摘要：在軍品型號研制和生產(chǎn)過程中，信號調(diào)理器廣泛應(yīng)用于振動、力、壓力和聲學(xué)等非電量電測技術(shù)中。為了解決信號調(diào)理器現(xiàn)場檢定工作中存在的諸多不便，我們研制了信號調(diào)理器VXI總線現(xiàn)場檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)由硬件和軟件組成，硬件主要包括信號源模塊、數(shù)字化儀模塊與VXI總線機箱等部分。
關(guān)鍵詞：信號調(diào)理器；VXI總線模塊；測試系統(tǒng)
Signal Conditioner VXI Bus On-siteVerification System
Feng wenmin,Wang haiyan,Liu haimei
Abstract：Signal conditioner is extensively used in vibration、force、pressure、acoustics measurement and so on.There are many difficulties in verification of signal conditioner On-site.To resolve these problems,we produce the signal conditioner VXI bus On-site Verification System.This system include signal generator module、digitizer module,which compose verification system with the VXI mainframe ; and verification software.
Key words: Signal conditioner; VXI bus module; verification system
1 引言
信號調(diào)理器，包括電荷放大器、應(yīng)變儀及傳感器變送器等，是把傳感器信號作初步處理，變?yōu)榉治鰞x可進一步分析的信號的儀器。在軍品型號研制和生產(chǎn)過程中，廣泛應(yīng)用于振動、力、壓力和聲學(xué)等非電量電測技術(shù)中。如：在彈體整體結(jié)構(gòu)技術(shù)性能試驗、發(fā)動機技術(shù)性能試驗和慣導(dǎo)器件的環(huán)境試驗等試驗中，應(yīng)用了各種類型的傳感器和信號調(diào)理器。由于傳感器信號調(diào)理器集成在導(dǎo)彈測試系統(tǒng)中，拆卸不方便，而檢測信號調(diào)理器的標(biāo)準(zhǔn)儀器數(shù)量多、體積大，給現(xiàn)場計量檢測工作帶來了不便。一般信號調(diào)理器，通道數(shù)較多，現(xiàn)有的檢測設(shè)備只能實現(xiàn)單個通道測量，工作量和計算量較大，而且手動操作存在人為誤差，影響測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。為了解決上述問題，實現(xiàn)檢測標(biāo)準(zhǔn)的小型化和自動化，實現(xiàn)檢測標(biāo)準(zhǔn)可方便移動到現(xiàn)場，我們研制了信號調(diào)理器VXI總線現(xiàn)場檢測系統(tǒng)。
2系統(tǒng)設(shè)計
2.1硬件設(shè)計
檢測系統(tǒng)硬件組成如圖1所示，檢測系統(tǒng)硬件主要有VXI總線機箱、信號轉(zhuǎn)接電路和外控計算機等部分組成。VXI總線機箱內(nèi)有電源模塊、控制模塊、信號源模塊和數(shù)字化儀模塊。VXI總線機箱采用C尺寸，C尺寸的儀器模塊通過機箱背板上的連接器插入機箱。電源模塊將穩(wěn)定的直流電壓送到機箱背板上，經(jīng)過連接器給各個儀器模塊供電。外控計算機通過IEEE1394總線和控制模塊對儀器進行操作控制。在計算機的控制下，信號源模塊輸出標(biāo)準(zhǔn)信號。標(biāo)準(zhǔn)信號通過信號轉(zhuǎn)接電路送到被檢測信號調(diào)理器的各個輸入端，被檢測信號調(diào)理器的輸出信號接到數(shù)字化儀模塊。計算機控制數(shù)字化儀模塊，采集被檢測信號調(diào)理器的輸出信號，將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。由計算機軟件計算分析這些數(shù)字信號，最后得到被測信號頻譜或電壓值等檢測結(jié)果。
（a）信號源模塊采用直接數(shù)字合成技術(shù)實現(xiàn)波形輸出功能，保證了模塊輸出的波形在整個信號頻率范圍內(nèi)具有很高的頻率分辨率；模塊內(nèi)部提供了八選一輸出通道，可以通過軟件對通道進行設(shè)置和選擇一個通道輸出波形，減少了計量時反復(fù)的接線和設(shè)置工作，使得工作量大大減少，提高了工作效率、減輕了操作人員的勞動強度。
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VXI總線機箱 |
外控計算機 控制模塊 IEEE1394接口 被檢測信號調(diào)理器 輸入 輸出 信號轉(zhuǎn)接電路 電源模塊 信號源模塊 多路開關(guān) 數(shù)字化儀模塊 多路開關(guān)
圖1 系統(tǒng)硬件組成
2.2軟件設(shè)計
檢測系統(tǒng)軟件完成的主要功能包括：硬件檢測及初始化、方式及條件設(shè)置、數(shù)據(jù)采集、存儲數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)處理及分析計算。采用WINDOWS平臺下運行的LabVIEW作為軟件開發(fā)環(huán)境。檢測軟件流程如圖2所示。
