一种振梁式加速度计非线性度...数的自动测量装置设计与实现_林渊.pdf

测试与故障诊断计算机测量与控制 （）收稿日期：；修回日期：。作者简介：林渊（），男，湖南邵阳人，硕士，主要从事测试设备设计与数字信号处理方向的研究。引用格式：林渊，尹伟伟，胡广明一种振梁式加速度计非线性度参数的自动测量装置设计与实现计算机测量与控制，（）：文章编号：（）：中图分类号：文献标识码：一种振梁式加速度计非线性度参数的自动测量装置设计与实现林渊，尹伟伟，胡广明（航天科工惯性技术有限公司，北京 ）摘要：目前，振梁式加速度计非线性度参数测量方法主要是将加速度计固定在离心机转台上，人为手动控制离心机转台转速，稳定后记录加速度输出；待所有加速度值测试完成后，通过数据处理软件计算出非线性度参数；但该方式效率较低，且一般都是单套产品进行测试，不适合大批量产品产生需求；鉴于解决上述测量效率问题，满足产品的批量生产需求，本设计提出一种测量方法，即同时测试多套振梁式加速度计非线性度参数的自动测量装置；试验结果表明：文章设计的测量装置，不仅实现了自动化进行多套加速度计同时测量，提高了测量效率，而且提出了一种便捷计算加速度计到离心机中心距离半径的方法，从而计算出实际作用于加速度计的值，提高了测量精度。关键词：振梁式；加速度；非线性度；离心机；测量装置 ，（，）：，：；引言振梁式加速度计逐渐成为导航领域的主导产品。由于其响应带宽大、体积小、成本低、可靠，且振梁式加速度计输出的是频率，可与数字信号处理系统兼容，在许多应用领域可以取代常规的线加速度计，已开始大批量生产。目前，振梁式加速度计非线性度参数测量主要是将加速度计固定于离心加速度转台上，然后根据离心加速度公式，输入离心机转台角速率和已知的半径，即可计算出当前作用于振梁式加速度计上的实际加速度。首先，将振梁式加速度计正向对准离心机转台中心轴，测量正向加速度与频率之间的关系。测量人员记录当前加速度与振梁式加速度计输出值，以此类推，测量并分别记录所有加速度点与振梁式加速度计输出对应的频率值，假设正向序列（，），（，），；同理，测量并记录负向（，），（，），然后通过二次项拟合得出相关参数。然而，该方法有个缺点：（）所有测量点的数据记录和控制离心机转台都需要人为干预，效率较低，且容易出错；（）计算过程中的半径是工装生产时图纸中的理论值，实际安装时仍存在一定的误差，影响测量精度；尤其是同时测试多支振梁式加速度计时，需要记录的数据和后续的数据处理是相当繁琐的。同时，每只振梁式加速度计到转台中心轴的实际半径是有差别的，如果由理论值参与公式计算加速度值势必带来更大的误差。为解决上述测投稿网址：计算机测量与控制第 卷 量精度和测量效率问题，本文设计了一种同时测试多套振梁式加速度计非线性度参数的自动测量装置。系统结构及原理自动测量系统结构包括计算机单元、供电控制单元、频率测量单元、离心机自动控制单元及相关电缆组成，系统组成如图所示。图系统组成结构图测试系统各组成部分之间连接关系及工作原理如图所示，系统供电主要为交流 市电，离心机转台为 供电，工控机内安装 串口板卡，用于频率测量单元进行数据通讯。供电单元采用两台程控线性直流稳压电源实现，程控接口为 ，其中一台电源输出路，用于被测产品供电，另外一台电源输出路电源，电源用于频率测量单元供电。配电控制单元用于离心机转台系统的供电和控制，通过 接口计算机进行信息交互，由计算机控制离心机转台的转速参数。加速度计安装于工装内，加速度计供电和信号通过信号转接板与工装内加速度计相连，将工装与信号转接板置于离心机转台台面。系统硬件设计系统硬件设计包括计算机单元、供电单元、控制单元、离心机控制单元等。计算机单元计算机单元采用机柜式结构，主要包括工控机、串口卡、。工控机的功能主要实现测试数据采集、处理、显示、测试用仪器仪表控制等。工控机选用研华工业机箱 ，为 总线架构。串口卡安装于工控机 插槽内，选用北京神州飞航的 串口卡，该板卡具有路异步串口通讯，每路信号相互隔离。