抗高过载加速度计特性试验系统的软件设计.docx

抗高过载加速度计特性试验系统的软件设计.docx

《抗高过载加速度计特性试验系统的软件设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《抗高过载加速度计特性试验系统的软件设计.docx（42页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

抗高过载加速度计特性试验系统的软件设计

抗高过载加速度计特性实验系统的软件设计

摘要:

本文介绍了一种基于虚拟仪器技术的抗高过载加速度的特性测试系统。

该系统采用NI公司的LabVIEW开发平台，实现了加速度的静态特性、动态特性及恢复特性的自动测试，完成数据采集、测试的控制、实时显示、数据存储与基本分析处理功能，提高了测试的精度和效率，为进一步分析加速度计的性能提供了有效的帮助。

关键词：

加速度计，测试系统，LabVIEW，虚拟仪器

TheSoftwaredesignofaresistingoverloadmeasuringsystemforaccelerometer

Abstract:

Inthispaper,aresistingoverloadmeasuringsystemforaccelerometerisintroduced,whichisbasedonvirtualinstrumenttechnologyanddevelopedunderLabVIEWintegrationdevelopingplatformofNIcompany.Itrealizesstaticcharacteristic,dynamiccharacteristicandrecovercharacteristicautomatictestingforaccelerometerandaccomplishesdataacquisition,testingcontrollingandrealtimedisplaying,datastorageandanalysis.Thetestingprecisionandefficiencyaregreatlyincreased.

Keywords:

Accelerometer，Measuringsystem，LabVIEW，Virtualinstrument

1.绪论1

1.1引言1

1.2加速度计测试系统的发展1

1.3基于虚拟仪器的测试系统2

1.4国内外研究的现状2

1.5本课题完成的工作和研究内容3

2.抗高过载加速计特性试验系统原理4

2.1加速度计概述4

2.2典型加速度计的介绍4

2.3特性试验系统的静态特性及标定7

2.4特性试验系统的动态特性9

2.5特性试验系统的恢复特性11

3.虚拟仪器概述12

3.1前言12

3.2虚拟仪器的概念12

3.3虚拟仪器的基本构成13

3.4虚拟仪器的特点14

3.5虚拟仪器的应用15

3.6虚拟仪器的未来趋势16

4.LabVIEW技术18

4.1前言18

4.2LabVIEW概述18

4.3LabVIEW开发程序过程19

4.4LabVIEW的数据显示21

4.5LabVIEW的优点22

4.6LabVIEW的应用范围23

5.基于LabVIEW的数据采集25

5.1概述25

5.2LabVIEW的数据采集25

5.3数据采集系统结构26

5.4LabVIEW中的数据采集程序27

5.5数据采集卡的选择29

6.基于LabVIEW的抗高过载加速度计的特性测试系统32

6.1开始部分模块32

6.2静态特性模块33

6.3动态特性模块35

6.4恢复特性模块36

7.结论37

参考文献38

致谢40

1.绪论

1.1引言

测量加速度计的仪器叫加速度计。

加速度计的种类繁多，按其变换器的不同，可分为机械的、光学的、液压的、电气的等等。

每一种加速度计的测量范围都是有局限性的，对于不同物体的加速度运动要选择一定的加速度计进行测量，被选取的加速度计的参数要选取合适，否则会影响测量的准确性。

加速度计是测试系统中的重要敏感元件，在高精度及高过载的测试系统中，对加速度计的性能提出了更高的要求，为此需要对加速度计进行严格的测试和筛选。

由于生产任务日益增加，因此对加速度计测试系统的性能提出了更高的要求，同时应尽可能地加大自动测试功能，减少测试人员的劳动强度。

随着测试测量及自动化技术的不断发展，虚拟仪器技术被广泛应用于各种测控系统及监控平台、医疗仪器、自控领域以及电力系统等。

虚拟仪器技术采用特定的软件取代相应功能的电子线路，充分利用计算机的软硬件资源，共同完成传统仪器的功能。

本次设计是一种基于虚拟仪器技术的加速度计集成自动测试系统，将加速度计的静态性能测试、动态性能测试及恢复特性测试等集成在一台计算机中，完成数据采集、测试的控制与实时显示、数据存储与分析处理等功能，为加速度计的性能分析与进一步改进以及加速度计的鉴定提供基础。

