基于物联网的MEMS加速度计测试分析系统设计

（哈尔滨工业大学 航天学院，哈尔滨 150001）

（哈尔滨工业大学 航天学院，哈尔滨 150001）

加速度计性能远距离测试及对测试数据同时进行自动保存和自动分析处理是经常遇到的工程问题。针对这一问题，提出了基于物联网的加速度计测试分析方法。应用物联网技术设计了加速度计数据远程自动采集系统，并实现了测试数据网络共享功能。应用线振动试验法实现了单轴 MEMS加速度计的性能自动测试，应用多项式拟合方法建立了加速度计的二阶误差修正模型。应用虚拟仪器软件和工程数据库技术设计了网络环境下的测试系统软件，并实现了对实验数据的自动储存、显示、查询、删除、实验报表打印与自动分析处理功能。实验结果表明测试系统实现了远程加速度计性能测试及实验数据自动保存和自动分析功能。

物联网；加速度计测试；振动台；虚拟仪器；工程数据库；自动分析

在航空航天工程中加速度计远程测试是经常遇到的工程实际问题。目前，加速度计测试还没有实现远程实时测试，实验数据不能同时自动保存和自动分析处理，不能实现网络环境下的数据共享等技术问题。随着物联网技术的发展，加速度计传感器网络化测试及自动分析技术是未来该项测试技术的发展方向[1-3]。

国内外对加速度计测试技术进行了深入的研究。文献[4]提出了一种改进的D最优试验设计方法，有效提高了加速度计离心试验辨识精度。文献[5]利用工程数据库技术实现了加速度计振动校准测试数据管理，提高了测试数据的分析处理质量。文献[6]论述了物联网的关键技术及其应用模式。物联网技术在工业控制领域已有广泛的应用，文献[7]阐述了一种面向钢铁连铸设备维护维修的工业物联网框架。

本文针对上述问题设计和实现了加速度计性能自动测试系统。在振动台上，采用了比较法实现对被测MEMS加速度计的性能测试。采用物联网技术解决了实验数据的远程采集及网络数据共享等问题。应用虚拟仪器技术和工程数据库技术实现多路加速度计测试数据的自动采集、处理、显示、自动保存以及报表打印，自动数据分析等实验软件系统功能。

1 网络化测试系统设计

1.1 加速度计测试原理

线振动测试是加速度计测试方法之一，其特点是应用振动台实现加速度计动态频率特性测试，并且还可进行加速度计动态标定。根据“振动与冲击传感器测试标准[8]”，设计了加速度计测试系统。硬件组成原理框图和系统实物照片见图1和图2，加速度计安装方法是被测加速度计与校准加速度计通过螺栓背靠背的固定在支架上，支架铆接在振动台上，振动台的振动方向与加速度计的敏感轴方向保持一致，安装角度误差允许在2′以内，此时安装误差对校准结果的影响可以忽略[9]。

图1 测试系统硬件原理框图Fig.1 Block diagram of the hardware system

图2 测试系统实物照片Fig.2 Photo of accelerometer testing system

测试系统工作原理：稳压电源为每个加速度计传感器、A/D-LAN转换模块、串口-LAN转换模块提供工作电压，这些网络化接口设备、摄像头通过路由器连接在同一局域网内。计算机可通过网络远程访问测试系统局域网，直接控制稳压电源、信号发生器、摄像头等网络设备，通过 A/D-LAN转换模块、串口-LAN转换模块直接读取测试数据。

1.2 网络化测试系统架构

远程测试系统网络架构有浏览器/服务器(B/S)、客户端/服务器(C/S)、混合三种模式。C/S 结构将测试任务分解成多个子任务，由多台计算机分工完成，服务器完成 DBMS(数据库管理系统)的核心功能。B/S 结构通过网页浏览器控制服务器完成测试任务。

远程测试系统具有数据量大、数据查询灵活的特点，B/S结构下数据传输可能出现拥塞的情况，而且B/S结构比C/S结构更容易受网络安全问题影响[10]。因此该测试系统采用 C/S结构。如图 3所示，通过TCP/IP协议，客户端可远程控制测试设备，读取测试数据，并可访问本机数据库。

