温度、湿度、振动综合环境试验系统现场校准装置研制

杨锦杰，冉学臣，梅现均

(国防科技工业5012 二级计量站，重庆400023)

0 引言

温度、湿度、振动综合环境试验系统主要用于航天、航空、电子、通讯等科研及生产单位，其主要功能是在试验箱内提供温湿度变化环境，同时将振动应力施加到试验产品上，供用户对整机(或部件)、电器、仪器、材料等做温度、湿度、振动综合应力筛选试验，以便考核产品的适应性或对产品的行为作出评价。

本装置根据温度、湿度、振动综合环境试验系统的特点而设计，应用虚拟仪器技术和网络技术，仅用一套装置解决了综合试验设备温度、湿度、振动多参数的同步现场校准问题，保证了产品的质量，提高了工作效率。

1 校准装置系统结构

校准装置主要由测量传感器、变送器、电荷放大器以及数据采集和控制器系统三大部分组成，装置原理图如图1。

图1 温度、湿度、振动综合环境试验系统现场校准装置原理图

1.1 测量传感器选型

温度传感器选用常用的四线制Pt100 铂电阻传感器，它体积小、响应快、灵敏度高。选用了两种单轴向加速度传感器:丹麦B＆K 公司的4371 电荷型加速度传感器，美国ENDEVCO 公司的2271A 电荷型加速度传感器，这样选型可以保证加速度传感器有更宽的量程和温度范围，以及传感器质量大小对振动台推力的影响，满足不同温度、湿度、振动综合环境试验系统校准的需要。同理，三轴向加速度传感器选型也选用了两种:丹麦B＆K 公司的4321 电荷型加速度传感器和美国ENDEVCO 公司的2228C 电荷型加速度传感器。

1.2 变送器和电荷放大器选型

温湿度变送器选用奥地利E +E 公司的EE31 温湿度变送器;对于电荷型放大器，我们选用丹麦B＆K 公司的2692C 电荷放大器。

1.3 组建数据采集和控制器系统

在自动化测量系统中，目前主要用到的先进技术规范有VXI 和PXI。VXI 规范和PXI 规范之间的主要差别在于它们各自的底层总线结构不同。VXI 规范基于VME 总线，主要用于满足高端自动化测试应用的需要，然而，因为其成本太高以及使用VXI 规范的测量装置尺寸大，限制其成为主流应用。而PXI 规范基于PCI 总线，PCI 总线在台式计算机中广泛应用，其装置成本低。另外，由于使用PXI 规范的测量装置尺寸小，所以它方便携带。基于以上因素考虑，本装置所设计的数据采集和控制器选定PXI 技术规范，并以此为标准对整个系统进行构建。

一个PXI 系统由一个机箱、系统控制器以及数个外设模块组成。机箱选用美国NI 公司的PXI －1042Q机箱，该机箱是带通用电源的8 槽3U PXI 机箱，可满足各种测试和测量应用的需求;系统控制器选用美国NI 公司的PXI －8108 控制器，PXI －8108 配有2.53 GHz 双核处理器和800 MHz DDR2 内存;选用美国NI公司的PXI －4461 模块作为PXI 信号源模块;选用美国NI 公司的PXI－4462 模块作为PXI 振动数据采集模块，完成对振动传感器数据的采集功能，PXI－4462 模块具有4 路同步采样模拟输入通道， ±316 mV 到±42.4 V 输入范围，最高采样速率达204.8 kS/s，118dB动态范围，24 位分辨力，具有抗混叠滤波功能，完全满足振动测量要求;选用两块美国NI 公司的PXI －4351 模块分别作为PXI 温度数据采集模块和PXI 湿度数据采集模块，完成对温度和湿度数据的采集功能，PXI－4351 模块配合铂电阻测量时误差为0.12℃，具有16 路电压输入，24 位分辨力，完全满足温度和湿度测量要求;选用美国NI 公司的PXI －6281 模块作为预留接口，主要目的是为今后进一步开发和完善本系统做准备。

我们将两块TBX －68T 接线盒、交直流电源转换器等封装起来，做成铂电阻和温湿度变送器的便携式接口适配器，如图2 所示。

图2 铂电阻和温湿度变送器的便携式接口适配器实物图

接口适配器包括16 路温度通道、4 路湿度通道。由于采用四线制PT100 和EE31 温湿度变送器，所以需要对五芯接口进行定义。温度通道的五芯接口定义为:1，信号1;2 ，信号2;3，RES;4，信号1;5，信号2;湿度通道的五芯接口定义为:1，电流/电压+;2，5V+;3，24V+;4，GND;5，RES。测量温湿度时，可直接将传感器插头插入五芯接口，再将接口适配器的68PIN 电缆接头与PXI 机箱中的4351 采集卡连接即可。

2 校准方法

温度、湿度、振动综合环境试验系统的现场校准按JJF1270 －2010 《温度、湿度、振动综合环境试验系统》校准规范分为三个大步骤:首先单独对环境试验箱温度、湿度参数进行校准;然后单独对振动试验系统进行校准;最后对综合试验系统进行三参数的综合校准。

