加速度傳感器頻響的自動標(biāo)定

1、加速度傳感器頻響的自動標(biāo)定 0引言 在振動分析和測試中所用的加速度計(jì)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)定有比較法和絕對法兩種。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(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(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(xiàng)工作。 1系統(tǒng)

2、的工作原理及組成 加速度傳感器動態(tài)標(biāo)定的方法通常有絕對校準(zhǔn)法和比較校準(zhǔn)法。絕對法常用于標(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(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。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

3、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，振動臺以及打印機(jī)等，硬件組成框 圖如圖12。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(shí)標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)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(jì)算機(jī)3。 圖1系統(tǒng)構(gòu)成框圖 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。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(jì)

4、頻率做振動實(shí)驗(yàn)。只須改變定時(shí)器初值，就可很方 便地改變激勵頻率，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的頻率范圍是1 hz15 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(shí)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(shí)觸發(fā)方式可以按照一定的頻率角對兩 個(gè)a/d通道進(jìn)行采集。當(dāng)用正弦信號激勵時(shí)傳感器的輸出信號為正弦同頻信號， 故對兩個(gè)通道的數(shù)據(jù)按此模型進(jìn)行處理可得到兩個(gè)正弦信號的幅值。同樣根據(jù)此 模型可計(jì)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(jì)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

5、軟件設(shè)計(jì) 在以往的測試中，由于振幅的測量，尤其是值的測量較為困難，而且計(jì)算量大， 誤差較大，通常采用定點(diǎn)測量，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)自動產(chǎn)生激勵信號，自動記錄計(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。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卩而每次采集兩路。 每一路的最大采集頻率為25 khz，則模擬信號的最高頻率最好不要超過20 khz。 根據(jù)公式v=asin( w t+，其中：v為電壓測量值；3為振動臺振動頻率；a為幅度 最大值；為初始偏移角度。則有： w t+ 市 arcsin

6、(v/a) (1) 對于某一路傳感器來說，兩次采集時(shí)間為固定時(shí)間，因此對于固定的角率的 為已知量，且根據(jù)公式(1)有： S護(hù) arcsi n(v2/a)-arcsi n(v1/a) (2) 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(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。 對于方程(2)同樣有： S護(hù) arcsi n(v4/a)-arcsi n(v3/a) 故有： arcsi n(v4/a)-arcsi n(v3/a) =arcsi n(v2/a)-arcsi n(v1/a)

7、令 f(a)=arcsi n(v4/a)-arcsi n(v3/a)- arcsi n(v2/a)+arcsi n(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 a0=maxv1,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)，并找到使丨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)算出均方根硏再根據(jù)3 c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ai，這樣就可測出傳感器的 幅頻特性。 計(jì)算流程如圖2所示。 (時(shí)) F iircn( X

8、/) ijiiesin -nrcin ( WA) acsin () 片幾】i鯽蟲 圖2計(jì)算模塊流程框圖 同樣據(jù)公式（1）有： 3 標(biāo) +標(biāo) 3 檢檢=arcsin（v 標(biāo)/a 標(biāo)）- arcs in（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。 由于米用定時(shí)觸發(fā)方式，每次米集的間隔時(shí)間S是固定的，即（t標(biāo)一t檢）為 固定值，3為振動臺振動角頻率，因此可以求出S 標(biāo)一檢，即兩傳感器相 位差的相頻函數(shù)S（3）,而標(biāo)準(zhǔn)傳感器的相頻函數(shù) 標(biāo)（3）為已知，則有： 檢（3） 標(biāo)（3） 5 （ 3） 采用計(jì)算機(jī)對于數(shù)據(jù)采集、處理、存儲、維護(hù)都十分

9、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、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borladc+軟件包編譯而成的。a/d采集模塊需要實(shí) 時(shí)的、動態(tài)的，響應(yīng)速度快，因此各種高級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。 圖3主程序流程圖 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