机电之家论文网

Frequency Response Auto-calibration System for Accelerometer

Li Huimin　Zhang Binqiu
(Northrast China Research Institute of Transduction Technology, Harbin 150001）

Chang Guining
(Shengli Bureau of Petrolrum Manage)

　　Abstract　The object of this contribution is to present a frequency response auto-calibration system for accelerometer.The details of the hardware　structure and the functions of signal testing,colleting,calculating,recording and printing are wanted into.
　　Key Words　Accelerometer　Computer　Control　Frequency response

　　在振动分析和测试中所用的加速度计在研制过程中需要对其频响进行测试。根据频响曲线来标定其动态性能。这方面的性能标定有比较法和绝对法两种。传统的比较法标定过程中，正弦激励要手动调频，响应特性的测试也是人为逐点记录，整个过程不仅工作量大，而且因人为因素较多而产生较大误差^[1]。近年来，国内外市场上出现的频响分析仪解决了上述问题，可以自动测量信号频响特性，存储有效数据，以供绘图仪绘制响应曲线。这类仪器虽然性能优良，但由于价格昂贵，未能在实际工作中得到广泛使用。随着计算机的普及，各种测试和分析技术已向微机化、数字化发展，利用一台微机可完成多项工作。

　　加速度传感器动态标定的方法通常有绝对校准法和比较校准法。绝对法常用于标定高精度传感器或标准传感器，比较法是工程中常用的校准方法。比较法是将两只加速度传感器背靠背地安装在一起（或同一刚性支架上），其中一只为参考标准加速度传感器，它的全部技术性能是已知的；另一只为被校传感器，采用同样加速度a激励它们，则通过两只传感器的输出之间的关系求出被校传感器的技术性能。这个系统就是基于比较法以486微机为主机，外配一块A/D、D/A接口板，用以采集传感器输出模拟信号。接口板是北京华远公司生产的HY8011接口板。该板有12位16通道A／D并有D／A输出，50Hz采集通过率，程控增益及8253定时器等，其它的外围设备还有功率放大器，振动台以及打印机等，硬件组成框图如图1^[2]。标准加速度计与被校加速度传感器“背靠背”地安装在振动台上，振动台的正弦激励由微机控制接口板上D/A输出，通过功率放大器将小信号放大以推动振动台。同时标准加速度计输出的信号分成两路，一路用于反馈回振动台控制系统，控制振动台台面加速度使之保持恒定；另一路与被校传感器的信号一道送入计算机^[3]。

图1　系统构成框图

　　系统工作时选通微机中的定时中断，取出计算好的按正弦规律变换的数据，编程D/A口，经D/A口变换成模拟量，从而得到正弦信号。此信号经功放放大后驱动振动台，使得振动台按照预计频率做振动实验。只须改变定时器初值，就可很方便地改变激励频率，系统设计的频率范围是1 Hz～15 kHz。两只传感器的输出信号经电荷放大器放大后直接连到HY8011板上的AD0、AD1口，定时通过A/D转换测量加速度传感器的输出电压值，使用定时触发方式可以按照一定的频率角对两个A/D通道进行采集。当用正弦信号激励时传感器的输出信号为正弦同频信号，故对两个通道的数据按此模型进行处理可得到两个正弦信号的幅值。同样根据此模型可计算出被测传感器与标准传感器之间的相位差。此频率测完之后，计算机按照预定的步幅自动增加频率，在新的频率下继续测量直至结束，从而得到传感器的幅频和相频特性。

2　软件设计

　　在以往的测试中，由于振幅的测量，尤其是Φ值的测量较为困难，而且计算量大，误差较大，通常采用定点测量，然后拟合出整个频率的方法。在这套系统中，采用计算机自动产生激励信号，自动记录计算，因此可以定频、扫频。
　　根据奈魁斯采样定理，只要f_采≥2f_模就可以不失真地复原出模拟信号。此接口板A/D转换最大的通过率为50 Hz，但每次A/D建立时间为10 μs而每次采集两路。每一路的最大采集频率为25 kHz，则模拟信号的最高频率最好不要超过20 kHz。
　　根据公式V=Asin(ωt+φ)，其中：V为电压测量值；ω为振动台振动频率；A为幅度最大值；φ为初始偏移角度。则有：

