基于LabVIEW的冲击加速度传感器校准系统研究

周振杰，李绍辉，李 妍

（交通运输部 天津水运工程科学研究所，天津 300456）

冲击加速度传感器作为惯性导航、工程监测、仪器检测等设备中的重要元件，目前在航空航天、武器制导、工程检测等多个领域之中被广泛应用[1]。在工程领域，冲击加速度传感器的精度直接影响到工程检测等设备的精度，同时经过较长时间的使用后其性能参数会发生一定程度的漂移，因此需要定期校准。根据其特性，加速度传感器校准可分为稳态校准和冲击校准两类，稳态校准中地球重力场校准是利用地球重力场在±1 g 的加速度范围内对加速度传感器进行静态或低频校准，静态校准和离心机校准主要是用于对具有零频率响应的加速度传感器进行校准，而稳态振动法受限于振动台的推力以及结构设计等原因，其最大加速度幅值一般不超过10 g[2]。当加速度幅值超过几十个g 时，且需要得到加速度传感器的加速度幅值线性度时，就需要通过冲击校准来实现。

中国计量科学研究院建有20～1×106m/s2冲击加速度基准装置[3]，满足加速度传感器的冲击校准，但是该设备昂贵、维护成本高，不易在全国推广使用。本文基于加速度传感器校准的需求，根据IS016063-22 冲击比较法校准标准[4]的要求，设计了一种基于LabVIEW 的冲击加速度传感器校准系统，可实现加速度传感器的冲击比较法校准。

1 加速度校准原理

加速度传感器做冲击校准时，灵敏度和线性度是最重要的参数。被检加速度传感器的灵敏度可用公式（1）计算，灵敏度校准结果不确定度可参考国家标准评定。

式中：SS为标准加速度传感器的灵敏度，单位为V/（m·s-2）；Ssh为被检加速度传感器的灵敏度，单位为V/（m·s-2） 或pC/（m·s-2）；uS为标准加速度传感器采集的输出信号序列的最大峰值，单位为V；uX为被检加速度传感器采集的输出信号序列的最大峰值，单位为pC 或V。

线性度校准时，按照加速度传感器量程选取校准点，依次改变冲击幅值，分别读取各个校准点标准加速度传感器采集的输出信号序列的最大峰值uSi和被检加速度传感器采集的输出信号序列的最大峰值uXi，做最小二乘法拟合按照公式（2）计算各个校准点的加速度传感器幅值线性度δi，取最大值为校准结果。

式中：a0为拟合直线的截距；a 为拟合直线的斜率；uM为标准加速度传感器输出满量程。

2 校准系统组成及工作过程

冲击加速度校准装置硬件主要包括标准加速度套组、产生半正弦波形冲击激励的落锤冲击源及基于虚拟仪器的数据采集处理部分。标准加速度套组选用Endevco 2270 型标准加速度传感器和BK 2692 型电荷放大器，其计量性能指标如表1所示，加速度套组定期经国家冲击加速度基准检定合格，可保证测量数据的可靠性。落锤冲击源为校准系统提供冲击能量，冲击波形的峰值高低、脉宽大小均和撞击能量大小、作用时间有直接关系，该落锤冲击源可产生500～50000 m/s2范围内的加速度峰值。数据采集处理部分是以计算机为核心，配合NI PCI5105 高速数字化仪来实现加速度信号采集。

表1 标准加速度套组主要性能参数Tab.1 Cain performance parameters of standard acceleration set

该校准系统的工作原理是人工控制将落锤提起，然后释放使其自由降落，落锤与安装有毛毡的砧头碰撞后产生一定幅度的冲击信号，该冲击信号即为加速度传感器的激励源。标准加速度传感器与被校加速度传感器背靠背固定安装在一起，然后通过螺栓与落锤刚性连接[5]。标准加速度传感器与被校加速度传感器的输出信号经电荷放大器转化成电信号，然后经数据采集处理系统采集和处理，最后通过可视化软件计算得到被检加速度传感器的灵敏度。