大大缓解了数据采集及分析中人力、物力的消耗。

1.2加速度计测试系统的发展

第一代测试设备主要由手动多齿分度头、加速度计控制回路、可逆计数器及打印机组成，所有的测试数据需要手录并用计数器计算出结果。

这种方式效率最低，劳动强度大，易出错误。

第二代测试设备设计了数据采集接口线路，通过计算机总线传递信息，由测试人员通过计算机进行逐点运算。

但仍需人工操纵转台进行多点翻转，在每一个测试节点人工干预程序运行，监视测试结果，这样重复几个小时才能完成一块加速度计的测试。

在加速度计需求多时，需用多人长达数月昼夜加班测试，工作效率需亟待提高。

目前兴起的第三代自动化测试系统中，计算机处于核心地位，仪器的结构概念和设计观点等都发生了突破性的变化，出现了新的仪器概念――虚拟仪器。

在虚拟仪器技术的应用中，由于软件集成了虚拟仪器的所有采集、控制、数据分析、结果输出和用户界面的功能，使传统仪器的某些硬件乃至整个仪器都被计算机软件所代替。

1.3基于虚拟仪器的测试系统

在测试系统硬件平台上，调用不同的测试软件就构成了不同功能的仪器。

因此，软件在系统中占有十分重要的地位。

在大规模集成电路迅速发展的今天，系统硬件集成越来越简化。

反之，软件越来越复杂、越来越重要，是未来发展和竞争的焦点。

有专家预言：

“在测试平台上，下一次变革就是软件”，并且有“硬件平台确定后，软件就是仪器”的说法。

虚拟仪器是随着计算机技术、现代测试技术、电子仪器技术的发展而产生的一种新型仪器。

虚拟仪器技术的出现，彻底打破了传统仪器由厂家定义，用户无法改变的模式。

虚拟仪器技术给用户一个充分发挥自己的才能、想象力的空间。

用户（而不是仪器厂家）可以随心所欲地根据自己的需求，设计自己的仪器系统，满足多种多样的应用需求。

您所需要的只是一些必要的硬件加上通用计算机。

虚拟仪器是一种具有虚拟仪器面板的PC仪器，相对于传统仪器在概念和功能上有重大突破，形成了新一代的所谓“智能化测量控制仪表”，能解决许多传统仪表不能或不易解决的难题，同时还起到了简化仪表电路、提高仪器的可靠性、降低仪器的成本以及节约新产品的开发时间和难度的作用。

它由通用PC机模块化功能硬件和控制软件构成。

操作人员可通过其友好的图形化用户界面以及图形化编程语言来控制仪器的启动、运行和结束，完成对被测试信号的数据采集、信号分析、谱图显示、波形图显示、故障诊断、数据存储、数据回放以及控制输出等功能。

[1]

1.4国内外研究的现状

现在国际上应用最广的虚拟仪器开发环境首推美国NI公司（NationalInstrumentsCorp.—国家仪器公司）的LabVIEW和HP公司（惠普公司）的VEE这两种软件。

其中，VEE主要面向仪器控制；而LabVIEW功能相对更强、更全面。

目前航天航空领域已经广泛应用虚拟仪器技术。

美国空军采用一套基于VXI和LabVIEW的虚拟仪器测试系统，代替了三套传统测试系统；美国Focus软件公司和SensorDevelopments公司采用虚拟仪器测试飞机飞行状态中的螺旋桨应力分布；西班牙采用虚拟仪器研究微重力条件下的燃烧；在1993年，NASA在哥伦比亚航天飞机飞行任务中采用虚拟仪器研究太空中宇航员的大脑如何处理内耳信号、视觉以及其他感觉的联合作用，以弄清宇航员的晕机状况。

[2]

