虛擬儀器在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)測(cè)試中的應(yīng)用

1. 引言
　　當(dāng)今在科技不斷飛速發(fā)展的情況下，測(cè)試系統(tǒng)對(duì)所應(yīng)用的方法和設(shè)備、技術(shù)等提出了越來(lái)越高的要求。虛擬儀器通過(guò)軟件來(lái)取代部分傳統(tǒng)的硬件設(shè)備，也就是說(shuō)，“軟件即儀器”。用這種軟件來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理、存儲(chǔ)、打印及圖表等功能，將使儀器之間的數(shù)據(jù)交換及信息綜合等能力增強(qiáng)。同時(shí)，虛擬儀器的使用也使得其自身的升級(jí)和改進(jìn)變得更加容易。LabVIEW的界面友好、編程方便、功能強(qiáng)大，成為虛擬儀器系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的優(yōu)秀平臺(tái)。它能夠在有限的基本硬件支持下，通過(guò)軟件完成數(shù)據(jù)的采集與控制、數(shù)據(jù)分析與處理以及數(shù)據(jù)顯示與存儲(chǔ)，從而實(shí)現(xiàn)各種現(xiàn)實(shí)
2. 虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)
　　在虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)的五種基本構(gòu)成方式中，PC DAQ/PCI虛擬儀器系統(tǒng)是最廉價(jià)最基本的構(gòu)成方式，根據(jù)我們的需要，采用這種方式構(gòu)建測(cè)試系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)如圖1所示

圖1 虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
　　PCI-6024E是美國(guó)NI公司生產(chǎn)的多功能接口卡，它集12位A/D轉(zhuǎn)換器,12位D/A轉(zhuǎn)換器,16路單端接地的模擬輸入通道、8位或24位并行輸人輸出線（（SV/TTL）及兩路24位定時(shí)器與計(jì)數(shù)器為一體。支持DMA方式和雙緩沖區(qū)模式，保證了實(shí)時(shí)信號(hào)不間斷采集與存儲(chǔ)。在雙極性時(shí)，輸入電壓范圍選擇有100 mV,1 V,lOV,20V四種，它的最高采樣率為200kbit/s,主要完成數(shù)據(jù)采集功能。
3.虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)
　　在分析和測(cè)定所采集的數(shù)據(jù)記錄時(shí)，快速傅立葉變換（FFT）和功率譜是非常有用的工具。借助這些工具能夠有效地采集時(shí)域信號(hào)，測(cè)定其頻譜成分，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行顯示。功率譜圖在頻率軸（X軸）上的頻率范圍和分辨率取決于采樣速率和數(shù)據(jù)記錄的長(zhǎng)度（采樣點(diǎn)數(shù)）。功率譜圖上的頻率點(diǎn)數(shù)或譜線數(shù)為N/2,N是信號(hào)采集記錄中包含的點(diǎn)數(shù)。所有的頻點(diǎn)間隔為，通常稱(chēng)之為頻率分辨率或FFT分辨率:采取FFT算法進(jìn)行頻譜分析，要求采樣點(diǎn)數(shù)滿足N=2"，采樣頻率滿足采樣定理，即fs>fm（fm為信號(hào)的最大頻率分量）。對(duì)無(wú)限長(zhǎng)連續(xù)信號(hào)x（t）進(jìn)行有限時(shí)間內(nèi)的采樣就相當(dāng)于利用矩形窗進(jìn)行截?cái)? 截?cái)嗪笞兂捎邢揲L(zhǎng)的離散時(shí)間序列 ,就有可能出現(xiàn)柵欄效應(yīng)和泄露現(xiàn)象。這里n=0、1、2、3、…、n-1,截取長(zhǎng)度tp=NT,T為采樣間隔。為了避免柵欄效應(yīng)，必須使截取長(zhǎng)度是信號(hào)頻率的整數(shù)倍。為了抑制快速傅里葉變換中的泄漏效應(yīng)，選擇適合的窗函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)。本系統(tǒng)采用九種窗函數(shù)—矩形窗、漢明窗、漢寧窗、海寧窗、布萊克曼窗、凱塞窗、三角窗、平頂窗和指數(shù)窗等。其中矩形窗主瓣窄，旁瓣大，頻率識(shí)別精度最高，幅值識(shí)別精度最低;布萊克曼窗主瓣寬，旁瓣小，頻率識(shí)別精度最低，但幅值識(shí)別精度最高。要根據(jù)信號(hào)分析的不同要求來(lái)選擇不同的窗。
4. 實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)
