可控式濾波器在動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)中的應(yīng)用

可控式濾波器在動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)中的應(yīng)用

0模型設(shè)計(jì)在動(dòng)態(tài)標(biāo)定中的應(yīng)用隨著現(xiàn)代高精度測(cè)試儀的發(fā)展，靜態(tài)力值測(cè)量的方法和方法日益完善。在動(dòng)態(tài)力值方面，通常采用“靜態(tài)參考”的方法，即僅基于測(cè)量裝置的靜態(tài)校正結(jié)果進(jìn)行動(dòng)態(tài)校正。因此，在靜態(tài)校正中，精度較高的測(cè)量裝置可能會(huì)出現(xiàn)100%的動(dòng)態(tài)誤差。所以對(duì)傳感器進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定的同時(shí)還應(yīng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)標(biāo)定。在對(duì)動(dòng)態(tài)力值測(cè)試裝置進(jìn)行動(dòng)態(tài)標(biāo)定時(shí),首先要確定如何產(chǎn)生標(biāo)定用的標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)力。文中所針對(duì)的傳感器是對(duì)某發(fā)動(dòng)機(jī)的脈沖力進(jìn)行測(cè)試,所以對(duì)該傳感器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定需施加一個(gè)近似于實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)所期望的額定動(dòng)態(tài)力來進(jìn)行。對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)來說,電磁閥開啟時(shí),不能立即達(dá)到所需的最大力值,需要一個(gè)力值遞增的過程,到達(dá)最大值后,穩(wěn)定于此力值。同理電磁閥關(guān)閉時(shí),力值不能立即消失,也需要一個(gè)遞減的過程,直至力值為零,穩(wěn)定輸出。也就是說發(fā)動(dòng)機(jī)的脈沖力一般近似為一個(gè)等腰梯形,所以動(dòng)態(tài)標(biāo)定信號(hào)所要模擬的正是各種形狀的梯形波。梯形由5個(gè)參數(shù)唯一確定,即上升時(shí)間t1、最大值持續(xù)時(shí)間t2、下降時(shí)間t3、最小值持續(xù)時(shí)間t4、信號(hào)幅值A(chǔ).設(shè)計(jì)的梯形信號(hào)發(fā)生裝置就是對(duì)這5個(gè)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié),從而輸出各種形狀的梯形波,此外通過設(shè)置t1、t2、t3、t4中的某些值為零還可以得到方波、三角波、鋸齒波等常用波形。應(yīng)用此信號(hào)發(fā)生裝置再配以相應(yīng)的激振器即可實(shí)現(xiàn)梯形脈沖力信號(hào)的模擬,對(duì)傳感測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)標(biāo)定。1測(cè)力平臺(tái)上的法蘭作用測(cè)試系統(tǒng)主要用于對(duì)某發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的脈沖力進(jìn)行測(cè)試,發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的脈沖力通過連接法蘭作用到測(cè)力平臺(tái)上,依據(jù)壓電效應(yīng)中的剪切效應(yīng),放置在平臺(tái)兩側(cè)的傳感器輸出電荷,通過電荷放大器轉(zhuǎn)換成電壓量,經(jīng)由采集系統(tǒng)輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。該裝置就是模擬發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的脈沖力來對(duì)傳感測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)標(biāo)定,以測(cè)試傳感器的動(dòng)態(tài)特性。2形容詞力發(fā)生器的基本原理2.1磁場(chǎng)中的磁感應(yīng)梯形電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為梯形力實(shí)際是電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能,需借助于電-動(dòng)變換器。激振器的基本原理是通電線圈(動(dòng)圈)在磁場(chǎng)中將受到電磁力,即:F(t)=nI(t)LB式中:F(t)為磁場(chǎng)中動(dòng)圈所受力;n為動(dòng)圈的匝數(shù);I(t)為動(dòng)圈中的電流;L為動(dòng)圈每匝長(zhǎng)度;B為動(dòng)圈所在磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。由于激振器的時(shí)間常數(shù)較小,激勵(lì)電流響應(yīng)速度快,激勵(lì)電流波形與激勵(lì)電壓波形近似一致,所以給激振器一個(gè)與所需激振力相同的電壓信號(hào)配合功率放大器即可實(shí)現(xiàn)所需激振力。2.2d/a轉(zhuǎn)換電路目前廣泛使用的信號(hào)發(fā)生器大都是由模擬電路組成,實(shí)現(xiàn)的波形有限,且不能實(shí)現(xiàn)參數(shù)的精確控制。以數(shù)字電路為核心,通過產(chǎn)生數(shù)字信號(hào)再轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)的方法來獲取所需波形,不僅能方便地通過程序?qū)崿F(xiàn)精確控制,且具有集成度高、體積小、可靠性好、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。