为节省机柜空间，选用了机柜式安装的显示器、键盘、鼠标一体化单元（简称），显示器尺寸为 英寸，分辨率不低于 。供电控制单元供电单 元 须 对 外 输 出路 电 源，路 ，路，选用外购直流稳压电源实现，可选用两台大华的 三路精密型可编程直流稳压电源，其中路 可调输出，具有主从路电压跟踪功能，路可调输出，每路输出通道电压纹波有效值为，峰峰值不大于，电流周期及随机偏差为，电压显示分辨率为 ，电流显示分辨率为 ，满足设计需求。控制单元控制单元电路设计主要实现多路加速度计独立供电的通断控制和加速度计输出信号的采样。由于测试过程需要进行多只加速度计的供电独立控制，设计中，将供电单元输出的路 通过继电器切换进行多路输出，切换控制继电器选用松下的小型信号继电器 ，该继电器具有很低的导通压降，最大不超过 ，最大直流切换电压，电流，最大切换功率。继电器驱动电流约为 ，具有较低的功耗。切换，只切换 和，不切，直接供给加速度计，多个 共在一起。控制中的频率测量单元将多个振梁加速度计输出频率值转换成数字量，并将转换的物理量通过串口发送给计算机，其工作原理如图所示。图频率测量单元原理图频率测量单元采用脉冲计数法，即是时间间隔测量技术中最基本的方法。脉冲计数法的测量原理是利用计数时钟去填充被测时间间隔，通过对时钟信号的计数来量化被测时间间隔。用时钟信号 驱动计数器对被测信号进行计数。设时钟频率为，周期为，计数器的值为，则被测信号的时间间隔为：。脉冲信号通过采样电阻进投稿网址：第期林渊，等：一种振梁式加速度计非线性度参数的自动测量装置设计与实现 入脉冲计数电路，信号经过处理后进入数字串口电路转换成数字量，经过隔离电路发送给计算机单元。串口电路主要由 的时钟信号经过 的锁相环分频，给设计的串口电路提供 的时钟信号，的时钟信号经过电路中计数器，每 次进行重新计数，进行分频产生所需要的 时钟信号，即波特率为 。发送时，通过数据总线下发一个字节的数据给 ，按要求的串口协议通过触发器加上一位起始位和一位停止位（用于判断数据信息），变为 位数据位，再经过移位寄存器，在 的时钟使能下，将 位的并行数转换为串行数据发送至 芯片（串口驱动器），然后串行数据经 转换器发送至计算机单元。接收时的过程与发送相反，机下发的串行数据指令通过 转换器下发至 芯片，经 芯片发送至 ，经过串口电路中计数器与移位寄存器，在时钟信号的使能下转换为并行数据，当接收到一个字节的串口数据，便产生接收成功信号，通过对接收成功信号的中断或查询方式接收串口数据。隔离电路采用光电耦合隔离器典型隔离方式，其主要原理是利用二极管或其他发光器件将电信号转换为光信号，再通过光电二极管等感光器件接收、同时将光信号转换为电信号，实现电信号光信号电信号的转换，进而通过光这一载体实现前后级电信号的隔离。一个频率测量单元模块可以同时采集个振梁加速度计，那么同时应用个模块就可以实现个振梁加速度计的测量。实现过程中同时采集路加速度的频率信号，采样周期 ，将采样周期内的频率个数通过 串口发送给计算机单元。传输过程中通讯协议采用 位的无符号整形来表征一个加速度的频率信号即可，计算机单元程序部分将 的瞬时数据逐一累加，每将（个数据累加和）数据作为加速度计频率输出的处理值。离心机自动控制离心机转台系统采用第三方技术。离心机转台提供远程 通讯接口，能接收上位机的远程控制指令。转台工作在远控状态时，能实现本地操作面板上的各种操作功能，工作过程与本地操作面板上的方式相同，通过指令自动控制离心机工作及监控离心机状态。系统软件设计 软件设计思路及编程方法该部分设计包括程序远程自动控制离心机转台转动及整个被测产品的参数测量及计算。该部分核心内容为运行与计算机之上的程序代码，即自动测试程序。下面将重点阐述自动测试程序的实现过程及方法。加速度到离心机中心半径测量首先，将加速度计的 轴垂直向上安装（如图）。图加速度计输入轴垂直向上安装采集加速度计输出 并记录；再次，将加速度计的 轴垂直向下安装（如图）。