3 校准系统的软件设计

根据ISO16063-22 冲击比较法校准的要求，其软件的基本框图如图1所示。

图1 软件工作基本框图Fig.1 Basic block diagram of software work

对于标准加速度传感器与被校传感器两路冲击加速度信号，均采用如上所述的采集及处理方式，最后通过计算得到被校传感器的灵敏度等指标。

本校准软件主要包括校准信息输入部分、采集卡硬件设置部分、标准传感器套组的设置及输出显示部分、被校传感器套组的设置及输出显示部分、校准结果显示部分以及程序流程显示部分，其界面如图2所示。检定/校准信息的输入部分主要包括标准套组的信息输入、被校传感器套组信息输入以及送检单位和温湿度校准地点等信息的输入，输入的这些信息最后直接生成校准的原始记录。采集卡硬件设置部分主要包括采集通道的设置，因为是两路信号完全同步的采集，所以只需要设置好所需要采集的通道后，这两个通道的采集参数则完全一致。采集参数的设置主要包括采样时间、采样频率和触发电压。因为冲击加速度信号是一个典型的非周期瞬态信号，故必须将采样触发方式设置为触发采样，即程序开始运行后不采样，只有当冲击信号大于所设置的触发电压后才开始采样，这样才能完整的采集下冲击信号。标准套组的输入部分主要是输入灵敏度设置以及放大器的放大倍数设置，通过这个设置可以将采集到的电压信号转化为物理量，即对应的加速度值的大小。另外，还有一个是滤波器的开关，是设置对加速度信号进行滤波的操作，这里可以根据需要设置低通滤波。被检套组的输入部分主要是一项，就是放大器的放大倍数设置。另外还包括一个是低通滤波部分，就是根据需要对被检冲击加速度波形进行滤波。其被检物理量显示部分主要包括显示被检的冲击加速度波形和对应的速度波形以及对其进行拟合的直线等，参考物理量显示部分主要包括显示冲击加速度波形、速度波形和加速度波形的频率成分等。

图2 软件整体界面Fig.2 Software integral interface

4 测试验证

4.1 示波试验

标准加速度的灵敏度取值为0.2012 mV/（m·s-2），采样频率设置为10 MHz，采样时间设置为10 ms，触发电压设置为150 mV。点击示波按钮，观察该系统各部分是否连接正常，正常示波应如图3所示。

图3 正常示波界面Fig.3 Normal oscillographic interface

4.2 滤波试验

对于冲击信号的检测与分析，其时域波形所显示的冲击加速度峰值是一个非常重要的物理量，而要准确的判断所采集到的冲击加速度信号的峰值，必须保证所采集到的冲击信号是一条光滑的曲线。但在实际的冲击试验过程中，往往由于机械结构或者其他任何部分的共振或者振荡都会引起冲击加速度波形的曲线有畸变，或者由于其他的电噪声影响，都会使所采集到的冲击信号出现较大的失真，从而影响对其峰值的判断[6]。该系统滤波选用巴特沃斯滤波器，低通截止频率设置为10 kHz。采集到的冲击加速度信号如图4所示，不设置滤波时其曲线明显含有噪声，其峰值不明显。对其进行滤波后所得到的加速度波形如图5所示，可以看出，经过低通滤波后的冲击信号曲线非常光滑，其时域峰值可以准确判断。

图4 滤波前采集数据Fig.4 Data acquisition before filtering

图5 滤波后采集数据Fig.5 Data acquisition after filtering

4.3 灵敏度和幅值线性度校准试验及结果验证

选取RSM-PDT（B）基桩动测仪高应变加速度传感器作为试验验证比对样品，主要性能参数如表2所示。在1000～5000 m/s2范围内选取10 个校准点，使用冲击加速度传感器校准系统上进行校准试验，得到被检加速度传感器的灵敏度和线性度，同时该基桩动测仪也经过中国计量科学研究院50～2.0×104m/s2冲击加速度基准校准，灵敏度及幅值线性度校准结果汇总如表3所示。

表2 加速度传感器主要性能参数Tab.2 Main performance parameters of acceleration sensor

表3 校准结果Tab.3 Calibration results

5 结语

基于美国NI 公司LabVIEW 软件平台的冲击加速度校准系统，充分利用了LabVIEW 的强大功能，可完成冲击数据的实时采集、分析、记录和保存等，自动化程度高，降低了科研人员的工作强度，实现了加速度传感器的冲击比较法校准。该系统在100～5000 m/s2内对样机进行的校准结果与基准装置校准结果对比，以基准装置校准结果灵敏度平均值为参考值，则该系统校准结果灵敏度偏差为1.2%，满足加速度传感器冲击校准的需求，可在全国范围内推广使用。