图3 测试系统网络架构图Fig.3 Network architecture of the system

1.3 传感器网络化

网络化测试需要传感器具有网络化接口功能，即具有网络寻址功能。目前市场上的传感器接口有三种类型：网络接口、数字接口、模拟接口。因此需要对数字接口、模拟接口的传感器进行技术改造：对于模拟接口传感器，目前用 A/D-LAN转换模块处理；对于数字接口传感器，目前有串口-LAN转换模块处理，该系统被测加速度计(AKE190D-10)为模拟输出。A/D-LAN转换模块为阿尔泰公司的 USB2851，标准加速度计(AKE192D-40)为数字输出；串口-LAN转换模块采用研华EKI-1522。监控摄像头采用沃仕达网络摄像头。

1.4 网络化设备控制

在网络化测试系统中，需要对给传感器供电的电源和激振器进行远程控制，解决方法之一是应用具有网络接口的D/A模块提供控制信号，解决方法之二是直接使用带有网络接口的稳压电源和带有网络接口的函数信号源。因此，该测试系统采用 RIGOL公司带有网络化接口的稳压电源(DP800A)和函数信号源(DG2041A)。

1.5 路由器设置

远程测试跨地域、跨网段，需要用路由器进行数据交换，因此需对路由器进行设置。数据采集端路由器需满足如下要求：

① 路由器端口数量应满足测试设备数量要求；

② 路由器IP设置为互联网上的静态IP地址；

③ 传感器和网络化转换模块、测试设备接入路由器，IP设置在同一局域网网段内。

用户端路由器IP设置为互联网上的静态IP地址。用户端计算机要保证硬件链路通畅，关闭防火墙。

2 软件设计

测试系统开发软件采用LabVIEW2010学生版，图3为测试软件功能框图。测试软件功能包括实验基本信息录入、参数设置、网络化数据采集、数据显示、网络数据共享等，并通过数据库实现了数据存储、查询、删除、分析、显示以及报表打印等功能。系统软件功能原理框图如图4所示。

图4 测试系统软件功能框图Fig.4 Block diagram of the software system

图5 测试系统用户界面Fig.5 User interface of the system

软件分为3个功能模块：用户界面、数据采集模块、数据库管理模块。测试软件如图5所示。

加速度计的数据采集应用LabVIEW软件VISA函数库内的 creat、writte、read、close函数和调用A/D-LAN转换模块提供的动态数据链接库库函数(USB2851E.dll)实现。

3 工程数据库设计

应用Office Access2007软件作为测试系统的工程数据库。数据库是关系型数据库，它与LabVIEW软件集成应用，可自动保存实验专用数据。数据库管理程序界面如图6所示。数据库库结构包括：测试日期、测试时间、测试人员姓名、单位编码、标准加速度计型号、被测加速度计型号、被测加速度计编号、测试频率、标准加速度计输出数据、被测加速度计输出数据，幅频特性测试数据、稳定性测试结果、备注。

数据库查询条件为起始日期、终止日期、起始时间、终止时间、被测加速度计型号、被测加速度计编号、测试人员姓名、单位编码等。分析功能可自动提供该被测加速度计的误差、灵敏度、线性度、量程、稳定性等参数。

图6 测试系统数据库管理界面Fig.6 Management panel of the database

4 加速度计测试理论

采用加速度计的二阶数学模型：

式中，E为被测加速度计输出电压，a为被测加速度计输入加速度，k0、k1、k2分别是加速度计的零偏、灵敏度、二阶非线性系数。

根据线加速度计测试标准及任务要求，测试系统需要提供量程、灵敏度、零偏、非线性度、稳定性等测试内容：

① 量程 采用机械振动法测量，加速度计输出波形出现失真时的输入加速度。

② 稳定性 固定加速度计，使加速度计敏感方向平行于重力方向，即使加速度计始终测量1g加速度，1 s后开始记录加速度计输出，每隔30 s记录一次，测试时间1 h。计算1g输出的均值和均方差，均方差与均值之比为短期稳定性。