图加速度计输入轴垂直向下安装采集加速度计输出 并记录；根据加速度计输出关系：（）将上述正向、负向代入关系式（）得到：（）（）根据式（）和式（）得到与系数。（）（）将加速度计输入轴指向离心机旋转轴安装（如图）。图正向半径测量图调整离心机转速并使离心机稳定在个加速度下，投稿网址：计算机测量与控制第 卷 记录当前加速度输出值：（）当前理论加速度（）实际加速度（）其中：为结构工装加速度计到离心机中心理论半径，。按式（）、（）计算被测加速度计正向质心所处半径：记录；即：；同样；将加速度计的输入轴背向离心机旋转轴反向安装，调整离心机转速并使离心机稳定在个加速度下，记录当前加速度输出值，（）记录；即：；其中为结构工装加速度计到离心机中心理论半径。加速度计非线性度参数自动测量方法实现 量程设置量程设置为个（、等），至个之间可以设置不低于个离心输入加速度。比如：、。数据采集产品数据 采样数据进行输出，记录加速度计的加速度计输出数据，每个位置稳定后，测试输出个数取平均 平均；（为变量，默认）；二次项计算实际工作中我们所遇到的问题都是比较复杂的非线性问题，对于非线模型的确定是一个比较复杂的过程。这里我们通需要做的是先确定函数模型，在求解模型参数，这里如果拟合模型已经给出，则我们只需要进一步确定其参数即可，若未给出拟合模型，分别试用对数函数模型、指数函数模型，多项式函数模型及其他混合函数模型等进行拟合，比较他们拟合的度，最后选择拟合度较高的函数模型做为拟合模型。根据加速度输出 平均与离心输入加速度，用最小二乘法 进行系数分离、；正向、负向分别计算，最大值为二阶非线性系数。加速度计输出模型方程如下式所示。（）（）标度因数非线性模型计算标度因数是指加速度计输出量与对应输入量的比值。一般有三大误差：一是表示正反向输入加速度的差值与平均值之比的不对称性；二是表示最大偏差值与最大输入量之比的非线性；三是表示同等测试条件下最大差值与平均值之比的重复性。在我们国家，由于环境和气候多变使得环境温度的变化引起的标度因数误差十分明显，因此减小环境温度变化导致的标度因数误差变得极其重要 。这些参数对加速度计内部器件进行深入分析提供良好的数据支撑，能够更好的提高加速度计标度因数稳定性。首先，计算各输入加速度相应标度因数，（）（）（）（）；数据取个至个之间数据。然后，根据（）与输入加速度，用最小二乘法进行拟合，计算各系数和残差，拟合残差定义为标度因数非线性。标度因数非线性模型如式（）所示。（）数据存储）加速度计原始测试数据及 平均数据进行存储；）测试结果进行存储，包括二次项计算结果和标度因数非线性模型计算结果。上述方法中，具体测量步骤包括：半径测量、模拟加速度、采集数据和参数计算。半径测量：步骤，将加速度计的 轴垂直向上安装，采集加速度计输出 并记录；步骤，将加速度计的 轴垂直向下安装，采集加速度计输出 并记录；步骤，将加速度计输入轴指向离心机旋转轴安装，调整离心机转速为并观察记录加速度计输出 并记录；按上述内容中相应公式计算出正向半径；步骤，将加速度计输入轴背向离心机旋转轴安装，调整离心机转速为并观察记录加速度计输出 并记录；按上述内容中相应公式计算出负向半径。模拟加速度：根据角速率与加速度关系计算出至个之间的角速率；根据半径测量中计算的实际半径计算出每个加速度计实际感受的加速度 至个；采集加速度计：待当前离心机转速稳定，记录每个加速度计的输出秒采样值，并将多个秒采样值做均值处理；依次记录至个之间的加速度输出秒平均值；参数计算：将正、负向加速度点数据分别进行拟合处理，用最小二乘法进行系数分离、；正向、负向分别计算，最大值为二阶非线性系数；将正负向所有加速度点数据进行拟合处理，计算非线性模型中各系数残差，拟合残差定义为标度因数非线性 。软件实现自动化测试系统的架构设计符合分层设计以及 的思想，系统采用分层的设计方式，把复杂的整体拆分成简单的模块，这样可以大大降低系统各个组成部分之间的耦合程度，提高系统的灵活性、扩展性以及可维护性。测试软件体系结构 分为三层设计，分别为硬件接口层、中间层