1.5本课题完成的工作和研究内容

本次设计是一套基于虚拟仪器技术的加速度计集成自动测试系统。

该系统采用NI公司的LabVIEW开发平台，实现了加速度计的静态性能、动态性能及灵敏度性能的自动测试，完成数据采集、测试的控制与实时显示、数据存储与分析处理以及所生成报表的浏览与打印等功能，提高了测试的精度和效率，为加速度计的性能分析与进一步改进提供基础。

本测试系统的程序框架从宏观上讲是一种多任务并行的运行机制，设计了多个功能模块，测试控制与显示模块为软件系统的主模块，进行主体任务的调度工作及相关的数据流传输，其余的模块也可以调用下一级的小模块，并进行数据流之间的传输，这样层层调用，使测试系统完成所需的任务调度工作。

2.抗高过载加速度计特性实验系统原理

2.1加速度计概述

物体的加速度运动有两种形式：

一种是纯线加速度运动；一种是纯角速度的圆周运动。

一般加速度运动则是两者皆有。

测量加速度时常常存在两个问题：

一是测量加速度的最大值；二是测量加速度随时间变化的函数关系。

测量加速度的仪器称为加速度计。

加速度计的种类多种多样，按其变换器的不同可以分为机械的、光学的、液压的、电气的等等。

在电气加速度中又有电位计式、电感式、接点式、电容式、电阻丝式、压电式、电解液式等等。

2.2典型加速度计的介绍[3]

2.2.1硅电容加速度计

硅电容加速度计是出现最早、研究成果最多、应用最广的一类加速度计。

它的基本结构是由一个差动电容器和检测电桥两部分组成的：

差动电容器有两块固定极板和一块作为检测质量的可动极板。

当被测加速度使检测质量发生位移后，改变了极板间距，从而使电容器的电容量改变，由电桥将该变化量检出就获得了被测加速度。

硅电容加速度计的加工采用表面微加工、体微加工、绝缘体上外延半导体膜（SOI）和LIGA以等工艺。

图2.1硅电容加速度计

2.2.2硅压阻加速度计

这种加速度计一般由检测质量、支承梁（桥）、采用硅微加工技术注人或扩散入支承梁上的压阻及其桥路组成。

它的工作原理是，当被测加速度作用到检测质量上后，使其发生运动，与它相连的悬臂支承梁由此产生弯曲变形，使梁上的压阻阻值改变并由惠斯登电桥输出相应的电压信号。

即被测加速度与检测质量的位移量、压阻阻值变化和电桥输出相关。

硅压阻加速度计按结构型式可分为悬臂梁、双支承梁、4支支承梁（桥式）和双质量等4种。

图2.2硅压阻加速度计

2.2.3压电型加速度计

采用硅微加工技术可制成压电和谐振器两种型式的加速度计压电型加速度计通常由压电极板和检测质量组成，当检测质量受到加速度作用后，两极板间将产生电荷变化，经放大和控制电路就可获得被测加速度二谐振器型加速度计由检测质量和谐振器组成。

当检测质量受加速度作用后将改变谐振器的频率。

测量该频率就可获得加速度值。

2.2.4厚膜应变加速度计

厚膜加速度计结构与压阻加速度计类似，主要区别是用厚膜电阻代替硅压阻：

它的结构一般也是由基片、检测质量、支承梁、厚膜电阻及其检测电路组成当被测加速度作用到检测质量上并使其产生运动后，使支承梁发生应变并由扩散在梁上的厚膜电阻及其桥路检出。

图2.3压电型和厚膜型加速度计

2.2.5力平衡加速度计

传统力平衡加速度计包括振弦式加速度计和静电加速度计等：

实际上，硅电容、压电等敏感元件与力平衡反馈电路一起组成了力平衡加速度计。

它的工作原理是，当被测加速度以惯性力作用到检测质量上后，使它产生位移，而力平衡电路产生一个大小相等、方向相反的静电力来与之平衡，又使位移变为零：

此时的反溃输出电压正比于被测加速度。

图2.4力平衡加速度计

2.2.6电子隧道型加速度计

由物理学可知，将尺寸很小（10-9m）的极细探针和被研究物质表面作为两个电极，当它们之间非常接近（<1um）时，在外电场作用下，电子会穿过这两个电极从一极流向另一极，这就是隧道效应。

