・３２・ 新技术新仪器 ２０１３年第３３卷第２期 基于虚拟仪器的高频角振动测试系统研制 陈璐 （中航工业北京长城计量测试技术研究所，北京１０００９５） 摘要：研制了基于虚拟仪器技术的高频角振动测试系统，对高频角振动测试系统信号处理算法进行了深入 研究。相比传统的角振动测试系统，该系统角振动台的高频响应特性从５００ Ｈｚ提高到７００ Ｈｚ，实现了小型化设计 和角振动类传感器测试的自动化。 关键词：虚拟仪器；光栅测量；信号补偿 中图分类号：ＴＰ２１２；ＴＢ９３６ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１６７４—５７９５（２０１３）０２—００３２—０５ Ｈｉｇｈ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ａｎｇｌｅ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ Ｔｅｓｔｉｎｇ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｖｉｒｔｕａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＣＨＥＮ Ｌｕ （Ｃｈａｎｇｃｈｅｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ＆Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００９５，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｈｉｇｈ—ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ａｎｇｌｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｔｅｓｔｉｎｇ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｉｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｏｎ ｂａｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｖｉｒｔｕａｌ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ａｎｄ ｓｔｕｄｉｅｓ ａｒｅ ｍａｄｅ ｉｎｔｅｎｓｉｖｅｌｙ ｏｎ ｔｈｅ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｏｆ ｔｈｅ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ．Ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｔｏ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ａｎｇｌｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｔｅｓｔｉｎｇ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，ｔｈｉｓ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｉｍ— ｐｒｏｖｅｓ ｔｈｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｆｒｏｍ ５００ Ｈｚ ｔｏ ７００ Ｈｚ，ａｎｄ ｒｅａｌｉｚｅｓ ｔｈｅ ｍｉｎｉａｔｕｒｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ｏｆ ａｎｇｌｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｓｅｎｓｏｒ ｔｅｓｔｉｎｇ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｖｉｔｕａｌｒ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ；ｇｒａｔｉｎｇ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ；ｓｉｇｎａｌ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ０ 引言 角振动传感器在航空、航天、舰船及兵器等领域 均有重要的应用。