這套系統設計比較合理,屬于開(kāi)放式結構,按不同的要求可以增加或減少以達到合適的配置,而且整個(gè)系統操作簡(jiǎn)單,自動(dòng)化程度高、速度快,適合傳感器頻響特性標定,具有很大的推廣價(jià)值。 

在振動(dòng)分析和測試中所用的加速度計在研制過(guò)程中需要對其頻響進(jìn)行測試。根據頻響曲線(xiàn)來(lái)標定其動(dòng)態(tài)性能。這方面的性能標定有比較法和絕對法兩種。傳統的比較法標定過(guò)程中,正弦激勵要手動(dòng)調頻,響應特性的測試也是人為逐點(diǎn)記錄,整個(gè)過(guò)程不僅工作量大,而且因人為因素較多而產(chǎn)生較大誤差?]。近年來(lái),國內外市場(chǎng)上出現的頻響分析儀解決了上述問(wèn)題,可以自動(dòng)測量信號頻響特性,存儲有效數據,以供繪圖儀繪制響應曲線(xiàn)。這類(lèi)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(zhù)計算機的普及,各種測試和分析技術(shù)已向微機化、數字化發(fā)展,利用一臺微機可完成多項工作。        
1 系統的工作原理及組成             
    加速度傳感器動(dòng)態(tài)標定的方法通常有絕對校準法和比較校準法。絕對法常用于標定高精度傳感器或標準傳感器,比較法是工程中常用的校準方法。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),其中一只為參考標準加速度傳感器,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(guò)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)系統就是基于比較法以486微機為主機,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?Hz采集通過(guò)率,程控增益及8253定時(shí)器等,其它的外圍設備還有功率放大器,振動(dòng)臺以及打印機等,硬件組成框圖如圖1?]。標準加速度計與被校加速度傳感器"背靠背"地安裝在振動(dòng)臺上,振動(dòng)臺的正弦激勵由微機控制接口板上D/A輸出,通過(guò)功率放大器將小信號放大以推動(dòng)振動(dòng)臺。同時(shí)標準加速度計輸出的信號分成兩路,一路用于反饋回振動(dòng)臺控制系統,控制振動(dòng)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算機Α]。             
    系統工作時(shí)選通微機中的定時(shí)中斷,取出計算好的按正弦規律變換的數據,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)功放放大后驅動(dòng)振動(dòng)臺,使得振動(dòng)臺按照預計頻率做振動(dòng)實(shí)驗。只須改變定時(shí)器初值,就可很方便地改變激勵頻率,系統設計的頻率范圍是1 Hz? 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(guò)A/D轉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)通道的數據按此模型進(jìn)行處理可得到兩個(gè)正弦信號的幅值。同樣根據此模型可計算出被測傳感器與標準傳感器之間的相位差。此頻率測完之后,計算機按照預定的步幅自動(dòng)增加頻率,在新的頻率下繼續測量直至結束,從而得到傳感器的幅頻和相頻特性。        
2 軟件設計             
    在以往的測試中,由于振幅的測量,尤其是Φ值的測量較為困難,而且計算量大,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。在這套系統中,采用計算機自動(dòng)產(chǎn)生激勵信號,自動(dòng)記錄計算,因此可以定頻、掃頻。             
    根據奈魁斯采樣定理,只要f采≥2f模就可以不失真地復原出模擬信號。此接口板A/D轉換最大的通過(guò)率為50 Hz,但每次A/D建立時(shí)間為10 μs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(guò)20 kHz。             
    根據公式V=Asin(ωt+φ),其中:V為電壓測量值;ω為振動(dòng)臺振動(dòng)頻率;A為幅度最大值;φ為初始偏移角度。則有:             
             ωt+φ=arcsin(V/A)  ?)            
    對于某一路傳感器來(lái)說(shuō),兩次采集時(shí)間為固定時(shí)間,因此對于固定的角率的Δφ為已知量,且根據公式?)有:             
        Δφ=arcsin(V2/A)arcsin(V1/A)  ?)        
    式中:V1、V2分別為相鄰兩次采集的數據。            
    每一振動(dòng)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?)中的A值。但此方程直接求解析解,算法復雜,故本文運用數值分析的方法求出振幅A的數值解。           
      對于方程?)同樣有:            Δφ=arcsin(V4/A)arcsin(V3/A)             
      故有:            arcsin(V4/A)arcsin(V3/A)            =arcsin(V2/A)arcsin(V1/A)             
       令            F(A)=arcsin(V4/A)arcsin(V3/A)arcsin(V2/A)+arcsin(V1/A)             
      故求解振幅A的過(guò)程即為求解方程F(A)?的解。這里采用迭代法,令A0=max,B0????(數字量4096表示模擬電壓5 V????代表模擬量0 V)。在區間[A0,B0]中計算每一個(gè)值的F(Ai),并找到使│F(A)│最小時(shí)的A值就是所求的振幅。求出多組的幅值,計算出均方根σ,再根據3σ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。              
       同樣據公式?)有:       ωt標+φ標ωt檢φ檢=arcsin(V標/A標)arcsin(V檢/A檢)             
      下標為"標"的變量代表標準傳感器的變量,下標為"檢"的變量是表征欲檢測的傳感器的特征量。             
      由于采用定時(shí)觸發(fā)方式,每次采集的間隔時(shí)間Δt是固定的,即(t標t檢)為固定值,ω為振動(dòng)臺振動(dòng)角頻率,因此可以求出Δφφ標φ檢,即兩傳感器相位差的相頻函數Δφ(ω),而標準傳感器的相頻函數φ標(ω)為已知,則有:            φ檢(ω)φ標(ω)Δφ(ω)             
      采用計算機對于數據采集、處理、存儲、維護都十分方便,可以打開(kāi)文件將采集到的兩路通道數據存入文件中,將計算得到的幅頻和相頻函數存入文件中,以供隨時(shí)調出打印。             
      本系統軟件采用模塊化設計,結構靈活,易于組合、調試、聯(lián)接與擴展。主要分為A/D采集模塊、數據處理、顯示驅動(dòng)、打印驅動(dòng)等部分。其中數據處理、顯示驅動(dòng)及打印驅動(dòng)部分均采用Borlad C++軟件包編譯而成的。A/D采集模塊需要實(shí)時(shí)的、動(dòng)態(tài)的,響應速度快,因此各種高級語(yǔ)言均不能滿(mǎn)足系統的要求,而只能使用8088宏匯編完成。主程序軟件流程如圖3所示。       
    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(yǔ)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轉換,查詢(xún)等待A/D結束,讀出A/D轉換結果,依次存入存儲區內。             
     顯示驅動(dòng)模塊將屏幕設置成圖形方式,可以顯示漢字信息,也可顯示測得的幅頻和相頻曲線(xiàn)。打印驅動(dòng)模塊采用點(diǎn)陣方式驅動(dòng)打印機將計算后得到的幅頻、相頻曲線(xiàn)打出。