实验发现，当这两极间距减少0.1nm，隧道电流将增加10倍，利用这种效应可以测量加速度。

电子隧道型加速度计通常由检测质量、支承梁、隧道探针和控制电路等部分组成。

它的工作原理是，当被测加速度使检测质量与隧道探针之间距离发生变化时，两极间将产生巨大的电流变化，检出这一变化信号就可测得加速度。

2.2.7热传导加速度计

热传导加速度计通常由热源（加热电阻）、检测质量和吸热器件三部分组成：

它的工作原理是，当被测加速度作用到检测质量上后，将改变其位置而产生一个温差变化．检出这个变化值就可获得被测加速度。

图2.5电子隧道型加速度计

2.3特性试验系统的静态特性及标定

2.3.1静态特性

测试系统的静态特性又称刻度特性、标准曲线或校准曲线。

当被测对象处于静态，也就是测试系统的输入为不随时间变化的恒定信号时，测量系统输入与输出之间呈现的关系就是静态特性。

[4]

2.3.2静态特性的重要指标

1.静态灵敏度

灵敏度是描述测试系统对输入量变化反应的能力，通常由测试系统的输出变化量Δy,与引起该输出量变化的输入变化量Δx的比值S表征。

（2.1）

2.非线性度（线性）

非线性度是指系统的实际输出、输入特性曲线对于理想线性输出、输入特性曲线的接近或偏离程度。

如图2.1所示。

非线性度＝（Δmax/YFS）×100％（2.2）

图2.1输入-输出特性的非线性

3.重复性

重复性表征测试系统输入量按同一方向做全量程连续多次变动时，静态特性不一致的程度。

重复性度＝（Rmax/YFS）×100%（2.3）

图2.2重复性

4.迟滞

迟滞，亦称为滞后量、滞后或滞环，如图所示，表征测试系统在全量程范围内，输入量由小到大（正行程）或由大到小（反行程）两者静态特性不一致的程度。

迟滞＝（Hmax/YFS）×100%（2.4）

图2.3迟滞特性

2.3.3测试原理

理想的加速度计，应该仅仅敏感于沿其输入轴方向的加速度，且输出与输入之间呈线性关系。

然而，实际它的输出中不仅主要的反映输入轴方向的加速度，而且也反映沿其两个轴方向的加速度及其耦合的影响，同时还要受到构成力平衡回路中各个元、部件性能和回路参数的影响。

因此,加速度计在重力场的测试中，它的静态数学模型方程通常表示为：

（2.5）

利用转台在1g重力场中的翻滚试验可以确定加速度计模型方程中各系数的大小及其重复性精度和稳定性精度。

通常我们只对其中的K0、K1、K2等参数的大小、重复性精度、稳定性精度进行较详细的测试。

通过分度头转动不同的角度，来给加速度计提供1g以内不同的输入。

利用12点试验来标定方程系数的数值。

将表头安装在分度头上，输入轴对准零位，顺时针转动分度头，使其停留在30°等角分量位置上，在每一停留位置记录下输出数据，然后逆时针做相同的转动。

这样顺时针和逆时针做三个循环，对记录下的数据进行处理，按模型方程的定义求取模型方程系数的大小。

利用4点试验确定各系数的重复性精度及稳定性精度。

转动分度头使其停留在90°等角分量位置上，在每一停留位置记录下输出数据，然后逆时针做相同的转动。

这样顺时针和逆时针做三个循环，对记录下的数据进行处理，按模型方程的定义求取模型方程系数的大小，并按最小二乘法求出其各系数的精度值。

测试重复性精度时，每一块表至少进行7次重复性测试，然后求出7次的1σ值作为重复性精度。

测试稳定性精度时，除了对系数进行计算外还须对几百甚至几千个零位数据进行统计并求取1σ值。

[5]