在对传感器进行动态校准，或进行 动量值，并直接溯源于长度和时间，从根本上解决了 普通激光干涉仪测量固体表面横向运动时不可避免的 多普勒信号的随机相位效应，并提高了多普勒信号的 信噪比。传统的角振动测试系统需要对信号发生设备、 激励设备及各种传感器件等多个仪器进行操控，步骤 繁琐，费时费力，整个系统体积大、自动化程度低、 不便于设备升级。 反馈控制中，需要同时准确获取幅频特性和相频特性 参数时，角振动传感器的精准溯源显得尤为重要¨Ｊ。 为保证这些角振动传感器的研制与生产，提高其 技术指标的测量准确度，建立可实现量值溯源的绝对 法测试系统具有重要意义 Ｊ。目前国家或国防最高计 虚拟仪器技术利用高性能的模块化硬件，结合高 效、灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应 用。具有如下特点：①集成度高、体积小（虚拟仪器 使用计算机软件完成大部分数据分析和处理功能，省 去了大量的硬件，避免了显示和存储硬件的重复投资， 量标准中都不包含角振动量，实际使用中的角振动量 无法进行量值溯源。国内现有角振动台的研制水平， 与最高计量标准对角振动台的要求还有一些距离，而 且由于传感器的动态特性要求比实际测试设备的工作 频率范围要超出４００ Ｈｚ，甚至６００ Ｈｚ，另外惯性器件 大大减小了体积和重量）；②配置灵活，便于维护、扩 展和升级（由于虚拟仪器系统的主要功能由软件完成， 也正在朝高频响、小型化的方向发展，这就需要我们对 角振动台的频率范围提出更高的要求。 用户可以根据需求量身订制，便于升级，大大延长了 高频角振动测试系统基于高频激光测速仪的设计 原理，以平面光栅为合作目标，采用激光多普勒动态 参数测量方法和光栅差动式激光干涉技术，复现角振 收稿日期：２０１３—０３—０１ 仪器的技术寿命）；③开放性、模块化（虚拟仪器硬件 体系结构由主机箱、控制器、各种外围功能模块组成。 用户可根据需要自由地构建硬件系统）；④自动化程度 高（虚拟仪器中，测试任务的调度，数据的采集、分 析、处理、存储和输出都可自动完成，大大降低人工 处理数据中的错误率）。 在本文所阐述的基于虚拟仪器的高频角振动测量系统 基金项目：国家“十五”计量技术基础项目资助（１０５２００１Ｂ００３） 作者简介：陈璐（１９８０一），女，工程师，硕士，主要从事测试 计量技术及仪器的研究工作。 中，将传统角振动测量系统的激励源发生与控制，振动台 ・３４・ 新技术新仪器 ２０１３年第３３卷第２期 加１，当Ａ０＜一０．５１ｒ，ｋ减１。 据，可以计算出被测目标的角位移、 角速度、角加 速度。 公式中的 的计算是非常重要的。正交信号的相 位变化如图３所示，Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ是数据采样点， 当光信号的相位增加时，采样到的信号按从Ａ至Ｅ的 时间顺序变化，在 向Ｂ点过渡时以及Ｄ向Ｅ点过渡 时， 加１；反之，当光信号相位减少时，信号相位从 Ｅ至Ａ减少，在Ｅ向Ｄ过渡及Ｂ向 过渡时， 减１。 －／ ｎ ● Ｃ ． √／ 。＇ｉＴ ｌ 在计算过程中反正切计算值取主值区间一０．５ａｖ至０．５７ｒ。 ｋ值变化可以简单地确定，当信号相位从一０．５，ｒｒ向 ０．５ａ＇ｒ变化时，假定数据采集系统至少采集到３个点 （图中的Ｂ，Ｃ，Ｄ），各相邻点问的相位变化小于 ０．５ａｔ，如果相邻点问的相位变化大于０．５７ｒ，那就意味 着ｋ发生了变化，当相邻点问相位变化Ａ０＞０．５ｒｒ时， ／ 一订 －０ １Ｔ 『ｌ Ｓ Ｔｉ＂ 图３正交信号相位展开图 软件框图程序，如图４所示。 丽瓣甄 ０５＇０３５６７ｌ 疆 ｉ ｌ ｉ ……ｔ 毫 ～＿蝣圃 …Ｅ’ｊ ：ｉ嚣ｋｄｍ… 国 Ｌ一豁 塑 …： … 豳一 …、厂｛ｉｌ｝ … …ｌ协…阉： ｆ》 箍ｌ ｇ 目‰目 ∞ 《《 《 ∞ 自 《ｇ 《∞ 镕Ｅ鼎－ 一 Ｉ仨＼ 麓 衄 ｌ ｌ ｌ ＿ｌＩ｝ ＞ 图４光栅信号解调处理软件框图 ｝ 譬 ……豳 莎 班啦ｉ』８ ２．２降低波形失真 式中：Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ为椭圆方程系数。 已知数据采集系统获得的 和 系列，可以采样 从理论上来看，造成系统输入输出关系失真的因 素在于系统本身的非线性。