虛擬儀器在火箭發(fā)動機參數測試中的應用

1. 引言
　　當今在科技不斷飛速發(fā)展的情況下，測試系統(tǒng)對所應用的方法和設備、技術等提出了越來越高的要求。虛擬儀器通過軟件來取代部分傳統(tǒng)的硬件設備，也就是說，“軟件即儀器”。用這種軟件來進行數據采集、處理、存儲、打印及圖表等功能，將使儀器之間的數據交換及信息綜合等能力增強。同時，虛擬儀器的使用也使得其自身的升級和改進變得更加容易。LabVIEW的界面友好、編程方便、功能強大，成為虛擬儀器系統(tǒng)開發(fā)的優(yōu)秀平臺。它能夠在有限的基本硬件支持下，通過軟件完成數據的采集與控制、數據分析與處理以及數據顯示與存儲，從而實現各種現實
2. 虛擬儀器測試系統(tǒng)的硬件結構
　　在虛擬儀器測試系統(tǒng)的五種基本構成方式中，PC DAQ/PCI虛擬儀器系統(tǒng)是最廉價最基本的構成方式，根據我們的需要，采用這種方式構建測試系統(tǒng)。其結構如圖1所示

圖1 虛擬儀器測試系統(tǒng)硬件結構
　　PCI-6024E是美國NI公司生產的多功能接口卡，它集12位A/D轉換器,12位D/A轉換器,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位定時器與計數器為一體。支持DMA方式和雙緩沖區(qū)模式，保證了實時信號不間斷采集與存儲。在雙極性時，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,主要完成數據采集功能。
3.虛擬儀器測試系統(tǒng)的軟件結構
　　在分析和測定所采集的數據記錄時，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域信號，測定其頻譜成分，并對結果進行顯示。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據記錄的長度（采樣點數）。功率譜圖上的頻率點數或譜線數為N/2,N是信號采集記錄中包含的點數。所有的頻點間隔為，通常稱之為頻率分辨率或FFT分辨率:采取FFT算法進行頻譜分析，要求采樣點數滿足N=2"，采樣頻率滿足采樣定理，即fs>fm（fm為信號的最大頻率分量）。對無限長連續(xù)信號x（t）進行有限時間內的采樣就相當于利用矩形窗進行截斷, 截斷后變成有限長的離散時間序列 ,就有可能出現柵欄效應和泄露現象。這里n=0、1、2、3、…、n-1,截取長度tp=NT,T為采樣間隔。為了避免柵欄效應，必須使截取長度是信號頻率的整數倍。為了抑制快速傅里葉變換中的泄漏效應，選擇適合的窗函數對數據進行加權。本系統(tǒng)采用九種窗函數—矩形窗、漢明窗、漢寧窗、海寧窗、布萊克曼窗、凱塞窗、三角窗、平頂窗和指數窗等。其中矩形窗主瓣窄，旁瓣大，頻率識別精度最高，幅值識別精度最低;布萊克曼窗主瓣寬，旁瓣小，頻率識別精度最低，但幅值識別精度最高。要根據信號分析的不同要求來選擇不同的窗。
4. 實驗測試系統(tǒng)
　　固體火箭發(fā)動機的參數測試，主要通過發(fā)動機內部高壓強，高燃速固體推進劑燃燒時，利用傳感器對其進行信號采集，然后經過分析來得到參數。其中虛擬儀器測試系統(tǒng)主要由信號采集、信號分析與處理、結果輸出和顯示三部分組成。信號采集依托硬件系統(tǒng)完成，而信號分析與處理、結果輸出和顯示主要由軟件系統(tǒng)完成。
5. 實驗測試系統(tǒng)硬件設計分析
　　為了滿足精度需要，完成給定任務，按照虛擬儀器的基本結構形式設計了固體火箭發(fā)動機參數測試系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件結構框圖如圖2所示。

圖2 實驗測試系統(tǒng)硬件結構框圖
　　傳感器是本實驗系統(tǒng)的一個核心器件。本實驗主要特點是壓強變化率較高，在幾十毫秒的時間內，壓強可由大氣壓上升到80MPa，這對傳感器的靈敏度及頻率響應提出了很高的要求。實驗采用能夠分辨毫秒級的信號變化、頻響范圍在0～5kH:的壓強傳感器。從該傳感器傳出的電信號幅值較低，容易受到環(huán)境的噪聲干擾，因此首先應對信號進行調制、濾波、放大處理，然后經A/D轉換設備將信號轉化為數字信號并傳人計算機中，由LabVIEW編制的采集軟件進行采集。再經過抗混濾波放大器的放大，放大后的信號一般為高電平，在1～lOV之間，而且信號源離采集端較近，一般不超過4. 5m，因此信號的輸人方式可采用單端輸人方式。通過采集得到數據可以看出，這種輸入方式很號的滿足了實驗的精度要求。實驗使用的PCI6024E數據采集卡，可以直接插入計算機主板的PCI插槽上使用。它的最高采樣率為200Kbit/s，具有很強的數據采集功能，能夠很好的滿足實驗的要求。
6. 實驗測試系統(tǒng)軟件設計分析
　　虛擬儀器軟件系統(tǒng)一般包含兩部分，應用程序及I/O接口儀器驅動程序。本虛擬儀器系統(tǒng)采用的數據采集卡PCI6024E,LabVIEW環(huán)境提供了DAQ板卡的驅動程序。
　　本實驗所設計的軟件前面板如圖3所示，軟件主要完成信號的采集、分析和處理、數據文件的存儲、讀取等功能，主要分為三大模塊。

