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LabVIEW高冲击加速度校准系统

news 来源：原创 2025/8/22 1:21:57

在国防科技领域，高 g 值加速度传感器广泛应用于先进兵器研制，如深侵彻系统、精确打击弹药及钻地弹药等。其性能指标直接影响研究结果的准确性与可靠性，因此对该传感器进行定期校准意义重大。高冲击加速度校准系统具备多方面功能，适用于多种场景，应用范围明确，且有着独特的特点。

一、功能实现

冲击激励与量值复现：通过电磁发射技术与 Hopkinson 杆技术，对被测传感器施加冲击激励。电磁发射器利用磁场耦合机制，使弹丸加速撞击波形整形器，在 Hopkinson 杆中产生压缩波，从而激励传感器。同时，借助激光干涉仪对激励量值进行复现，实现对传感器所受加速度的精准测量。
多信号采集与处理：系统能够同步采集被测传感器信号、激光干涉信号以及高低电平信号。采集后，对激光干涉信号进行解调，并结合其他信号计算出弹丸撞击速度、高冲击加速度峰值、脉宽以及被测传感器灵敏度等关键参数。
数据管理与证书生成：具备数据处理、存储、查询功能，还可根据规程要求生成校准证书，方便对校准数据进行管理和追溯。

二、应用场景与范围

该校准系统主要应用于高 g 值加速度传感器的校准场景，满足其 10000gn 以上的校准需求。适用于国防科技工业中各类涉及高冲击加速度测量的领域，为高加速度量值溯源以及高冲击加速度和动高压等测试工作提供有力支持。

三、系统特点

高度集成化、一体化：将电磁发射装置、激光测速装置、数据采集卡、信号调理仪等多种硬件设备集成在一起，实现了校准系统的一体化运作，减少了系统的复杂性，提高了校准效率。
自动化程度高：基于 LabVIEW 开发的软件系统，实现了对硬件设备的自动化控制和数据处理流程的自动化执行，降低了人工操作的繁琐程度，提高了校准的准确性和可靠性。
测量精准：经过试验验证，系统与标准装置的测量结果偏差仅为 -0.78%，能够精准地测量传感器的各项参数，满足计量检定的严格需求。

四、硬件选型

机箱与控制器：选用 NIPXIe - 1092 机箱与 NIPXIe - 8840 控制器，组成具有强大数据处理能力的 PXI 系统，具备高数据带宽、高精度定时的特性，为整个系统的数据处理提供了坚实的基础。
板卡：NIPXIe - 5111 示波器板卡，拥有 350MHz 带宽、1.5GS/s 采样率的双通道，用于高速采集激光干涉仪输出的多普勒信号以及载波信号；NIPXIe - 6396 高速数据采集卡，采样率为 14MS/s，8 通道同步采集，负责采集激光干涉仪输出的速度信号以及 PCB482C 信号调理仪输出的被测传感器信号。
其他设备：采用 PolytecHSV - 100 激光干涉仪进行速度和位移测量；PCB482C 信号调理仪对传感器信号进行调理；激光测速装置用于测量弹丸速度；电磁发射器提供冲击激励。

五、软件架构

软件采用 “基于队列的动态多引擎生产者消费者” 模式设计。“生产者” 线程作为人机交互接口，截获和传送用户操作指令。消息管理机构接收到指令后，根据任务类型选择在自身线程处理或通过队列分发到各引擎。各引擎并联运行、信息独立，公用数据通过共享资源模块传递。该模式实现了托管机制，使各线程负荷均衡，且各模块耦合少、权责清晰，便于维护和分工。软件包含用户送检信息录入、系统参数配置、数据采集、数据处理、数据存储、证书生成、数据查询 7 大功能模块。

六、功能实现方式

数据采集模块：为实现激光干涉仪标准加速度信号与被测传感器加速度信号的同步采集，需对 NIPXIe - 5111 与 NIPXIe - 6396 进行同步触发。具体通过将两张板卡的参考时钟全部设置为 NIPXIe - 1092 背板 100MHz 时钟，实现采样时钟同源；利用激光干涉仪输出的速度信号触发 NIPXIe - 6396，并将该板卡的触发信号经 PXI 触发总线传输至 NIPXIe - 5111，实现同步触发。
数据处理模块：依据激光干涉信号表达式及相关公式，利用 LabVIEW 丰富的数学函数和公式节点，实现激励加速度量值的复现以及传感器灵敏度的计算。在设计时，根据减少测量冲击加速度峰值误差的需求，选用截止频率≥10/THz 的低通滤波器进行滤波。
数据查询模块：采用数据库技术，将采集及处理后的数据存储至 SQLServer 数据库。试验后可根据相关参数条件对历史数据进行筛选、回放以及证书生成。

七、开发问题及解决措施

多设备同步问题：在实现多种硬件设备协同工作时，面临着设备同步的难题。例如，要确保激光干涉仪、数据采集卡等设备在同一时间基准下工作，以获取准确的测量数据。通过统一设置设备的时钟基准，如将板卡参考时钟设置为 NIPXIe - 1092 背板时钟，并合理利用设备间的触发信号传输，解决了多设备同步问题，保证了数据采集的准确性和一致性。
信号处理精度问题：在处理激光干涉信号和解调传感器信号过程中，由于信号的复杂性和干扰因素，容易出现测量精度不高的情况。针对这一问题，通过优化信号处理算法，选用合适的滤波器参数，如在数据处理模块中选用满足要求的低通滤波器，有效减少了噪声干扰，提高了信号处理的精度，进而提升了系统测量的准确性。