2.4特性试验系统的动态特性

2.4.1动态特性

在工程测试中，大量的被测信号是随时间变化的动态信号，即x（t）是时间t的函数，不为常量。

测试系统的动态特性反映其测试动态信号的能力。

2.4.2测试系统动态特性的数学模型

（零阶环节）

（一阶环节）

（二阶环节）

2.4.3传递函数

传递函数的概念在测试系统的分析、设计和应用中十分有用。

利用这些概念，可以用代数式的形式表征系统本身的传输、转换特性，它与激励和系统的初始状态无关。

因此，如两个完全不同的物理系统由同一个传递函数来表征，那么说明这两个系统的传递特性是相似的。

对n阶微分方程进行拉氏变换，得：

定义：

输出y（t）的拉氏变换Y（s）和输入x（t）的拉氏变换X（s）之比称为传递函数，并记为H（s）。

（2.6）

2.4.4频率响应特性

对于稳定的常系数线性系统，可用傅里叶变换代替拉氏变换

:

（2.7）

2.4.5测试原理

对于加速度计动态特性的测试，主要分为频率特性与阶跃响应的测试，通过测量加速度计系统的频率特性，可以建立系统的动态数学模型。

拟采用电模拟测试方法，将加速度计通过安装夹具固定在精密分度头上，处于0g附近，并给加速度计输入幅值固定的正弦波信号，在规定的频带内，激励频率由低频到高频逐次提高，同时记录各测试点的频率及加速度计输出信号的幅值和相位，但是由于存在高频噪声等影响，直接测量得出的幅频特性和相频特性有一定的误差，为了减小这种误差，拟采用数字相关滤波法滤掉直流分量、谐波分量及高频噪声的影响，较精确地得出加速度计的幅频特性和相频特性，并在此基础上分析加速度计的动态性能指标，如带宽、谐振频率以及谐振峰高等。

对于动态测试中的阶跃响应试验，通过给系统施加不同的阶跃输入信号，并根据试验记录数据并计算系统阶跃响应的超调量、震荡次数、和过渡过程时间等指标及其变化从而分析其动态性能。

[5]

2.5特性试验系统的恢复特性

自动控制、汽车、地震测量、军事和空间等领域的许多场合由于受工作环境的限制要求加速度计应具有高的谐振频率和动态性能，以保证快速准确测试出被测对象的冲击力或冲击加速度，且加速度计本身并不失效。

本设计中需要测试的加速度计就是应用于大载荷下，所以，它的恢复特性的测试也尤为重要。

本设计中，利用马歇落锤试验来测试加速度计的过载能力，由测试系统采集到恢复信号的加速度波形和冲击运动时的加速度波形进行比较，来进行进一步分析。

3.虚拟仪器概述

3.1前言

通常，在完成某个测试任务时，需要很多仪器，如示波器、电压表、频率分析仪、信号发生器等，对复杂的数字电路系统还需要逻辑分析仪、IC测试仪等。

这么多的仪器不仅价格昂贵、体积大、占用空间，而且相互连接起来也很费事费时，并且仪器之间经常由于连接、信号带宽等方面的问题给测量带来了很多麻烦，使得原本并不复杂的测量变得异常困难。

要提高电子测量仪器的测量准确度和效率，就要求仪器本身能完成自动调节、校准、量程转换、计算、寻找故障等功能，能自动存储有关数据并在需要时自动调出等，这些要求传统仪器很难满足，在以前几乎被视为不可能的事。

而计算机科学和微电子技术的迅速发展和普及，有力地促进了多年来发展相对缓慢的仪器技术。

目前正在研究的第三代自动测试系统中，计算机处于核心地位，计算机软件技术和测试系统更紧密地结合成了一个有机整体，仪器的结构概念和设计观点等都发生了突破性的变化，出现了新的仪器概念—虚拟仪器。

由于虚拟仪器应用软件集成了仪器的所有采集、控制、数据分析、结果输出和用户界面等功能，使传统仪器的某些硬件乃至整个仪器都被计算机软件所代替。

3.2虚拟仪器的概念

所谓虚拟仪器是一种功能意义上的仪器，它充分利用计算机系统强大的数据处理能力，在基本硬件的支持下，利用软件完成数据的采集、控制、数据分析和处理以及测试结果的显示等，通过软、硬件的配合来实现传统仪器的各种功能，大大突破了传统仪器在数据处理、显示、传送、存储等方面的限制，使用户可以方便地对仪器进行维护、扩展和升级。

