摘要：通過對當前加速度計測試工序多、操作復雜、易引起誤操作的現(xiàn)狀分析，為能更好地標定石英撓性加速度計性能參數(shù)，設計了基于GPIB總線技術(shù)的加速度計測試系統(tǒng)，確定了系統(tǒng)的硬件組成。同時針對石英撓性加速度計反饋信號較弱、精度要求高的特點，設計采用了數(shù)字多用表技術(shù)，利用其內(nèi)部抑制噪聲和信號處理等技術(shù)，實現(xiàn)了加速度計輸出微小信號的精確測量。同時，由于加速度計測試樣本數(shù)據(jù)較少，采用兩次插值對獲得的數(shù)據(jù)進行處理，擴大了樣本容量，解決了小樣本難以建模的問題。與現(xiàn)用的測試系統(tǒng)相比較，該測試系統(tǒng)有著技術(shù)先進、數(shù)據(jù)處理與分析能力強等優(yōu)點，測試結(jié)果表明，該測試系統(tǒng)精確穩(wěn)定，能夠滿足加速度計標定測試的使用要求。
加速度計是慣性導航系統(tǒng)中的重要敏感元件，在高精度定位定向系統(tǒng)中，其性能的好壞起著關鍵作用，為此需對加速度計進行嚴格的測試。到目前為止，許多加速度計的檢測仍然采用人工方法，由多人負責一套測試臺，測試數(shù)據(jù)也由人工讀取并記錄，這種方法效率低、容易出錯，在大批量加速度計的檢測過程中，其弊端日益明顯。隨著自動測試技術(shù)、計算機技術(shù)日益普及，GPIB(IEEE488)接口和總線技術(shù)日趨成熟，GPIB技術(shù)逐漸顯示出用于針對加速度計測試的適應性，這種傳感器具有測試數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)流量適中、實時性要求較高、具有可擴展性與易用性的特點，測試人員可以方便地通過高級語言編程開發(fā)出實用的加速度計自動測試系統(tǒng)。因此，為有效提高測試效率和自動化水平，設計實現(xiàn)了基于GP-IB的測試數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，為加速度計的穩(wěn)定性分析、精度分析和性能評估及預測提供了理論基礎。
1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成及工作原理
數(shù)據(jù)采集是將加速度計的輸出經(jīng)過適當轉(zhuǎn)換后，經(jīng)信號調(diào)理、采樣、量化等步驟送到主控計算機進行數(shù)據(jù)處理的過程。由于對加速度計的精度要求越來越高，相應地，對其數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計也提出了很高的要求，其諸多性能參數(shù)的測試也必須在穩(wěn)定的環(huán)境中經(jīng)過嚴密地檢測過程來完成。
1.1 數(shù)據(jù)采集方案
對于石英撓性加速度計，它是典型的模擬反饋加速度計，通常以電流或電壓的方式輸出，其標定測試主要是測量反饋回路的電流信號，但反饋電流信號比較弱，精確采集比較困難。一般高精度的慣導系統(tǒng)對加速度計的精度要求要達到10-5G，這樣就需要轉(zhuǎn)換器的精度要達到10-6G。目前對于模擬反饋加矩方式的加速度計，若采用常規(guī)的A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)采集，A/D板的轉(zhuǎn)換位數(shù)需達到24位(分辨率1/224)。但當轉(zhuǎn)換速度很快時，在低端精度會有所損失，達不到24位的標準，這使其在轉(zhuǎn)換過程中的速度、量程以及精度不能同時兼顧。