这里重点介绍对综合试验系统进行三参数的综合校准。综合校准分为5 个小步骤:①确保三综合试验设备的振动台处于垂直状态，台面空载、整个三综合试验设备无负载。②将温度传感器、湿度传感器和振动传感器同时放入其中，并安装牢固，接通三综合试验设备的电源，将其温湿度控制仪表调到温度70℃和湿度80%RH，等温度和湿度达到规定值并稳定后，启动设置好的振动台，等待30 min 后，应用本装置同时对温度、湿度和振动信号进行采集，对温度值、湿度值和振动加速度幅值示值误差等技术指标进行实时显示，并记录环境试验箱的温度、湿度示值，按标准规范的计算公式分析各种技术指标。③将其温湿度控制仪表调到温度－55℃，变温速率≥5℃/min，在变温过程中，应用本装置对温度和振动信号进行采集，计算变温速率和振动加速度幅值示值误差等指标。④停止振动台，等温度达到规定值并稳定后，启动设置好的振动台，等待30 min 后，应用本装置同时对温度和振动信号进行采集，对温度值、振动试验系统动态范围等技术指标进行实时显示，并记录环境试验箱的温度示值，按校准规范的计算公式分析各种技术指标。⑤将其温湿度控制仪表调到温度70℃和湿度80%RH，变温速率≥5℃/min，在变温过程中，应用本装置对温度和振动信号进行采集，计算变温速率和振动加速度幅值示值误差等指标，并进行存储。

3 软件设计

软件是整个校准装置的核心，它直接决定了整个校准装置性能及应用效果。本系统中，选择了Visual basic 6.0 、LabVIEW 8.5 和NI measurement studio 8 作为开发平台。专用校准软件架构采用模块化设计，采用模块化设计的目的是增加软件的灵活性和提高软件的整体效率。整个校准软件的模块框图如图3 所示。

图3 综合试验设备现场校准专用软件模块框图

整个软件分成两大部分，温度、湿度校准系统和振动冲击校准系统。温度、湿度校准系统又细分成5个小软件模块，分别为:文件，显示，工具，报告和设置;振动冲击校准系统细分成4 个小软件模块，分别为:单通道模式，具有单个通道的时域、频域分析功能，可以测量振动幅值，频率示值，谐波失真度、速度和位移等技术指标;多通道模式，具有多个通道的时域、频域分析功能，可以测量横向振动比，振动幅值均匀性等技术指标;冲击模式，具有预触发、正负极性触发、平均值、容差带等分析计算功能;简单模式，具有振动幅值，频率示值等简单技术指标测量功能，方便测量人员操作和判断。本校准软件单通道模式运行界面如图4 所示。

图4 单通道模式运行界面

4 部分关键技术

4.1 加速度谐波失真度测量实现方法

由于波形失真是各种非线性系统普遍存在的问题，谐波分析广泛应用于各个技术领域，因此LabVIEW 提供了各种类型的谐波失真测量函数，一般主要使用“谐波失真分析”VI。“谐波失真分析”VI 对输入信号进行全谐波分析。具体实现方法是:使用“谐波失真分析”VI 对加速度时域样本进行谐波失真分析，获得基波A1和2 到5 次的谐波频率下的幅值(A2～A5)，根据公式(1)计算谐波失真度:

通过试验，我们发现使用“谐波失真分析”VI时，测量准确度较高，原因是它的内部对信号进行了加Hanning 窗处理，能够减小频率泄漏。

4.2 数据采集技术

本装置选用的数据采集模块为美国国家仪器公司的产品，其提供的Windows 驱动程序为NI －DAQmx。要进行数据采集，其主要过程有7 个步骤:

1)创建采集任务

在NI－DAQmx 驱动中，所有的采集、控制、通信动作都被统称为任务，任务创建后，所有的其它操作都以任务句柄为基础进行设置。其API 如下:

int32 DAQmxCreateTask (const char taskName ［］，TaskHandle * taskHandle);

其中，TaskHandle 即为任务句柄。

2)设置采集通道

本软件中，用户可以设定的通道数为8 个，可以任意组合。组合好后以通道字符串的形式传递给创建采集通道函数，以下是创建加速度模拟输入通道的API函数:

int32 DAQmxCreateAIAccelChan (TaskHandle taskHandle，const char physicalChannel ［］，const char nameToAssignToChannel ［ ］， int32 terminalConfig，float64 minVal，float64 maxVal，int32 units，float64 sensitivity，int32 sensitivityUnits，int32 currentExcitSource，float64 currentExcitVal， const char customScaleName［］);

其中，physicalChannel 为物理通道的名称字符串，可以是一个或多个通道的组合;sensitivity 为传感器的灵敏度;currentExcitSource 为传感器激励源;currentExcitVal 为激励电流的大小。

3)设置采样时钟和时序

用来设置采样的时钟源、采样率、触发沿、采样点数及采样方式，其API 函数如下:

int32 DAQmxCfgSampClkTiming (TaskHandle taskHandle，const char source ［］，float64 rate，int32 activeEdge，int32 sampleMode，uInt64 sampsPerChanToAcquire);

