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    信號調理器VXI總線現場檢測系統

    2008-01-18

    摘要:在軍品型號研制和生產過程中,信號調理器廣泛應用于振動、力、壓力和聲學等非電量電測技術中。為了解決信號調理器現場檢定工作中存在的諸多不便,我們研制了信號調理器VXI總線現場檢測系統。該系統由硬件和軟件組成,硬件主要包括信號源模塊、數字化儀模塊與VXI總線機箱等部分。

    關鍵詞:信號調理器;VXI總線模塊;測試系統

     

    Signal Conditioner VXI Bus On-siteVerification System

     

                 Feng wenmin,Wang haiyan,Liu haimei 

     Abstract:Signal conditioner is extensively used in vibration、force、pressure、acoustics measurement and so on.There are many difficulties in verification of signal conditioner On-site.To resolve these problems,we produce the signal conditioner VXI bus On-site Verification System.This system include signal generator module、digitizer module,which compose verification system with the VXI mainframe ; and verification software.

    Key words: Signal conditioner; VXI bus module; verification system

     

    1 引言

    信號調理器,包括電荷放大器、應變儀及傳感器變送器等,是把傳感器信號作初步處理,變為分析儀可進一步分析的信號的儀器。在軍品型號研制和生產過程中,廣泛應用于振動、力、壓力和聲學等非電量電測技術中。如:在彈體整體結構技術性能試驗、發動機技術性能試驗和慣導器件的環境試驗等試驗中,應用了各種類型的傳感器和信號調理器。由于傳感器信號調理器集成在導彈測試系統中,拆卸不方便,而檢測信號調理器的標準儀器數量多、體積大,給現場計量檢測工作帶來了不便。一般信號調理器,通道數較多,現有的檢測設備只能實現單個通道測量,工作量和計算量較大,而且手動操作存在人為誤差,影響測試數據的準確性和可靠性。為了解決上述問題,實現檢測標準的小型化和自動化,實現檢測標準可方便移動到現場,我們研制了信號調理器VXI總線現場檢測系統。

     

    2系統設計

    2.1硬件設計

    檢測系統硬件組成如圖1所示,檢測系統硬件主要有VXI總線機箱、信號轉接電路和外控計算機等部分組成。VXI總線機箱內有電源模塊、控制模塊、信號源模塊和數字化儀模塊。VXI總線機箱采用C尺寸,C尺寸的儀器模塊通過機箱背板上的連接器插入機箱。電源模塊將穩定的直流電壓送到機箱背板上,經過連接器給各個儀器模塊供電。外控計算機通過IEEE1394總線和控制模塊對儀器進行操作控制。在計算機的控制下,信號源模塊輸出標準信號。標準信號通過信號轉接電路送到被檢測信號調理器的各個輸入端,被檢測信號調理器的輸出信號接到數字化儀模塊。計算機控制數字化儀模塊,采集被檢測信號調理器的輸出信號,將模擬信號轉換成數字信號。由計算機軟件計算分析這些數字信號,最后得到被測信號頻譜或電壓值等檢測結果。

    (a)信號源模塊采用直接數字合成技術實現波形輸出功能,保證了模塊輸出的波形在整個信號頻率范圍內具有很高的頻率分辨率;模塊內部提供了八選一輸出通道,可以通過軟件對通道進行設置和選擇一個通道輸出波形,減少了計量時反復的接線和設置工作,使得工作量大大減少,提高了工作效率、減輕了操作人員的勞動強度。

    VXI總線機箱

    (b) 數字化儀模塊同樣也具有八選一輸入通道;模塊采用DSP做信號處理,具有強大的數據處理功能,包括數字濾波、FFT變換等,還可根據需要添加其他算法插件,DSP不僅使模塊的數據處理速度大大提高,而且不占用主控機的時間,使系統的實時處理能力得到了增強。

    外控計算機

    控制模塊

    IEEE1394接口

                    

    被檢測信號調理器

    輸入

    輸出

    信號轉接電路

    電源模塊

    信號源模塊

    多路開關

     

    數字化儀模塊

    多路開關

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     


    圖1 系統硬件組成

    2.2軟件設計

    檢測系統軟件完成的主要功能包括:硬件檢測及初始化、方式及條件設置、數據采集、存儲數據、數據顯示、數據處理及分析計算。采用WINDOWS平臺下運行的LabVIEW作為軟件開發環境。檢測軟件流程如圖2所示。

    (a)硬件檢測及初始化:包括對信號發生器模塊和數字信號處理模塊地址設置、第一次開機的初始化、模塊狀態及錯誤檢查等。

    (b)方式及條件設置:設置數據讀取方式及采集信號的時間。

    (c)數據采集:采用定時采集方式。

    (d)數據顯示:采用窗口顯示標準信號數據和測量信號數據。采用指示燈顯示硬件工作狀態。

    (e)數據處理及分析計算:數據處理包括數字濾波、交流耦合、加窗函數等;數據分析包括FFT、最小二乘法曲線擬合等。

    數據的處理及分析計算結果

    開始

     