目前，對加速度計的測試通常采用基于PC104總線的測試系統(tǒng)，或者基于PXI總線技術(shù)的測試系統(tǒng)。前者的優(yōu)點在于，能同時進行多通道測量，測量速度快，容易實現(xiàn)加速度計的動態(tài)誤差系數(shù)標定；后者優(yōu)點在于通用性強，模塊化程度高，軟件編程兼容性好。但是兩者都存在一定的缺點：基于PC104總線的測試方案需要采用高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換板，并且要增加相關的信號調(diào)理電路；而基于PXI總線技術(shù)的測試方案成本較高。目前，隨著總線技術(shù)的日趨成熟，由于接口編程方便、開發(fā)使用靈活，CPIB通用接口總線成為了目前應用較為廣泛的測試總線�；谏鲜鲈颍瑸橛行岣邷y試效率和自動化水平，設計采用基于GPIB總線的加速度計自動化測試系統(tǒng)。
1.2 系統(tǒng)硬件組成
如圖1所示，設計的加速度計測試系統(tǒng)主要由工控機、GPIB接口控制器、數(shù)字多用表、多通道切換系統(tǒng)和PCL720+數(shù)據(jù)采集卡等部分組成。
圖1 測試系統(tǒng)硬件組成圖
其中，GPIB總線是一個數(shù)字化24腳并行總線，采用8位并行、Byte串行、異步通信方式，所有Byte通過總線順序傳送。在應用中，各種具有GPIB總線接口的電子設備均可連接到GPIB總線，由計算機擔任整個總線的信息分配和控制。多通道切換系統(tǒng)用于實現(xiàn)對多個通道信號的測量，GPIB接口控制器實現(xiàn)對數(shù)字多用表的控制，從而完成對加速度計輸出參數(shù)的實時測試。工控機作為硬件平臺，所有的測試板卡都安裝在工控機插槽上，在計算機上安裝每個板卡對應的驅(qū)動程序，利用工控機的功能，可以構(gòu)建整個測試系統(tǒng)，完成信號采集、任務管理等功能。測試設備HP34401A是HP公司開發(fā)的一種6位半的高精度數(shù)字萬用表，可以進行手動測試或自動測試。HP34401A是可程控的高精度數(shù)字萬用表，可通過嵌入到VC中的SCPI指令進行通訊和測量。它帶有通用的GPIB和RS232標準接口，可以在計算機的控制下進行各種高精度的測量。南于石英撓性加速度計輸出的信號一般是電流信號，為利用數(shù)字多用表技術(shù)，在加速度計的輸出端接入一精密采樣電阻實現(xiàn)微小信號的精確測量。另外，由于數(shù)字萬用表一般只有一路測試通道，而在加速度計測試時，經(jīng)常需要同時對多路信號進行測量，為此設計了多通道切換系統(tǒng)，使一臺數(shù)字萬用表能夠分時對幾路信號進行測量，其構(gòu)成如圖2所示。
圖2 多通道切換系統(tǒng)組成框圖
測試信號經(jīng)過電壓跟隨器后進入多路復用器進行分時切換，使某一時刻只有一路信號能通過與數(shù)字萬用表的接口傳遞給數(shù)字萬用表。電路由與通過通信端口與計算機相連的單片機進行控制，它能根據(jù)計算機發(fā)出的信號控制多路復用器，實現(xiàn)通道選擇和對切換時間的控制。
系統(tǒng)的測量精度主要決定于數(shù)字多用表的精度，測量速度取決于數(shù)字多用表掃描頻率。這種方案的主要優(yōu)點是利用了臺式儀表的噪聲抑制技術(shù)，測量精度高；缺點是測量速度慢，而且對多通道是串行測量，但該測試系統(tǒng)在加速度計性能參數(shù)采集處理中的應用表明：速度完全滿足系統(tǒng)的要求。
1.3 測試原理
石英撓性加速度計安裝在轉(zhuǎn)臺上，通過轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動調(diào)整方位。測控計算機通過I/O口控制繼電器依次打開通道切換開關，使被測量的多路模擬信號首先進入多通道切換電路，通道模擬電路在計算機的控制下根據(jù)軟件的設定對多路信號進行分時切換，使每一時刻只有一路模擬信號能夠傳遞給HP34401A；根據(jù)軟件的設定，測控計算機再經(jīng)由GPIB總線控制HP34401A對接收到的信號進行測量，并讀取數(shù)據(jù)，然后把A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信息通過RS-232接口傳送給計算機然后根據(jù)加速度計輸出的靜態(tài)模型方程，進行相關計算，得到靜態(tài)誤差模型系數(shù)。