③ k0、k1、k2及其不确定度 在某一固定频率正弦输入下，通过调节输入信号幅值，可以得到一组峰值互异(ai，Ei)，结合式(1)得到一个方程组：

根据要求 n≥7，采用多项式拟合方法求解，最小二乘法正规方程为：

利用矩阵逆变换可解得参数矩阵K：

K中各项系数ki的标准偏差σi为：

ki的真值的置信区间：

式中，t 为学生分布临界值，当自由度n-m及置信概率α已知时，可从学生分布表查得。

④ 线性度 加速度计线性度ξL为：

式中，EFS为被测加速度计最大输出，(ΔEL)max是测试点与拟合直线间的最大偏差。

5 实验结果与分析

对RION公司的AKE190D-10加速度计进行了如下测试：

① 分别在频率200 Hz、280 Hz、300 Hz、315 Hz的正弦振动下进行动态标定，数据见图7。

从图7可以看出，振动频率小于300 Hz时，加速度计灵敏度(斜率)无明显变化，频率为315 Hz时，灵敏度明显增加，说明加速度计存在谐振现象，因此在加速度计带宽内特性曲线变化不大，符合测试要求。

图7 不同频率下加速度计灵敏度特性曲线Fig.7 Accelerometer sensitivity characteristics curves at different frequencies

② 在频率为280 Hz的正弦振动条件下进行多次动态标定，表1为某次测试的数据。

表1 280 Hz下加速度计性能测试数据T ab.1 Test data of accelerometer at 280 Hz

图8为四次加速度计性能测试的输出数据曲线，根据这些数据，通过LabVIEW软件编程自动计算出振动频率为280 Hz时加速度计的灵敏度、零偏、二阶非线性系数、线性度。计算结果为：灵敏度为 273.4 mV/g，零偏为-9.06 mV，二阶非线性系数mV/g2，稳定性为0.44%，线性度为 0.91%，灵敏度测试偏差优于0.88 mV/g，零偏测试偏差优于2 mV，二阶非线性系数测试偏差优于5×10-4mV/g2。

表2为被测加速度计说明书提供的参数与测试结果的比较。

图8 280 Hz下加速度计输出特性曲线Fig.8 Accelerometer output characteristic curve at 280 Hz

表2 测试结果与标准参数的比较Tab.2 Test results vs. standard parameters

从表2可以看出，测试结果与被测加速度计说明书提供的参数相互比较没有明显偏差，考虑到测试误差等因素，测试系统达到了测试要求。

6 结 论

应用物联网技术、虚拟仪器技术、工程数据库技术设计了加速度计测试系统，应用物联网技术实现了传感器数据远程自动采集、数据网络共享功能。利用线振动试验法实现了单轴 MEMS加速度计的性能自动测试，应用多项式拟合方法建立了加速度计的二阶误差修正模型。应用虚拟仪器技术和工程数据库技术设计了测试系统软件，实现了对实验数据的自动储存、查询、删除与分析功能，完成了对被测加速度计量程、灵敏度、误差、线性度、稳定性等参数的自动分析处理。该项测试技术可实现对远程加速度计性能的自动检测、测试数据的自动保存及自动分析处理功能。

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基于物联网的MEMS加速度计测试分析系统设计

高 桦，丁锴铖，向 凯

Design of MEMS accelerometer vibration test and analysis system based on Internet of Things

GAO Hua, DING Kai-cheng, XIANG Kai
(School of Astronautics, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)

Remote test and automatic data retention of accelerometers at the same time is a frequently encountered problem in engineering applications. An automatic testing and analysis method was proposed to solve this problem. The remote collection and data sharing of accelerometer’s testing data was achieved with Internet of Things technology, and the function of automatic testing and analysis of single-axis MEMS accelerometer was achieved with vibration test. Automatic storage, query, detection and analysis of testing data were realized based on database technology. The system was designed based on the virtual instrument, and it can provide the testing results of range, sensitivity, linearity, stability and other parameters of the accelerometer. Experimental results show that the system has achieved the function of remote test and analysis for accelerometers.

Internet of Things; accelerometer test; vibration table; virtual instrument; engineering database; automatic analysis

1005-6734(2014)06-0834-05

10.13695/j.cnki.12-1222/o3.2014.06.025

TB934；TH824+.4

A

2014-07-22；

2014-11-19

航空科学基金（20110177003）；哈尔滨工业大学“985”专业创新课程建设项目（2012-212）

高桦（1958—），男，副教授，从事惯性导航控制仿真技术及软测量技术研究。E-mail：gaoh_01@sina.com