　　固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)測(cè)試，主要通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部高壓強(qiáng)，高燃速固體推進(jìn)劑燃燒時(shí)，利用傳感器對(duì)其進(jìn)行信號(hào)采集，然后經(jīng)過(guò)分析來(lái)得到參數(shù)。其中虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)主要由信號(hào)采集、信號(hào)分析與處理、結(jié)果輸出和顯示三部分組成。信號(hào)采集依托硬件系統(tǒng)完成，而信號(hào)分析與處理、結(jié)果輸出和顯示主要由軟件系統(tǒng)完成。
5. 實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)分析
　　為了滿足精度需要，完成給定任務(wù)，按照虛擬儀器的基本結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)了固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖
　　傳感器是本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的一個(gè)核心器件。本實(shí)驗(yàn)主要特點(diǎn)是壓強(qiáng)變化率較高，在幾十毫秒的時(shí)間內(nèi)，壓強(qiáng)可由大氣壓上升到80MPa，這對(duì)傳感器的靈敏度及頻率響應(yīng)提出了很高的要求。實(shí)驗(yàn)采用能夠分辨毫秒級(jí)的信號(hào)變化、頻響范圍在0～5kH:的壓強(qiáng)傳感器。從該傳感器傳出的電信號(hào)幅值較低，容易受到環(huán)境的噪聲干擾，因此首先應(yīng)對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制、濾波、放大處理，然后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換設(shè)備將信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)并傳人計(jì)算機(jī)中，由LabVIEW編制的采集軟件進(jìn)行采集。再經(jīng)過(guò)抗混濾波放大器的放大，放大后的信號(hào)一般為高電平，在1～lOV之間，而且信號(hào)源離采集端較近，一般不超過(guò)4. 5m，因此信號(hào)的輸人方式可采用單端輸人方式。通過(guò)采集得到數(shù)據(jù)可以看出，這種輸入方式很號(hào)的滿足了實(shí)驗(yàn)的精度要求。實(shí)驗(yàn)使用的PCI6024E數(shù)據(jù)采集卡，可以直接插入計(jì)算機(jī)主板的PCI插槽上使用。它的最高采樣率為200Kbit/s，具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)采集功能，能夠很好的滿足實(shí)驗(yàn)的要求。
6. 實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分析
　　虛擬儀器軟件系統(tǒng)一般包含兩部分，應(yīng)用程序及I/O接口儀器驅(qū)動(dòng)程序。本虛擬儀器系統(tǒng)采用的數(shù)據(jù)采集卡PCI6024E,LabVIEW環(huán)境提供了DAQ板卡的驅(qū)動(dòng)程序。
　　本實(shí)驗(yàn)所設(shè)計(jì)的軟件前面板如圖3所示，軟件主要完成信號(hào)的采集、分析和處理、數(shù)據(jù)文件的存儲(chǔ)、讀取等功能，主要分為三大模塊。

圖3 測(cè)試軟件前面板
　　6.1標(biāo)定模塊
　　標(biāo)定模塊主要完成壓強(qiáng)傳感器的標(biāo)定過(guò)程。得到壓強(qiáng)與電壓的轉(zhuǎn)換關(guān)系。經(jīng)過(guò)傳感器的標(biāo)定后，采集的信號(hào)將能夠自行的根據(jù)標(biāo)定所得的壓強(qiáng)-電壓關(guān)系進(jìn)行轉(zhuǎn)換。對(duì)于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，是把采集軟件得到的信號(hào)經(jīng)過(guò)放大和處理，進(jìn)行存儲(chǔ)，然后應(yīng)用其他的數(shù)學(xué)軟件按照事先得到的標(biāo)定方程進(jìn)行再次轉(zhuǎn)換。本文所述的虛擬儀器系統(tǒng)將這兩個(gè)過(guò)程合二為一使得采集得到的數(shù)據(jù)直接以壓強(qiáng)時(shí)間的關(guān)系顯示出來(lái)。標(biāo)定模塊前面板如圖4所示。
　　在標(biāo)定欄中，通過(guò)設(shè)定測(cè)試點(diǎn)個(gè)數(shù)，可以完成傳感器的標(biāo)定，并將數(shù)值存儲(chǔ)，以表進(jìn)行顯示。本軟件對(duì)采集出來(lái)的測(cè)試點(diǎn)數(shù)據(jù)可以選擇三種擬合類(lèi)型，有線性擬合，指數(shù)擬合及多項(xiàng)式擬合。其中多項(xiàng)式擬合比較常用，其擬合出來(lái)的壓強(qiáng)、電壓的二次多項(xiàng)式 ，其中P代表壓強(qiáng)，a0，a1，a2為擬合出的多項(xiàng)式系數(shù)，U代表電壓。標(biāo)定完成則進(jìn)入數(shù)據(jù)的采集過(guò)程。

圖4 軟件標(biāo)定模塊前面板