系統(tǒng)的設計目標是達到測試數(shù)據(jù)的自動采集處理與存儲，其測試任務流程如圖3所示。
圖3 數(shù)據(jù)采集流程圖
根據(jù)加速度計輸出特性的靜態(tài)模型方程，通過編寫相應的程序算法，計算出模型方程的系數(shù)，并將處理結(jié)果進行顯示，測試顯示界面如圖4所示。
圖4 四位置測試顯示界面
2 測試數(shù)據(jù)的處理
對于加速度計而言，隨著時間的推移其參數(shù)的穩(wěn)定性往往會發(fā)生比較明顯的變化。目前加速度計的穩(wěn)定期指標為3個月，但一般很難保證每3個月就對加速度計進行一次測試，因而得到的數(shù)據(jù)比較零亂，很難找到描述加速度計測試數(shù)據(jù)的規(guī)律，并且測試數(shù)據(jù)較少，也增加了描述其時間特性的難度。為解決這個問題，采用插值法對獲得的測試數(shù)據(jù)進行處理，并且為防止插值后產(chǎn)生的加速度計測試數(shù)據(jù)的時間序列誤差較大且插值點不均勻的現(xiàn)象，通過兩次使用樣條函數(shù)進行插值，擴大了樣本容量，解決了小樣本難以建模的問題。
現(xiàn)以加速度計的偏值系數(shù)為例來進行分析，從2005年8月到2008年7月，對某型號加速度計進行了多次測試，共取得了9組有效數(shù)據(jù)。首先，根據(jù)歷次測得的加速度計的輸出數(shù)據(jù)，利用其靜態(tài)數(shù)學模型方程，計算出其性能指標值，如表1所示。
表1 插值前的數(shù)據(jù)
其次，以計算所得的性能指標值為基本點，以3個月為單位選擇插值點進行插值，這樣可以獲得加速度計歷次測試數(shù)據(jù)的樣本容量相對較小的一個基本時間序列，如表2所示，共得到3個插值點，這3個點與9個基本點構(gòu)成一個新的基本時間序列。
表2 第一次插值后的數(shù)據(jù)
很明顯，這個新建的時間序列樣本仍然較小，建模時很難得到一個準確、完整的模型，無法正確預測加速度計性能參數(shù)的變化趨勢。因此，提出了二次樣條修正插值。在第一次插值所得時間序列的基礎上，利用三次樣條函數(shù)在每相鄰的兩個基本點之間再次進行插值，即在相鄰的兩個基本點之間插入2個插值點，得到一個樣本容量為34的新的二次插值時間序列，插值結(jié)果如圖5所示。最后，針對插值后的序列，利用逆序檢驗法進行平穩(wěn)性檢驗，根據(jù)樣本的自相關函數(shù)和偏相關函數(shù)對建立的模型進行識別，判斷階數(shù)，再根據(jù)現(xiàn)在和過去的數(shù)值，對將來一段時間內(nèi)的數(shù)值進行估計，預測值和真實值的比較如圖6所示，從圖中可以看出，做出的預測較為合理。
圖5 兩次樣條插值后的結(jié)果圖
圖6 預測值和真實值的比較圖
另外，在對加速度計時間序列進行插值和預測分析時，帶入了一些誤差，為消除這些誤差，采用自適應濾波方法，利用加速度計已有的測試數(shù)據(jù)對預測結(jié)果做了相應處理，從而使預測結(jié)果能更好地反映加速度計的實際狀況。
3 結(jié)束語
文中闡述了在加速度計性能測試系統(tǒng)中，利用數(shù)字電壓表技術(shù)，通過GPIB接口，在工控機的控制下完成微弱信號采集的一種方法，該系統(tǒng)具有較高的分辨率、良好的抗干擾性和較低的噪聲干擾等特性；并且利用該系統(tǒng)對某型導彈加速度計進行了測試，測試結(jié)果表明，可以滿足加速度計信號高精度的要求。利用插值方法對歷次測試數(shù)據(jù)進行了擴充，并建立了時間序列模型，通過模型分析和預測了加速度計各項性能參數(shù)的變化趨勢。
