊將屏幕設(shè)置成圖形方式,可以顯示漢字信息,也可顯示測得的幅頻和相頻曲線。打印驅(qū)動模塊采用點(diǎn)陣方式驅(qū)動打印機(jī)將計算后得到的幅頻、相頻曲線打出。
3 結(jié) 論
這套系統(tǒng)設(shè)計比較合理,屬于開放式結(jié)構(gòu),按不同的要求可以增加或減少以達(dá)到合適的配置,而且整個系統(tǒng)操作簡單,自動化程度高、速度快,適合傳感器頻響特性標(biāo)定,具有很大的推廣價值。