文中信號(hào)發(fā)生器由電源電路、51單片機(jī)、D/A轉(zhuǎn)換器、按鍵、LCD、看門狗等硬件電路組成。電源電路由變壓器、整流橋、濾波電容、穩(wěn)壓模塊等組成,可輸出5V、+15V、-15V電壓,給各種器件供電。波形發(fā)生裝置以AT89S51為核心部件,AD公司生產(chǎn)的含有內(nèi)部基準(zhǔn)電源的AD558為D/A轉(zhuǎn)換元件,LCD1602實(shí)時(shí)顯示輸出波形的名稱及其參數(shù)值。mAX813L具有看門狗、電壓檢測(cè)及上電復(fù)位功能,可使系統(tǒng)的工作更可靠、更準(zhǔn)確。按鍵部分連接為中斷掃描方式,通過4082擴(kuò)展為4個(gè)中斷源,4082為一個(gè)四輸入與門,供電電壓為5V時(shí),小于1.5V的電壓為低電平,大于3.5V的電壓為高電平。當(dāng)有鍵閉合時(shí),給4082某個(gè)輸入端一個(gè)低電平,4082輸出低電平,向CPU產(chǎn)生中斷請(qǐng)求,CPU響應(yīng)中斷并在中斷服務(wù)子程序判別鍵盤上閉合鍵的鍵號(hào),并作相應(yīng)處理。該系統(tǒng)原理圖如圖1所示,按鍵中斷電路如圖2所示。使用者鍵入所需的梯形波參數(shù)t1、t2、t3、t4,每次按鍵都會(huì)引起中斷,在中斷服務(wù)子程序中判斷鍵值,相應(yīng)的參數(shù)值+1,選擇四參數(shù)后,按確認(rèn)鍵輸出梯形波。根據(jù)1ms/0.5ms鍵的狀態(tài),確定51內(nèi)部定時(shí)器1的初值,也即確定了使用者按鍵一次t1,t2,t3,t4增加的時(shí)間長(zhǎng)度。定時(shí)器1引起中斷,中斷服務(wù)子程序根據(jù)鍵入的4個(gè)參數(shù)值與當(dāng)前值的比較,確定單片機(jī)輸出數(shù)字信號(hào)的“增”、“減”、“不變”。數(shù)字信號(hào)經(jīng)由內(nèi)含基準(zhǔn)電壓源的D/A轉(zhuǎn)換裝置AD558輸出梯形電壓信號(hào)。梯形的第5個(gè)參數(shù)幅值A(chǔ)可由運(yùn)算放大器調(diào)節(jié)。發(fā)動(dòng)機(jī)最惡劣工況時(shí)輸出的脈沖力曲線近似于4參數(shù)分別為3、4、3、10的梯形波,所以還設(shè)置了輸出這一常用梯形的快捷鍵。LCD顯示部分是人機(jī)交互的平臺(tái),此裝置的顯示部分開機(jī)時(shí)顯示“Hello”,用戶鍵入?yún)?shù)值時(shí)顯示出相關(guān)參數(shù)的值,方便用戶使用。定時(shí)器0定時(shí)1s,其中斷服務(wù)子程序進(jìn)行喂狗操作。3脈沖波形失真梯形脈沖信號(hào)發(fā)生裝置上電,開機(jī),LCD顯示“Hello”,調(diào)至1ms狀態(tài),梯形輸出4參數(shù)分別設(shè)為3、4、3、10,此時(shí)LCD顯示屏第一行顯示“Trapezoidal”,第二行顯示“3-4-3-10”。用幅值調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)其輸出信號(hào)幅值,采集系統(tǒng)采集其輸出信號(hào)。廣義而言,信號(hào)波形的失真應(yīng)該是實(shí)際波形與期望波形間的差異,它是衡量信號(hào)波形質(zhì)量的基本尺度之一。GB9317-1988(中華人民共和國(guó)脈沖信號(hào)發(fā)生器技術(shù)條件)中指出:脈沖波形失真是指實(shí)際脈沖波形同參考脈沖波形在同一時(shí)刻所對(duì)應(yīng)點(diǎn)間量值的代數(shù)差。通常指脈沖波形失真的峰—峰值。過沖是指主要過渡后的脈沖波形特征失真。通常把前(后)過渡后脈沖波形特征失真稱為前(后)過沖。在額定工作條件下,對(duì)波形失真的要求,當(dāng)前沿大于1ns時(shí),其過沖小于5%;當(dāng)前沿小于1ns時(shí),其過沖小于10%。預(yù)沖是指主要過渡前的脈沖波形特征失真,應(yīng)小于5%。圖4中為其脈沖波形失真曲線。此信號(hào)發(fā)生器的過沖和預(yù)沖均小于5%。4發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際標(biāo)定選用JZK-5型電動(dòng)式激振器,該激振器額定激振力為50N,頻率范圍為10～5kHz,完全滿足實(shí)驗(yàn)要求。功率放大器選用與激振器配套的YE5871型,標(biāo)準(zhǔn)力傳感器選用CA-YD系列壓電式加速度計(jì)。激振器固定在支座上,激振器運(yùn)動(dòng)端通過頂桿與標(biāo)準(zhǔn)力傳感器和固定支座相連并對(duì)激振器施加一定的預(yù)緊力。信號(hào)源產(chǎn)生的激勵(lì)信號(hào)通過功率放大器后作為激振器的激勵(lì)信號(hào),標(biāo)準(zhǔn)力傳感器分別通過頂桿與激振器和測(cè)試傳感器相連,標(biāo)準(zhǔn)力傳感器和被測(cè)傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)過電荷放大器變成電壓信號(hào)后由采集卡輸入計(jì)算機(jī)。安裝如圖5所示。圖6為實(shí)際標(biāo)定得到的曲線。由實(shí)際輸出波形可以看出,成功地模擬了梯形脈沖力信號(hào),且測(cè)試系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)檢測(cè)此梯形脈沖力,頻率響應(yīng)特性良好,無遲滯現(xiàn)象。可以進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)試車的實(shí)時(shí)檢測(cè)。圖中微小波動(dòng)由環(huán)境干擾所致,可以通過屏蔽測(cè)試系統(tǒng)得到改善。5測(cè)試系統(tǒng)動(dòng)態(tài)標(biāo)定的設(shè)計(jì)方法更符合測(cè)試對(duì)象的實(shí)際工況以單片機(jī)為核心部件,通