其中，采样模式sampleMode 有DAQmx_ Val_ FiniteSamps (有限点数)、DAQmx_ Val_ ContSamps (连续采样)、DAQmx_ Val_ HWTimedSinglePoint (硬件定时单点采样)三种可选，本软件选用的是连续采样。

4)开始采集任务

将以上各项设置好后，就可以开始采集了，调用的API 函数如下:

int32 DAQmxStartTask (TaskHandle taskHandle);

其中TaskHandle 为任务句柄。软件调用了该函数后，将自动触发测试(如果没有设置其它的触发方式)。

5)读取采集任务

读取触发后测试的数据。对于本项目中的连续采样，即一次采样有限样本，完成后马上读取另外有限样本，读取、分析数据都必须在采集完成两个有限样本间的时间间隙间完成。读取采集的API 如下:

int32DAQmxReadAnalogF64 (TaskHandle taskHandle，int32 numSampsPerChan，float64 timeout，bool32 fillMode，float64 readArray ［］，uInt32 arraySizeInSamps，int32 * sampsPerChanRead，bool32 * reserved);

其中，readArray 为读取的数组。

6)停止采集任务

完成测试后(比如用户停止测试)，需要调用如下的API 函数:

int32 DAQmxStopTask (TaskHandle taskHandle);

其中TaskHandle 为任务句柄。

7)清除采集任务

完成整个测试后，退出应用程序前，需要调用如下的API 函数清除采集任务:

int32 DAQmxClearTask (TaskHandle taskHandle);

其中TaskHandle 为任务句柄。

4.3 解决现场各种干扰对测量结果的影响

为了解决现场各种干扰对测量结果的影响，本装置同时采用了模拟滤波器和数字滤波器。它们既可以消除噪声，又可以实现自适应抗混叠滤波。具体使用时，模拟滤波器的截止频率设计在数据采集模块最高采样率的1/2 处，而数字滤波器的截止频率设在用户通过软件设定的采样率的1/2 处，这样才能够保证抗混叠滤波作用的实现。本校准软件设计的数字滤波器界面如图5 所示。

图5 数字滤波器界面

5 校准装置的溯源

5.1 校准装置温度、湿度参数的溯源

采用一等铂电阻标准装置，对本装置和专用软件一起进行温度整体校准，温度校准结果的最大误差为0.18℃，低于JJF1270 －2010 中表2 给出的温度测量系统最大允许误差±0.2℃，满足校准规范校准用仪器要求;采用精密露点仪和温湿度检定箱，对本装置和专用软件一起进行湿度整体校准，湿度校准结果的最大误差为1.7%RH，低于JJF1270 －2010 中表2 给出的湿度测量系统最大允许误差±2%RH，满足校准规范校准用仪器要求。

5.2 校准装置振动参数的溯源

将本装置送到中航工业计量所，先对加速度传感器和电荷放大器进行检定，检定结果全部合格，满足检定规程的要求;再对本装置和专用软件一起按JJG834 －2006 《动态信号分析仪检定规程》进行整体检定，检定结果合格。经过测量不确定度分析，本装置加速度幅值测量不确定度U = 2.2% (k = 2)，低于JJF1270 －2010 中表2 给出的振动测量分析系统加速度幅值U = 3% (k = 2)，满足校准规范校准用仪器要求。

最后，进行温度响应的检定。选择型号为BK4802+4817 的标准振动台，将振动台嵌入到温度箱中。将本装置加速度传感器放在温度箱内，上级加速度传感器放在温度箱外，设置温度箱的环境温度为23℃， －55℃和70℃，在f =160 Hz，a =100 m/s2，具体检定数据如表1。

表1 温度响应

在校准温度、湿度、振动综合环境试验系统时，必须按环境温度设置传感器灵敏度。

6 结束语

该校准装置使用了PXI 技术，体积比传统仪器大大减小，并开发了专用校准软件对信号进行采集、分析和处理，具有很强的灵活性。采用该校准装置到现场对温度、湿度、振动参数进行同步校准，既节省了经费，又便于携带，较好地解决了温度、湿度、振动综合环境试验系统的校准和量值溯源问题。今后可进一步开发和完善该校准装置，改进软件的各种算法，提高其测量准确度。

［1］国家质量监督检验检疫总局.JJF 1270 －2010 温度、湿度、振动综合环境试验系统校准规范［S］.

［2］国防科工委科技与质量司. 计量技术知识［M］. 北京:原子能出版社，2002.

［3］杨乐平.LabVIEW 程序设计与应用［M］. 北京:电子工业出版社，2006.

［4］雷振山，魏丽，赵晨光，等.LabVIEW 高级编程与虚拟仪器工程应用［M］. 北京:中国铁道出版社，2009.

［5］白云，高育鹏，胡小江，等. 基于LabVIEW 的数据采集与处理技术［M］. 西安:西安电子科技大学出版社，2009.