【摘要】介紹了一種加速度傳感頻響特征自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)。分析了該系統(tǒng)的硬件組成以及信號(hào)測(cè)量、采集、計(jì)算、記錄、顯示、打印功能的實(shí)現(xiàn)。 0　引言 在振動(dòng)分析和測(cè)試中所用的加速度計(jì)在研制過程中需要對(duì)其頻響進(jìn)行測(cè)試。根據(jù)頻響曲線來標(biāo)定其動(dòng)態(tài)性能。這方面的性能標(biāo)定有比較法和絕對(duì)法兩種。傳統(tǒng)的比較法標(biāo)定過程中，正弦激勵(lì)要手動(dòng)調(diào)頻，響應(yīng)特性的測(cè)試也是人為逐點(diǎn)記錄，整個(gè)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[1]。近年來，國內(nèi)外市場(chǎng)上出現(xiàn)的頻響分析儀解決了上述問題，可以自動(dòng)測(cè)量信號(hào)頻響特性，存儲(chǔ)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(jià)格昂貴，未能在實(shí)際工作中得到廣泛使用。隨著計(jì)算機(jī)的普及，各種測(cè)試和分析技術(shù)已向微機(jī)化、數(shù)字化發(fā)展，利用一臺(tái)微機(jī)可完成多項(xiàng)工作。 1　系統(tǒng)的工作原理及組成 加速度傳感器動(dòng)態(tài)標(biāo)定的方法通常有絕對(duì)校準(zhǔn)法和比較校準(zhǔn)法。絕對(duì)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(lì)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(gè)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(hào)。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，50Hz采集通過率，程控增益及8253定時(shí)器等，其它的外圍設(shè)備還有功率放大器，振動(dòng)臺(tái)以及打印機(jī)等，硬件組成框圖如圖1[2]。標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)與被校加速度傳感器“背靠背”地安裝在振動(dòng)臺(tái)上，振動(dòng)臺(tái)的正弦激勵(lì)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(hào)放大以推動(dòng)振動(dòng)臺(tái)。同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)輸出的信號(hào)分成兩路，一路用于反饋回振動(dòng)臺(tái)控制系統(tǒng)，控制振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面加速度使之保持恒定；另一路與被校傳感器的信號(hào)一道送入計(jì)算機(jī)[3]。 [align=center] 圖1　系統(tǒng)構(gòu)成框圖[/align] 系統(tǒng)工作時(shí)選通微機(jī)中的定時(shí)中斷，取出計(jì)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(hào)。此信號(hào)經(jīng)功放放大后驅(qū)動(dòng)振動(dòng)臺(tái)，使得振動(dòng)臺(tái)按照預(yù)計(jì)頻率做振動(dòng)實(shí)驗(yàn)。只須改變定時(shí)器初值，就可很方便地改變激勵(lì)頻率，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的頻率范圍是1 Hz～15 kHz。兩只傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)電荷放大器放大后直接連到HY8011板上的AD0、AD1口，定時(shí)通過A/D轉(zhuǎn)換測(cè)量加速度傳感器的輸出電壓值，使用定時(shí)觸發(fā)方式可以按照一定的頻率角對(duì)兩個(gè)A/D通道進(jìn)行采集。當(dāng)用正弦信號(hào)激勵(lì)時(shí)傳感器的輸出信號(hào)為正弦同頻信號(hào)，故對(duì)兩個(gè)通道的數(shù)據(jù)按此模型進(jìn)行處理可得到兩個(gè)正弦信號(hào)的幅值。同樣根據(jù)此模型可計(jì)算出被測(cè)傳感器與標(biāo)準(zhǔn)傳感器之間的相位差。此頻率測(cè)完之后，計(jì)算機(jī)按照預(yù)定的步幅自動(dòng)增加頻率，在新的頻率下繼續(xù)測(cè)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(jì) 在以往的測(cè)試中，由于振幅的測(cè)量，尤其是Φ值的測(cè)量較為困難，而且計(jì)算量大，誤差較大，通常采用定點(diǎn)測(cè)量，然后擬合出整個(gè)頻率的方法。在這套系統(tǒng)中，采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)，自動(dòng)記錄計(jì)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(hào)。此接口板A/D轉(zhuǎn)換最大的通過率為50 Hz，但每次A/D建立時(shí)間為10 μs而每次采集兩路。每一路的最大采集頻率為25 kHz，則模擬信號(hào)的最高頻率最好不要超過20 kHz。 根據(jù)公式V=Asin（ωt+φ），其中：V為電壓測(cè)量值；ω為振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)頻率；A為幅度最大值；φ為初始偏移角度。則有： ωt+φ＝arcsin（V/A）　?。?） 對(duì)于某一路傳感器來說，兩次采集時(shí)間為固定時(shí)間，因此對(duì)于固定的角率的Δφ為已知量，且根據(jù)公式（1）有： Δφ＝arcsin（V2/A）-arcsin（V1/A）　?。?） 式中：V1、V2分別為相鄰兩次采集的數(shù)據(jù)。 每一振動(dòng)頻率下可以測(cè)量多個(gè)點(diǎn) 故可用解方程組的方法求解方程（2）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(duì)于方程（2）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）=0的解。這里采用迭代法，令A(yù)0=max｛V1,V2,V3,V4｝，B0=4096（數(shù)字量4096表示模擬電壓5 V,2048代表模擬量0 V）。在區(qū)間［A0,B0］中計(jì)算每一個(gè)值的F（Ai），并找到使│F（A）│最小時(shí)的A值就是所求的振幅。求出多組的幅值，計(jì)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(cè)出傳感器的幅頻特性。 計(jì)算流程如圖2所示。 [align=center] 圖2　計(jì)算模塊流程框圖[/align] 同樣據(jù)公式（1）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(cè)的傳感器的特征量。 由于采用定時(shí)觸發(fā)方式，每次采集的間隔時(shí)間Δt是固定的，即（t標(biāo)－t檢）為固定值，ω為振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)角頻率，因此可以求出Δφ－φ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(jì)算機(jī)對(duì)于數(shù)據(jù)采集、處理、存儲(chǔ)、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(jì)算得到的幅頻和相頻函數(shù)存入文件中，以供隨時(shí)調(diào)出打印。 本系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，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(dòng)、打印驅(qū)動(dòng)等部分。其中數(shù)據(jù)處理、顯示驅(qū)動(dòng)及打印驅(qū)動(dòng)部分均采用Borlad　C＋＋軟件包編譯而成的。A/D采集模塊需要實(shí)時(shí)的、動(dòng)態(tài)的，響應(yīng)速度快，因此各種高級(jí)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。 [align=center] 圖3　主程序流程圖[/align] A/D采集模塊為了減小軟件占用時(shí)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(shí)器8223產(chǎn)生的定時(shí)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(chǔ)區(qū)內(nèi)。 顯示驅(qū)動(dòng)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(cè)得的幅頻和相頻曲線。打印驅(qū)動(dòng)模塊采用點(diǎn)陣方式驅(qū)動(dòng)打印機(jī)將計(jì)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(jì)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(gè)系統(tǒng)操作簡單，自動(dòng)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(jià)值。