虚拟仪器是基于计算机的仪器。

计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。

虚拟仪器就是在通用计算机上加上一组软件和硬件，使得使用者在操作这台计算机时，就像是在操作一台他自己设计的专用的传统电子仪器。

在虚拟仪器系统中，硬件仅仅是为了解决信号的输入输出，软件才是整个仪器系统的关键。

任何一个使用者都可以通过修改软件的方法，很方便地改变、增减仪器系统的功能与规模，所以有“软件就是仪器”之说。

3.3虚拟仪器的基本构成

虚拟仪器的基本构成包括计算机、虚拟仪器软件、硬件接口模块等。

其中，硬件接口模块可以包括插入式数据采集卡（DAQ）、串/并口、IEEE488接口（GPIB）卡、VXI控制器以及其它接口卡。

目前较为常用的虚拟仪器系统是数据采集卡系统、GPIB仪器控制系统、VXI仪器系统以及这三者之间的任意组合。

[6]

普通的PC有一些不可避免的弱点。

用它构建的虚拟仪器或计算机测试系统性能不可能太高。

目前作为计算机化仪器的一个重要发展方向是制定了VXI标准，这是一种插卡式的仪器。

每一种仪器是一个插卡，为了保证仪器的性能，又采用了较多的硬件，但这些卡式仪器本身都没有面板，其面板仍然用虚拟的方式在计算机屏幕上出现。

这些卡插入标准的VXI机箱，再与计算机相连，就组成了一个测试系统。

VXI仪器价格昂贵，目前又推出了一种较为便宜的PXI标准仪器。

虚拟仪器研究的另一个问题是各种标准仪器的互连及与计算机的连接。

目前使用较多的是IEEE488或GPIB协议。

未来的仪器也应当是网络化的

计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。

粗略地说这种结合有两种方式，一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。

随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式系统的仪器。

另一种方式是将仪器装入计算机。

以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能。

虚拟仪器主要是指这种方式。

下面的框图反映了常见的虚拟仪器方案。

图3.1常见的虚拟仪器方案

3.4虚拟仪器的特点

虚拟仪器的最大特点是将计算机资源与仪器硬件、DSP技术相结合，在系统内共享软硬件资源。

打破了以往由厂家定义仪器功能的模式，由用户自己定义仪器功能。

在虚拟仪器中，使用相同的硬件系统，通过不同的软件编程，就可以实现功能完全不同的测量仪器。

表3.1传统仪器与虚拟仪器系统的比较

传统仪器

虚拟仪器系统

系统标准

仪器厂商定义

用户自定义

系统关键

硬件

软件

系统更改

仪器功能、规模固定

系统功能、规模可通过软件修改、增减

系统连接

系统封闭，与其他设备连接受限

开放的系统，可方便地同外设、网络及其他应用连接

价格

昂贵

低，可重复利用

技术更新周期

5～10年

1～2年

开发、维护费用

高

低

由此可见，虚拟仪器能尽可能采用了通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件。

同时能充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出功能更强的“个性仪器”。

图3.2一种虚拟仪器的体系

3.5虚拟仪器的应用[7]

3.5.1虚拟仪器在测量方面的应用

虚拟仪器系统开放、灵活，可与计算机技术保持同步发展，将之应用在测量方面可以提高精确度，降低成本，并大大节省用户的开发时间，因此已经在测量领域得到广泛的应用。

硅晶片作为电子行业中的一种基本材料而一直受到重视。

近年来，基于硅晶片的微机械结构（EMMS）也得到了很大发展。

MEMS设备通常是作为压力传感器或加速度计使用，这种微型结构是在一片硅晶片上蚀刻出来的，经过特殊的加工处理,在硅晶片上形成穴、沟、锥形等各种形状的机械元件，将这些元件组合，就能构成微型机械系统。

美国的维吉尼亚州技术公司应用虚拟仪器技术开发了一种光学测微计，用来测量MEMS设备中硅晶片的厚度，分辨率可达到微米级。

他们的目标是使用现成的数据采集、图像