【摘要】介紹了一種加速度傳感頻響特征自動標定系統。分析了該系統的硬件組成以及信號測量、采集、計算、記錄、顯示、打印功能的實現。 0　引言 在振動分析和測試中所用的加速度計在研制過程中需要對其頻響進行測試。根據頻響曲線來標定其動態性能。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程中，正弦激勵要手動調頻，響應特性的測試也是人為逐點記錄，整個過程不僅工作量大，而且因人為因素較多而產生較大誤差[1]。近年來，國內外市場上出現的頻響分析儀解決了上述問題，可以自動測量信號頻響特性，存儲有效數據，以供繪圖儀繪制響應曲線。這類儀器雖然性能優良，但由于價格昂貴，未能在實際工作中得到廣泛使用。隨著計算機的普及，各種測試和分析技術已向微機化、數字化發展，利用一臺微機可完成多項工作。 1　系統的工作原理及組成 加速度傳感器動態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，則通過兩只傳感器的輸出之間的關系求出被校傳感器的技術性能。這個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的HY8011接口板。該板有12位16通道A／D并有D／A輸出，50Hz采集通過率，程控增益及8253定時器等，其它的外圍設備還有功率放大器，振動臺以及打印機等，硬件組成框圖如圖1[2]。標準加速度計與被校加速度傳感器“背靠背”地安裝在振動臺上，振動臺的正弦激勵由微機控制接口板上D/A輸出，通過功率放大器將小信號放大以推動振動臺。同時標準加速度計輸出的信號分成兩路，一路用于反饋回振動臺控制系統，控制振動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[3]。 [align=center] 圖1　系統構成框圖[/align] 系統工作時選通微機中的定時中斷，取出計算好的按正弦規律變換的數據，編程D/A口，經D/A口變換成模擬量，從而得到正弦信號。此信號經功放放大后驅動振動臺，使得振動臺按照預計頻率做振動實驗。只須改變定時器初值，就可很方便地改變激勵頻率，系統設計的頻率范圍是1 Hz～15 kHz。兩只傳感器的輸出信號經電荷放大器放大后直接連到HY8011板上的AD0、AD1口，定時通過A/D轉換測量加速度傳感器的輸出電壓值，使用定時觸發方式可以按照一定的頻率角對兩個A/D通道進行采集。當用正弦信號激勵時傳感器的輸出信號為正弦同頻信號，故對兩個通道的數據按此模型進行處理可得到兩個正弦信號的幅值。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，通常采用定點測量，然后擬合出整個頻率的方法。在這套系統中，采用計算機自動產生激勵信號，自動記錄計算，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轉換最大的通過率為50 Hz，但每次A/D建立時間為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20 kHz。 根據公式V=Asin（ωt+φ），其中：V為電壓測量值；ω為振動臺振動頻率；A為幅度最大值；φ為初始偏移角度。則有： ωt+φ＝arcsin（V/A）　　（1） 對于某一路傳感器來說，兩次采集時間為固定時間，因此對于固定的角率的Δφ為已知量，且根據公式（1）有： Δφ＝arcsin（V2/A）-arcsin（V1/A）　　（2） 式中：V1、V2分別為相鄰兩次采集的數據。 每一振動頻率下可以測量多個點 故可用解方程組的方法求解方程（2）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（2）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的過程即為求解方程F（A）=0的解。這里采用迭代法，令A0=max｛V1,V2,V3,V4｝，B0=4096（數字量4096表示模擬電壓5 V,2048代表模擬量0 V）。在區間［A0,B0］中計算每一個值的F（Ai），并找到使│F（A）│最小時的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。 計算流程如圖2所示。 [align=center] 圖2　計算模塊流程框圖[/align] 同樣據公式（1）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。 由于采用定時觸發方式，每次采集的間隔時間Δt是固定的，即（t標－t檢）為固定值，ω為振動臺振動角頻率，因此可以求出Δφ－φ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、聯接與擴展。主要分為A/D采集模塊、數據處理、顯示驅動、打印驅動等部分。其中數據處理、顯示驅動及打印驅動部分均采用Borlad　C＋＋軟件包編譯而成的。A/D采集模塊需要實時的、動態的，響應速度快，因此各種高級語言均不能滿足系統的要求，而只能使用8088宏匯編完成。主程序軟件流程如圖3所示。 [align=center] 圖3　主程序流程圖[/align] A/D采集模塊為了減小軟件占用時間，提供采樣頻率，用匯編語言編制的。它是利用接口板上定時器8223產生的定時中斷，在中斷服務程序中觸發A/D轉換，查詢等待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。打印驅動模塊采用點陣方式驅動打印機將計算后得到的幅頻、相頻曲線打出。 3　結　論 這套系統設計比較合理，屬于開放式結構，按不同的要求可以增加或減少以達到合適的配置，而且整個系統操作簡單，自動化程度高、速度快，適合傳感器頻響特性標定，具有很大的推廣價值。