（a）硬件檢測及初始化：包括對信號發(fā)生器模塊和數(shù)字信號處理模塊地址設(shè)置、第一次開機的初始化、模塊狀態(tài)及錯誤檢查等。
（b）方式及條件設(shè)置：設(shè)置數(shù)據(jù)讀取方式及采集信號的時間。
（c）數(shù)據(jù)采集：采用定時采集方式。
（d）數(shù)據(jù)顯示：采用窗口顯示標(biāo)準(zhǔn)信號數(shù)據(jù)和測量信號數(shù)據(jù)。采用指示燈顯示硬件工作狀態(tài)。
（e）數(shù)據(jù)處理及分析計算：數(shù)據(jù)處理包括數(shù)字濾波、交流耦合、加窗函數(shù)等；數(shù)據(jù)分析包括FFT、最小二乘法曲線擬合等。
數(shù)據(jù)的處理及分析計算結(jié)果 開始 數(shù)據(jù)采集 方式及條件設(shè)置 存儲數(shù)據(jù)
數(shù)據(jù)顯示
結(jié)束
圖2 檢測軟件流程
3.1增益
信號調(diào)理器增益=輸出電壓/輸入電壓，
以標(biāo)準(zhǔn)裝置輸出電壓10V為例進行分析，輸出電壓幅度誤差為0.03%,此誤差屬均勻分布，由此帶來的不確定度分量為：
針對標(biāo)準(zhǔn)裝置輸出為10V，幅度測量量程選10V檔，對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)裝置幅度測量誤差為0.05%,此誤差屬均勻分布，由此帶來的不確定度分量為：
信號轉(zhuǎn)接電路的誤差是標(biāo)準(zhǔn)電容或標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變的誤差，誤差均為0.05%,此誤差屬均勻分布, 由此帶來的不確定度分量為
合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：
擴展不確定度為：
U=k×
被檢信號調(diào)理器增益誤差為1%，所以滿足增益檢測的要求。
3.2信號調(diào)理器線性
信號調(diào)理器線性誤差為：
δm=[（ei0eom）/（eo0eim）-1]×100% （m=0，1，2…）
式中, eo0——信號調(diào)理器的最大輸出電壓
ei0——信號調(diào)理器輸出最大電壓eo0時信號發(fā)生器模塊的輸出電壓。
eom——信號調(diào)理器的輸出電壓（m=1，2，3…）
eim——信號調(diào)理器輸出eom時信號發(fā)生器模塊的輸出電壓（m=0，1，2…）
ei0、eom、eo0和eim值由數(shù)字化儀模塊測得，信號調(diào)理器線性的測量點m一般為平均分布，選5～10個。
以標(biāo)準(zhǔn)裝置輸出電壓10V為例進行分析，輸出電壓幅度誤差為0.03%,此誤差屬均勻分布，由此帶來的不確定度分量為：
針對標(biāo)準(zhǔn)裝置輸出為10V，幅度測量量程選10V檔，對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)裝置幅度測量誤差為0.05%,此誤差屬均勻分布，由此帶來的不確定度分量為：
信號轉(zhuǎn)接電路的誤差是標(biāo)準(zhǔn)電容或標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變的誤差，均為0.05%,此誤差屬均勻分布, 由此帶來的不確定度分量為：
合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：
擴展不確定度為：
U=k×
被檢信號調(diào)理器的線性為1%，所以能滿足線性檢測的要求。
4系統(tǒng)的主要特點
4.1可靠性
檢測數(shù)據(jù)的可靠性是保證檢定質(zhì)量的關(guān)鍵，因此在設(shè)計本系統(tǒng)程序時，采取了以下措施：
（a）自動記錄數(shù)據(jù)，減少了因人而異的手動操作的讀數(shù)誤差，避免了手工記錄、數(shù)據(jù)處理時的粗大誤差；
(b) VXI總線具有高可靠性，由于儀器的功能主要靠軟件來實現(xiàn)，減少了傳統(tǒng)儀器按鈕、開關(guān)、顯示等部分，從而使系統(tǒng)的平均無故障時間大大提高。
4.2可擴展性
(a) 由于采用了層次分明的軟件結(jié)構(gòu)，使功能擴充和程序修改變得比較容易；
(b) VXI總線規(guī)范化，標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計，以及開放式環(huán)境使得系統(tǒng)的可擴展性和可維護性更強；
(c) LabVIEW開發(fā)的系統(tǒng)不僅功能齊全,還節(jié)省成本,當(dāng)測量發(fā)生改變時可以輕松對系統(tǒng)進行修改或擴展。
5 結(jié)論
信號調(diào)理器VXI總線現(xiàn)場檢測系統(tǒng)，建立了小型化、自動化的信號調(diào)理器現(xiàn)場檢測系統(tǒng)?；赩XI總線技術(shù)建立的現(xiàn)場檢測系統(tǒng)，具有高可靠性和可擴展性。檢測數(shù)據(jù)采用自動記錄方式，減少手動操作的讀數(shù)誤差，提高了檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確程度。
主要參考文獻
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