动态力传感器校准实例——动态信号的采集与分析

赵静

(中航工业北京长城计量测试技术研究所，北京100095)

0 引言

力可以分为静态力和动态力。相应的，力传感器也有两方面的特性，即静态特性和动态特性。静态特性一般是指传感器对于固定力值的一种响应，动态特性是指传感器对于随时间变化的输入量的响应特性。动态力测试场合有很多，例如:航天技术中对火箭和导弹在发射过程中动态推力的测试;飞机在飞行过程中发动机的动态推力;各种火炮弹道动态力的测试;战术导弹内埋式弹射发射装置三分量动态力测试系统等。

动态特性分为时间域指标和频率域指标，时间域指标往往通过高速瞬时的动态信号来对传感器进行测试，查看传感器的响应时间。此动态信号要求具有高速瞬时性，且力值可控。本文介绍了一种基于落锤冲击的动态力校准装置，并重点介绍了动态力信号的采集方式和数据分析。

1 动态力传感器校准装置

动态信号是指幅值大小随时间变化的信号，常用的动态信号有正弦信号、阶跃信号、负阶跃信号等。本校准装置用于测试动态力传感器的高频响应，目的是产生高速瞬时的动态力信号，在此，选择了负阶跃力信号作为测试信号。即首先加载一定的力值，然后通过某种方式将力值迅速释放为零，通过分析传感器从力值输出响应到零状态响应的时间来判断力传感器的动态性能。动态信号从力值加载状态到释放为零的时间快慢是系统优劣的关键。时间越短越有利于校准动态力传感器的动态响应。

本项目中的校准装置由液压站、力值加载系统、落锤系统、电气控制系统、数据分析系统等组成。

总系统原理图如图1所示。

图1 总系统原理图

力值加载系统是通过砝码和液压站来实现的，通过电机和电磁阀的协调工作供给工作油缸一定压力，利用工作油缸之间的面积比即可实现力值的放大与加载力值大小的控制;力值的快速释放是通过高速下落的锤体冲击冲杆使卸荷材料断裂来实现的。通过动态采集力传感器的输出来实现动态响应测试。

2 动态力信号的采集设计

对力传感器的输出进行采集是整个校准过程中的一个极为重要的环节，以后的信号处理，力传感器动态指标的计算都是以信号采集系统采集到的数据为基础的，信号采集中产生的误差将会直接影响对整个装置的技术指标的确认。

国内外动态力传感器的动态响应一般在100 kHz以内，为了满足精度要求并根据采样定律，选择采样速率可以达到1 Msamples/s，即实现10倍的采样速率。

最终通过比较不同厂家的采集卡，采用了在动态高速采集领域占有绝对优势的NI产品——动态数据采集卡NI6132。

本采集卡的数据采集速率最大为2.5 MSamples/s，每秒钟可以采集2.5 M个数据点，采集卡上有16 MS的缓存，为了保证数据采集的完整性，避免数据的丢失，可以在动态采集的同时，将数据保存到板卡缓存中，待采集完成后，再保存至外围设备，进行数据处理，或者数据回放。

2.1 采集软件的设计实现

本部分软件采用了LabVIEW2012实现，为了能够采集到整个落锤冲击过程又不至于采集的数据量过大，选择1 MHz左右的采集速率，采样时间可以设定为1～10 s之间，有限采样方式。由于试验中落锤落下的时间不到1 s，可以由人为控制在落锤下落之前打开采集控制，然后再控制落锤落下。

软件的基本功能框图如下图2所示。

图2 软件功能框图

采集设计的关键部分:触发采集与有限采集

由于传感器的动态响应时间在十几个微秒量级，这就对数据采集部分的采样速度要求很高。如果采样率设置过高，在一定时间内的数据量巨大，这就提高了缓存要求。因此，采样率和数据存储量的协调配置非常重要。这就需要在实际试验中验证不同配置参数的采集效果。

LabVIEW软件设计中采集有两种方式可用:一种是有限点采集;一种是触发采集。

1)有限点采样

根据采样定律，设定每一微秒采集一个数据点，即采样率为1 MHz，如果实验流程在10 s之内，有限点数可以设定为10 M以内，板上缓存16 M可以满足需要，完全采集完毕后再进行硬盘存储。此种方案，对人为操作有限制，在点击采集控制之后需要马上进行落锤冲击试验，整个过程要控制在10 s之内。

2)触发采集

即设定触发电压，由于落锤落下时首先会对传感器有一个瞬时的冲击，这个冲击力大于静态力值，传感器的输出也有一个瞬时变化，可以将此瞬时电压设定为触发电压，当传感器输出达到触发电压时，开始进行数据采集，然后采集2 s后自动停止。这种方式需要传感器的动态响应性能比较好，能够对瞬时冲击力产生响应，此外，对此响应值需要有一个预先估计。

上述两种方式均进行了试验，触发采集到的数据量比较小，方便处理，但对某些动态响应比较差的传感器可能无法捕捉到触发电压，而导致无法完成采集操作。

2.2 软件的时序设置

由于软件需要对不同设备依次进行操作，这不仅对操作的先后顺序有很高的要求，而且对间隔操作之间的时间控制也有要求。在实际设计中不仅要考虑到校准要求，同时也需要考虑到人员操作的习惯性。在实现基础功能的前提下，同时要保证界面操作简单，人员上手容易，纠错容易等。

3 动态信号数据分析

由于采集板卡周围有各种控制电机和供电电源以及电荷放大器等电子设备，实际采集到的数据往往有一些高频信号干扰，为了滤除干扰信号，软件采用了低通滤波方式，并设置为100 Hz的低通滤波频率，最终得到了容易辨识的信号。图3为LabVIEW程序的处理部分框图。图4为原始信号和滤波信号比较图。

图3 信号分析框图

图4 信号滤波比较图

动态信号时域分析中的一个重要指标就是信号下降时间，即动态传感器对突变信号的一种及时响应的性能分析。本项目中指的是传感器在受到力值加载状态到卸荷状态的输出响应时间，由于实际试验中力传感器在卸荷以后往往有一些小幅震荡输出，在此为了能够灵活判断下降沿和卸荷为零的位置，使用游标固定在曲线的方式进行定位，并根据采样率得到每个点的采样时间，通过游标定位的X坐标得到下降曲线的总采样点，并通过点数和时间相乘得到下降时间。

某型号动态传感器采样信号分析图，局部放大图如图5所示。

图5 信号分析局部放大图

游标示意图如图6所示。

图6 游标计算图

下降时间为(4.165-4.164915)s=85 s

4 总结

本项目在动态信号采集设计过程中，曾经因为无限采样和局部打包存储而导致实际数据的丢失，后通过存储数据的时间与采样率和采样数据量的不一致而发现问题的关键，并及时修正为触发采样和有限采样方式，并很好的应用了硬件固有的缓存区域进行了数据的一次性存储。本项目是针对高速信号采集和处理的一个实例，对动态传感器的校准研究作出了贡献，并实际应用在了某型号动态力测试系统中。

由于项目需要，本文没有进行动态信号的频域分析，希望以后在动态信号的处理方面进一步研究频率域的性能分析，为动态传感器等全面性能分析作出努力。

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