    數據采集

    方式及條件設置

    存儲數據

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     


    數據顯示

     

                           

     

    結束

     

     

     

     

     


    圖2 檢測軟件流程

     

    3不確定度分析

    3.1增益

    信號調理器增益=輸出電壓/輸入電壓,

    以標準裝置輸出電壓10V為例進行分析,輸出電壓幅度誤差為0.03%,此誤差屬均勻分布,由此帶來的不確定度分量為:

    =0.03%/ =0.017%

    針對標準裝置輸出為10V,幅度測量量程選10V檔,對應的標準裝置幅度測量誤差為0.05%,此誤差屬均勻分布,由此帶來的不確定度分量為:

    =0.05%/ =0.029%

    信號轉接電路的誤差是標準電容或標準應變的誤差,誤差均為0.05%,此誤差屬均勻分布, 由此帶來的不確定度分量為

    =0.05%/ =0.029%

    合成標準不確定度為:

    = 0.044%

    擴展不確定度為:

    U=k× =0.09%( k=2,即p=95%)

    被檢信號調理器增益誤差為1%,所以滿足增益檢測的要求。

    3.2信號調理器線性

    信號調理器線性誤差為:

    δm=[(ei0eom)/(eo0eim)-1]×100% (m=0,1,2…)

    式中, eo0——信號調理器的最大輸出電壓

    ei0——信號調理器輸出最大電壓eo0時信號發生器模塊的輸出電壓。

    eom——信號調理器的輸出電壓(m=1,2,3…)

    eim——信號調理器輸出eom時信號發生器模塊的輸出電壓(m=0,1,2…)

    ei0、eom、eo0和eim值由數字化儀模塊測得,信號調理器線性的測量點m一般為平均分布,選5~10個。

    以標準裝置輸出電壓10V為例進行分析,輸出電壓幅度誤差為0.03%,此誤差屬均勻分布,由此帶來的不確定度分量為:

    =0.03%/ =0.017%

    針對標準裝置輸出為10V,幅度測量量程選10V檔,對應的標準裝置幅度測量誤差為0.05%,此誤差屬均勻分布,由此帶來的不確定度分量為:

    =0.05%/ =0.029%

    信號轉接電路的誤差是標準電容或標準應變的誤差,均為0.05%,此誤差屬均勻分布, 由此帶來的不確定度分量為:

    =0.05%/ =0.029%

    合成標準不確定度為:

    =0.044%

    擴展不確定度為:

    U=k× =0.09%( k=2,即p=95%)

    被檢信號調理器的線性為1%,所以能滿足線性檢測的要求。

     

    4系統的主要特點

    4.1可靠性

    檢測數據的可靠性是保證檢定質量的關鍵,因此在設計本系統程序時,采取了以下措施:

    (a)自動記錄數據,減少了因人而異的手動操作的讀數誤差,避免了手工記錄、數據處理時的粗大誤差;

    (b) VXI總線具有高可靠性,由于儀器的功能主要靠軟件來實現,減少了傳統儀器按鈕、開關、顯示等部分,從而使系統的平均無故障時間大大提高。

    4.2可擴展性

    (a) 由于采用了層次分明的軟件結構,使功能擴充和程序修改變得比較容易;

    (b) VXI總線規范化,標準化的設計,以及開放式環境使得系統的可擴展性和可維護性更強;

    (c) LabVIEW開發的系統不僅功能齊全,還節省成本,當測量發生改變時可以輕松對系統進行修改或擴展。

     

    5 結論

    信號調理器VXI總線現場檢測系統,建立了小型化、自動化的信號調理器現場檢測系統。基于VXI總線技術建立的現場檢測系統,具有高可靠性和可擴展性。檢測數據采用自動記錄方式,減少手動操作的讀數誤差,提高了檢測數據的準確程度。

     

    主要參考文獻

    [1]中國計量科學研究院起草,JJG338-97《電荷放大器檢定規程》,中國計量出版社出版,1998;

    [2]美國PCB公司,《44B104信號調理器說明書》;

    [3]美國NI公司,《Using External Code In LabVIEW》;

    [4]楊樂平,李海濤,趙勇,楊磊,安雪瀅編著《LabVIEW 高級程序設計》,清華大學出版社,2003。

    [5]楊樂平,李海濤,肖相生等編著《LabVIEW 程序設計與應用》,電子工業出版社,2001。

    [6]屠良堯,李海濤編著《數字信號處理與VXI自動化測試技術》,國防工業出版社,2000。




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