　　6.2信號(hào)采集及處理模塊
　　6.2.1信號(hào)采集模塊
　　信號(hào)采集及處理模塊是此軟件系統(tǒng)的核心，可以對(duì)外界信號(hào)實(shí)時(shí)地進(jìn)行以示波器的方式顯示，可以將信號(hào)采集并進(jìn)行處理及分析等。通過(guò)模塊的示波器功能可以先對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行初始的校驗(yàn)。當(dāng)系統(tǒng)連接正確，信號(hào)經(jīng)過(guò)采集卡輸人計(jì)算機(jī)時(shí)，初始的信號(hào)在進(jìn)行壓強(qiáng)轉(zhuǎn)換前處于零值附近，以示波器的形式顯示為轉(zhuǎn)換后的值，即標(biāo)定方程中的a0值附近。通過(guò)浮動(dòng)的大小可以看出外界的干擾情況，以決定是否適宜進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。采集得到的電壓信號(hào)將自動(dòng)根據(jù)標(biāo)定模塊中所選擇的擬合公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從而直接在軟件界面上圖形框中顯示出壓強(qiáng)-時(shí)間曲線圖，在數(shù)組框中顯示壓強(qiáng)值，并可以對(duì)壓強(qiáng)值進(jìn)行保存。
　　在信號(hào)處理功能上，本軟件對(duì)采集的信號(hào)可以進(jìn)行濾波處理，Labview環(huán)境提供了數(shù)字濾波器可以很方便的實(shí)現(xiàn)這一功能。對(duì)于該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，采集的數(shù)據(jù)量很大。當(dāng)定容燃燒器內(nèi)推進(jìn)劑試樣燃燒時(shí)，燃燒器內(nèi)的壓強(qiáng)將急劇升高，為了能夠很好的采集并顯示試樣燃燒過(guò)程的壓強(qiáng)變化過(guò)程，本采集系統(tǒng)的采樣率要求很高，可達(dá)20K，為了能夠?qū)⑷紵鲀?nèi)壓強(qiáng)的整個(gè)變化過(guò)程，采集時(shí)間將設(shè)為5s以上，則采集點(diǎn)數(shù)將達(dá)到100K，為能真實(shí)的反應(yīng)信號(hào)的變化，本虛擬儀器的采集模塊可設(shè)置為運(yùn)用LabVIEW提供的高速磁盤(pán)流技術(shù)，采集到的數(shù)據(jù)將首先實(shí)時(shí)地記錄到計(jì)算機(jī)硬盤(pán)上，當(dāng)采集過(guò)程結(jié)束后，通過(guò)程序流程，再自動(dòng)的將數(shù)據(jù)進(jìn)行回放、顯示及分析。
　　6.2.2信號(hào)處理模塊
　　根據(jù)本實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，設(shè)計(jì)了合理的數(shù)據(jù)處理模塊。在該模塊中，對(duì)采集的原始數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行平滑處理，根據(jù)最小二乘原理，采用了五點(diǎn)三次平滑公式。進(jìn)而應(yīng)用Labview的曲線擬合等功能函數(shù)，完成所需任務(wù)，并使得數(shù)據(jù)具有很好的圖形顯示、報(bào)表、打印、儲(chǔ)存等功能。在數(shù)據(jù)處理方面，如果所完成的任務(wù)較為復(fù)雜，還可以通過(guò)與C語(yǔ)言的接口，調(diào)用C語(yǔ)言編寫(xiě)的程序，完成數(shù)據(jù)的復(fù)雜處理任務(wù)。
7. 結(jié)論
　　以PC機(jī)為主控單元、Labview為開(kāi)發(fā)平臺(tái)的固體推進(jìn)劑燃速測(cè)試系統(tǒng)充分發(fā)揮了虛擬
　　技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，使系統(tǒng)具有優(yōu)良的人機(jī)交換界面，操作簡(jiǎn)便，功能完善，可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)。系統(tǒng)將傳感器的標(biāo)定和采集功能集于一體，使采集到的數(shù)據(jù)可以根據(jù)在標(biāo)定模塊中得到的標(biāo)定方程式進(jìn)行自動(dòng)轉(zhuǎn)換，一次完成。
　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：運(yùn)用虛擬儀器技術(shù)將火箭發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)測(cè)試過(guò)程軟件化，程序不僅可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的測(cè)量和圖形顯示，并且可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理以及打印等功能，為固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)測(cè)試提供了比較完善的測(cè)試手段。