具体来说，造成振动波形 失真的影响因素如下：弹簧非线性；电磁阻尼力非线 性；驱动力引起的波形失真；摩擦力引起的波形失 最小二乘法拟和出椭圆方程的系数，进而由Ｂ，Ｃ，Ｄ， ，Ｆ计算出ｈ， ，ａ，ｂ及６。采用下式进行非线性补 ＝ａＩ℃ｔａｎ［ｃ０ｓ６‘／（ｓｉｎ占＋（ｂ／ａ）（Ｕｘ—ｈ）／（Ｕｙ一 ）］ （９） 偿（椭圆修正）后获得正交信号的相位： 非线性补偿的过程不可能完全实时进行，一般要 真 Ｊ。为了降低波形失真度，首先是对测量信号进行 非线性补偿，其次就是如何去除噪声信号。 ２．２．１信号非线性补偿 先测量一定量的数据计算出椭圆方程的系数，然后进 行修正。当测量系统的椭圆方程系数在某个测量条件 下保持不变时，可以实时进行非线性修正。图５为 （６） （７） 由于各种干扰的存在，导致两路测量的光电信号 存在一个相位差，其输出电压表达式为 Ｕｘ＝ｈ＋ａｃｏｓ（ ＋ ） Ｕｙ＝ｋ＋ｂ ｓｉｎｑ￣ 和Ｕ 系列进行非线性补偿前和补偿后的李萨育图形。 ２．２．２去干扰信号 式中：６为正交信号相位偏差。这种非线性的直观表示 就是李萨育图形不再是圆，而是椭圆。综合上两式， 可获得椭圆方程 ＋日 Ｕｙ＋ＣＵ２＋ＤＵｘ＋ＥＵｙ＋Ｆ＝０ ｙ对于干扰信号，由于其来源不同，其表现形式也 多种多样，本文针对系统中存在的两种典型的干扰信 号（调频干扰信号和周期性干扰信号）进行滤波处理。 调频干扰信号时域表达式为 （８） ・３６・ 新技术新仪器 图９测试系统软件流程图 Ｒｅｓｏｕｒｃｅ（）和ＶＩＳＡ Ｏｐｅｎ（）函数获取硬件资源并打开一 个与仪器的对话，这里资源名称为“ＧＰＩＢ０：：１１：：ＩＮ— ＳＴＲ”，然后按照指令结构编辑各种指令，利用ＶＩＳＡ库 中的ＶＩＳＡ Ｗｒｉｔｅ（）和ＶＩＳＡ Ｒｅａｄ（）函数实现与仪器设 备的对话即完成各种控制操作，最后通过ＶＩＳＡ Ｃｌｏｓｅ（） 函数关闭此次对话并清空缓存释放资源。 ４高频角振动测量系统能力测试 在系统角振动台面上安装某型号陀螺，作为被校 对象，其输出信号即被校通道输出，将光栅激光干涉 仪信号解调结果作为标准通道的输出，设置不同的振 动频率和幅值进行能力测试，其位移失真度控制在３％ 以内，系统测试结果以及标准偏差如表１所示。 从试验数据可以看出，在允许的失真度范围内， 系统完全能够实现１０～７００ Ｈｚ频率范围内的测量，角 加速度测量偏差能控制在５％以内，位移失真度最大不 超过２．５％ ５结论 本文研制的基于虚拟仪器的高频角振动测试系统， 在实现了对角振动量的绝对法测量的基础上，又进一 步提高了测量系统的自动化程度，扩大了能力范围。 基于虚拟仪器的高频角振动测试系统的成功研制保证 了陀螺性能指标的准确性测试，加快了陀螺研究和生 产的步伐，同时也为我所对陀螺的研制和应用提供了 有力的计量保障和动态测试手段，具有较大的社会效 ２０１３年第３３卷第２期 益和实用价值。 表１ 高频角振动测量和系统的测试结果以及标准偏差 参考文献 ［１］谢列金．激光陀螺及其应用［Ｍ］．北京：航空工业出版 社，１９９２． ［２］姜亚南．环形激光陀螺仪［Ｍ］．北京：清华大学出版 社，１９８５． ［。］ ＣＨＥＮ Ｌｕ，ＬＩ Ｘｉｎｌｉａｎｇ，ＺＨＡＮＧ Ｄａｚｈｉ．Ｖｉａｕａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｂａｓｅｄ Ｈｉｇｈ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ａｎｇｕｌａｒ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ Ｔｅｓｔｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ［Ａ］． Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＣＩＭＭ——ＰＴＢ ＳＥＭＩＮＡＲ ＯＮ ＤＹＮＡＭＩＣ ＭＥＡ—－ ＳＵＲＥＭＥＮＴＳ ＡＮＤ ＮＡＮＯＭＥＴＲＯＬＯＧＹ［Ｃ］．北京：２０１ １． ［４］ＬａｂＶＩＥＷ Ｍａｎｕａｌ［Ｚ］．２０１０． ［５］Ｕｃｈｉｙａｍａ Ｎ．Ｔａｋａｇｉ Ｓ．Ｓａｎｏ Ｓ ｔｉｖｅ ｒｅｐｅｔｉｔｉｖｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｔｏ ｆｅｅｄ ｄｒｉｖｅ ｓｙｓｔｅｍｓ ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００７，２２ １ （１）：３９—４７．