ωt+φ＝arcsin(V/A)　　(1)

　　对于某一路传感器来说，两次采集时间为固定时间，因此对于固定的角率的Δφ为已知量，且根据公式（1）有：

Δφ＝arcsin(V₂/A)-arcsin(V₁/A)　　(2)

式中：V₁、V₂分别为相邻两次采集的数据。
　　每一振动频率下可以测量多个点 故可用解方程组的方法求解方程（2）中的A值。但此方程直接求解析解，算法复杂，故本文运用数值分析的方法求出振幅A的数值解。
　　对于方程（2）同样有：

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的过程即为求解方程F(A)=0的解。这里采用迭代法，令A₀=max{V₁,V₂,V₃,V₄}，B₀=4096（数字量4096表示模拟电压5 V,2048代表模拟量0 V）。在区间［A₀,B₀］中计算每一个值的F(A_i)，并找到使│F(A)│最小时的A值就是所求的振幅。求出多组的幅值，计算出均方根σ，再根据3σ的范围剔除粗大误差，然后求出算术平均值，即为某一频率下的幅值A_i，这样就可测出传感器的幅频特性。
　　计算流程如图2所示。

图2　计算模块流程框图

同样据公式（1）有：

ωt_标+φ_标－ωt_检－φ_检＝arcsin(V_标/A_标)-
　　　　　　　　　　　arcsin(V_检/A_检)

　　下标为“标”的变量代表标准传感器的变量，下标为“检”的变量是表征欲检测的传感器的特征量。
　　由于采用定时触发方式，每次采集的间隔时间Δt是固定的，即（t_标－t_检）为固定值，ω为振动台振动角频率，因此可以求出Δφ－φ_标－φ_检，即两传感器相位差的相频函数Δφ（ω），而标准传感器的相频函数φ_标（ω）为已知，则有：

φ_检（ω）－φ_标（ω）－Δφ（ω）

　　采用计算机对于数据采集、处理、存储、维护都十分方便，可以打开文件将采集到的两路通道数据存入文件中，将计算得到的幅频和相频函数存入文件中，以供随时调出打印。
　　本系统软件采用模块化设计，结构灵活，易于组合、调试、联接与扩展。主要分为A/D采集模块、数据处理、显示驱动、打印驱动等部分。其中数据处理、显示驱动及打印驱动部分均采用Borlad　C＋＋软件包编译而成的。A/D采集模块需要实时的、动态的，响应速度快，因此各种高级语言均不能满足系统的要求，而只能使用8088宏汇编完成。主程序软件流程如图3所示。

图3　主程序流程图

　　A/D采集模块为了减小软件占用时间，提供采样频率，用汇编语言编制的。它是利用接口板上定时器8223产生的定时中断，在中断服务程序中触发A/D转换，查询等待A/D结束，读出A/D转换结果，依次存入存储区内。
　　显示驱动模块将屏幕设置成图形方式，可以显示汉字信息，也可显示测得的幅频和相频曲线。打印驱动模块采用点阵方式驱动打印机将计算后得到的幅频、相频曲线打出。

3　结　论

　　这套系统设计比较合理，属于开放式结构，按不同的要求可以增加或减少以达到合适的配置，而且整个系统操作简单，自动化程度高、速度快，适合传感器频响特性标定，具有很大的推广价值。

*国防“九五”军事预研资助项目

作者简介：李慧敏，女，工程师。1987年毕业于西北电讯工程学院电子精密机械专业。1996年毕业于南京理工大学振动、冲击、噪声专业获硕士学位。现在东北传感技术研究所，一直从事力学量传感器研究。

作者单位：李慧敏　张滨秋(东北传感技术研究所,哈尔滨 150001)
　　　　　常贵宁(胜利油田管理局)

1　袁希光.传感器技术手册.国防工业出版社，1986.952～954
2　The HY-Autoboards User MANUAL
3　李玉龙，郭伟国，贾德新，等.高g值加速度传感器校准系统的研究.爆炸与冲击，1997,17(1):90