一种基于LabVIEW振动传感器的校准系统

2016-09-03黄如昌李国星

中国科技信息 2016年10期

黄如昌刘建李国星

黄如昌刘建李国星

在实际工程应用中，为了校准振动传感器的输出精度并检验其输出幅频特性，利用LabVIEW软件及其DAQmx驱动开发一套能够采集多路振动传感器的输出幅值和频谱分析的实时数据采集系统，同时能够存储相关数据以便事后进行回放分析。通过对多路振动传感器的幅值采样、数据存储、波形显示及信号的频谱分析等工作，可对传感器进行更好的校准工作。

在工程应用中，如试飞测试中，飞机振动参数的测量是不可缺少的一种参数。振动传感器及其配套放大器本身有着固定的灵敏度，但是在实际生产过程中，由于传感器本身以及后续放大电路的差异，会导致每个传感器的输出有或多或少的偏差。因此在使用振动传感器之前，我们必须对传感器进行校准，以确定传感器的幅频特性。在传统的校准工作中，我们需要一个电压表，一台示波器对振动传感器的输出信号进行测量及波形显示。在这种情况下，我们每次只能对一个传感器进行测量及波形显示。而实际工作中为了提高效率，结合振动模拟台的工作能力，我们每次可以同时对四路传感器进行校准。因此，我们利用LabVIEW平台，结合USB-6008采集板卡及其DAQmx驱动开放一种成本低廉，能够同时校准多路振动传感器的测试系统。

测试系统方案设计

硬件的选择

振动传感器：压电式振动传感器，利用压电效应即敏感原件表面受到加速度时，其表面将产生电荷的现象。传感器选用ENDEVCO公司2276型传感器，其输出为：10pC/g；

电荷放大器：将振动传感器输出的电荷量变成与之相对应的输出电压。选用ENDEVCO公司2680M14放大器，其增益范围为1-100mV/pC可调；

数据采集板卡：选用NI公司USB-6008采集卡。其技术指标为：USB总线接口，最高采样率为10ks/s，分辨率为12bit，最大输入电压范围-10v～10v。

方案设计

利用LabVIEW设计的虚拟仪器平台测试系统是常用的电子测试仪器之一，在本文介绍的振动传感器实时校准系统中，它的主要功能是精确复现作为时间函数的电压波形，显示的波形用来确定数量的信息（如幅度、频率），也可用来获得其质量的信息（如波形）；还可用来比较两个不同的波形，并测量它们的时间和相位关系。该系统利用NI公司USB-6008数据采集卡及LabVIEW应用开发环境，开发基于USB总线的虚拟示波器。其结构框图如图1所示。

本系统主要通过采集卡采集振动信号并能对输入信号实时显示在PC机终端上，同时对振动传感器的输出信号进行实时频谱分析，以判断传感器幅频特性以及频率响应的好坏。系统亦可同时将原始信号信号以电子表格形式存储在本地硬盘上，便于日后分析或处理。

软件设计

该系统由一块基于USB总线的多功能数据采集卡和相应的软件组成，采集卡选用NI公司的USB-6008，系统的软件采用模块化的思想编写，每个功能的实现由一个模块完成。完成振动传感器的输出接口与采集板卡的通道对接后，利用NI提供的DAQmx模块采集信号，便可完成系统软件与数据采集卡之间的通信。软件采用模块化设计思想编写，总体上包括信号采集，波形显示、频谱分析、数据存储及回放等模块组成，最终能实现数据采集、调节、处理、显示等功能。

数据采集模块的设计

数据采集及通过软件对USB-6008板卡进行编程设置，包括对信号通道选择，采样速率，模式等参数设置。其程序如图2所示。

波形显示、数据存储及频谱分析部分程序设计

波形显示主要对采集的传感器信号实时地显示在前面板，其程序如图3所示。

图1　测试系统框图

图2　信号采样部分程序

波形的回放程序设计

波形回放部分是个独立程序结构，其思想就是将电脑上保存的波形数据调用并重新在波形图表中显示出来，其程序如图4所示。

前面板的设计

前面板主要通过一个波形图表模块显示传感器输出信号的采集波形图，及其信号处理后的频谱图。本文以振动传感器为例，能够同时对四路传感器进行波形显示及信号分析，因此我们前面板设计出四路并行的波形显示画面，因为LabVIEW软件可以实现多任务的并行运行，因此我们的四路画面可以同时进行波形的显示及信号处理。在本文中，我们使用仿真信号源，作为我们的振动传感器输出信号。我们选用四个信号源分别为正弦波信号，方波信号，锯齿波信号及白噪声，运行程序可以发现设计的虚拟示波器面板可以对四路信号同时进行数据测量，波形显示及信号处理。设计的前面板及测试仿真信号波形图如图5所示，频谱分析如图6所示，数据回放如图7所示。

图3　波形显示，频谱分析及数据保存程序

图4　波形回放程序

图5　四通道振动信号采集系统前面板

图6　频谱分析前面板

图7　数据回放面板

应用实例

在工程应用中，我们需要对一组4个振动参数（编号分别为：VIB1、VIB2、VIB3、VIB4）进行校准，由于每个传感器的灵敏度都不一样，因此使用的每个传感器都需要安装在标准振动台上施以标准振动值，再使用采集系统采集对应传感器的输出值，最后对应每个传感器出一个校线公式。这样在之后的实际应用中，根据传感器的实际输出电压便知道测量的振动g值，经过校准之后的传感器其测量精度会进一步提升。我们以传感器灵敏度为10pC/g，调节器增益10mV/pC为例，那么其标准输出为100mV/g，该值为峰值，有效值便为70.7 mV/g。然而每个传感器的实际输出定会存在一定的误差，通过校准系统采集的实际输出如表1所示。

表1　传感器的实际输出列表

通过最小二乘法得出四个参数的校准公式为（x为g值，y为采集电压）：

VIB1：y1=69.51x+0.02；VIB2：y2=71.79x+0.48；

VIB3：y3= 71.19x+0.46；VIB4：y4= 70.70x+0.20。

总结

为了便于同时对多路传感器进行校准工作，本文利用NI公司数据采集卡USB-6008及LabVIEW应用开发环境，开发的基于USB总线的虚拟振动信号数据采集系统。其主要针对振动传感器的校准工作，基本实现了对振动参数的数据采集、处理、显示等功能，并通过最后的数据处理得出传感器的实际校线公式。该系统具有操作简单、界面美观等特点，且通过软件实现具有更多灵活性，满足更个性化的要求。