圖3 測試軟件前面板
　　6.1標定模塊
　　標定模塊主要完成壓強傳感器的標定過程。得到壓強與電壓的轉換關系。經過傳感器的標定后，采集的信號將能夠自行的根據標定所得的壓強-電壓關系進行轉換。對于傳統(tǒng)的數據采集設備，是把采集軟件得到的信號經過放大和處理，進行存儲，然后應用其他的數學軟件按照事先得到的標定方程進行再次轉換。本文所述的虛擬儀器系統(tǒng)將這兩個過程合二為一使得采集得到的數據直接以壓強時間的關系顯示出來。標定模塊前面板如圖4所示。
　　在標定欄中，通過設定測試點個數，可以完成傳感器的標定，并將數值存儲，以表進行顯示。本軟件對采集出來的測試點數據可以選擇三種擬合類型，有線性擬合，指數擬合及多項式擬合。其中多項式擬合比較常用，其擬合出來的壓強、電壓的二次多項式 ，其中P代表壓強，a0，a1，a2為擬合出的多項式系數，U代表電壓。標定完成則進入數據的采集過程。

圖4 軟件標定模塊前面板
　　6.2信號采集及處理模塊
　　6.2.1信號采集模塊
　　信號采集及處理模塊是此軟件系統(tǒng)的核心，可以對外界信號實時地進行以示波器的方式顯示，可以將信號采集并進行處理及分析等。通過模塊的示波器功能可以先對整個系統(tǒng)進行初始的校驗。當系統(tǒng)連接正確，信號經過采集卡輸人計算機時，初始的信號在進行壓強轉換前處于零值附近，以示波器的形式顯示為轉換后的值，即標定方程中的a0值附近。通過浮動的大小可以看出外界的干擾情況，以決定是否適宜進行實驗。采集得到的電壓信號將自動根據標定模塊中所選擇的擬合公式進行轉換，從而直接在軟件界面上圖形框中顯示出壓強-時間曲線圖，在數組框中顯示壓強值，并可以對壓強值進行保存。
　　在信號處理功能上，本軟件對采集的信號可以進行濾波處理，Labview環(huán)境提供了數字濾波器可以很方便的實現這一功能。對于該實驗系統(tǒng)，采集的數據量很大。當定容燃燒器內推進劑試樣燃燒時，燃燒器內的壓強將急劇升高，為了能夠很好的采集并顯示試樣燃燒過程的壓強變化過程，本采集系統(tǒng)的采樣率要求很高，可達20K，為了能夠將燃燒器內壓強的整個變化過程，采集時間將設為5s以上，則采集點數將達到100K，為能真實的反應信號的變化，本虛擬儀器的采集模塊可設置為運用LabVIEW提供的高速磁盤流技術，采集到的數據將首先實時地記錄到計算機硬盤上，當采集過程結束后，通過程序流程，再自動的將數據進行回放、顯示及分析。
　　6.2.2信號處理模塊
　　根據本實驗目的，設計了合理的數據處理模塊。在該模塊中，對采集的原始數據曲線進行平滑處理，根據最小二乘原理，采用了五點三次平滑公式。進而應用Labview的曲線擬合等功能函數，完成所需任務，并使得數據具有很好的圖形顯示、報表、打印、儲存等功能。在數據處理方面，如果所完成的任務較為復雜，還可以通過與C語言的接口，調用C語言編寫的程序，完成數據的復雜處理任務。
7. 結論
　　以PC機為主控單元、Labview為開發(fā)平臺的固體推進劑燃速測試系統(tǒng)充分發(fā)揮了虛擬
　　技術的優(yōu)勢，使系統(tǒng)具有優(yōu)良的人機交換界面，操作簡便，功能完善，可擴展性強等特點。系統(tǒng)將傳感器的標定和采集功能集于一體，使采集到的數據可以根據在標定模塊中得到的標定方程式進行自動轉換，一次完成。
　　本文作者創(chuàng)新點：運用虛擬儀器技術將火箭發(fā)動機參數測試過程軟件化，程序不僅可以實現數據的測量和圖形顯示，并且可以對數據進行分析和處理以及打印等功能，為固體火箭發(fā)動機的參數測試提供了比較完善的測試手段。