加速度计校准数据处理系统设计

刘莹++解启瞻++魏玫

摘 要：为满足大批量加速度计校准数据处理的高可靠性、高准确度和高效率的需求，基于虚拟仪器技术和计算机技术，依据加速度计检定规程，设计了一种加速度计校准数据处理系统。测试结果表明：系统人机交互界面友好，能够快速处理大批量加速度计校准数据，大大节省了加速度计校准数据处理、证书出具和原始记录出具的人力和时间资源，实用性强。

关键词：加速度计 校准 数据处理 虚拟仪器

中图分类号：TP2 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）11（c）-0007-03

Abstract：To meet the high reliability， high accuracy and high efficiency need of calibration data processing for mass accelerometer， based on VI and computer technology， according to the V.R of accelerometer calibration， a kind of calibration data processing system for mass accelerometer has been developed. Testing results show that， the system has a friendly man-machine surface， and can quickly process large quantities of accelerometer calibration data. The system has very strong practicability.

Key Words：Accelerometer； Calibration； Data processing； VI

加速度計通常与适调仪配用，用于振动与冲击加速度的测量[1]。在直升机领域内，加速度计常被用做监控发动机故障和结构损伤等的感知设备，在航空航天、汽车电子、地质勘探等领域内，加速度计的应用也越来越广泛。通常，为保证加速度计能够获得准确的加速度测试数据，需周期性对其进行校准，维持加速度计的准确度，避免检测时误判[2]。但随着加速度计的应用越来越广泛，加速度计的校准工作量也越来越大，对于计量工作者而言，经常一次就需要校准几十甚至是上百枚加速度计，校准完成后将会得到大量的校准数据，还需要进一步对这些校准数据进行数据处理和分析，根据数据分析结果判定所校加速度计是否合格，并出具原始记录和校准证书。而如果用传统的数据处理方法对每一个加速度计的校准数据进行分析处理，并手动调整数据格式使其满足原始记录和校准证书的要求是非常困难的，且单个加速度计的数据处理时间长，数据处理效率低，无法满足大批量加速度计的校准需求。

为此，本文根据加速度计的校准数据处理原理，针对加速度计的多参数、大批量校准的特点，以及对高可靠、高性能、高效率提出的要求，基于虚拟仪器技术和计算机技术，依据加速度计检定规程，构建一种高自动化的加速度计校准数据处理系统。

1 加速度计校准数据处理基本原理

依据压电加速度计检定规程JJG 233-2008，在首次和使用过程中，加速度计的检定项目均包括参考灵敏度、灵敏度频率幅值响应和灵敏度幅值线性度3个项目。

1.1 参考灵敏度

参考灵敏度的检定是指在参考频率和参考加速度条件下确定被检加速度计的灵敏度。被检加速度计的输出与所承受的加速度值之比即为参考灵敏度幅值。需要时，测量两只加速度计的输出比。

使用中，加速度计参考点灵敏度数据处理时，需要根据规程要求，将各加速度计参考点的灵敏度数据提取出来，写入到保存文件中。而在首次对加速度计进行校准时，还需要计算加速度计的灵敏度误差，灵敏度误差计算公式一般如式（1）所示[3]：

（1）

式中：为灵敏度出厂值；为加速度计实测参考灵敏度。

1.2 灵敏度幅频响应

灵敏度幅频的检定一般采用振动连续扫描法、逐点法或随机激励法，在工作频率范围内，以1/3倍频程频率序列选取7～12个频率点，计算各频率下的灵敏度幅值。灵敏度幅频响应以参考灵敏度幅值的相对偏差表示。

根据检定规程的计量性能要求，加速度计的灵敏度幅频响应应在±5或±10之间。

灵敏度幅频响应数据处理，即是提取各频率点下的灵敏度幅值和灵敏度幅频响应，分析各频率点频响绝对值最大值，判定其是否满足±5或±10的计量性能要求，给出判定结果。

1.3 灵敏度幅值线性度

灵敏度幅值线性度检定是在实际使用的加速度幅值范围内选取5～10个点，包括最大和最小加速度，进行灵敏度幅值的检定。对加速度幅值范围不大的情况，灵敏度的幅值线性度用检定点的灵敏度幅值相对于参考灵敏度幅值的相对偏差来表示。

根据检定规程的计量性能要求，加速度计的灵敏度幅值线性度应在±3之间。

加速度计校准数据灵敏度幅值线性度数据处理与灵敏度频响数据处理原理一致，即读取加速度计在各加速度值下的灵敏度幅值和灵敏度幅值线性度，分析灵敏度幅值线性度绝对值最大值，判定其是否满足±3之间，据此判定加速度计的灵敏度幅值线性度性能是否合格。

2 系统总体结构

加速度计校准系统的原理如图1所示。控制系统控制NI采集卡输出模拟信号，通过功放调理后加载至标准振动台。标准振动台上背靠背贴合的标准加速度计和被测加速度计同步获取振动信号，利用压电效应将振动信号转换为微弱电信号[4]。微弱电信号经过前置预处理模块放大等处理后，在控制系统控制下由NI数据采集卡采集。在控制系统上对信号实时预处理，保存数据。然后在校准数据处理平台上作进一步分析和处理，并按照校准证书格式要求保存数据。endprint

加速度计校准数据预处理完成后，校准数据保存在Excel文件中。该部分功能由PCB公司提供的标准振动台配套的计算机控制系统完成。而校准数据处理系统是整个加速度校准系统的核心部分，主要完成两个功能：一是对预处理完成的数据作进一步处理，得到最终的加速度计校准结果；二是根据加速度计校准证书和原始记录要求，對处理完成的校准数据和校准结果格式进行调整，并保存数据。总体流程如图2所示。

3 系统设计

LabVIEW是由美国国家仪器公司NI推出的虚拟仪器（Virtual Instrument，VI）开发工具，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件[5]。LabVIEW程序又称虚拟仪器，即VI，VI由两部分组成，前面板和程序框图。

校准数据处理系统基于LabVIEW软件平台设计，系统前面板设计见图3，整个操作界面控制按钮较少，用户操作起来十分方便。利用加速度计校准数据处理系统分析加速度计校准数据时，选择文件路径，设置相关参数后，点击“开始分析”按钮，便可启动程序，进行校准数据处理。数据处理完成后，点击“退出”按钮，即可退出VI程序。

灵敏度幅值响应数据处理及其程序设计是系统的重要组成部分。该部分程序设计时，考虑到因加速度计的应用场合不同，送校时，客户要求的校准频率范围不一，导致预处理后得到的校准数据中的校准频率点存在差异，所以为了避免频率点混淆造成数据出错，程序中，须将各加速度计的校准频率点数据提取出来。加速度计灵敏度幅值响应数据处理程序设计思想是，首先根据预处理的加速度计校准数据的保存特点，分别提取各个加速度计的编号、校准频率点、各频率点处的灵敏度幅值和灵敏度幅值响应。再分析各加速度计灵敏度幅值响应的最大值，并判断其是否满足±5%的计量性能要求，给定频响测试结论。

加速度计幅值线性度数据处理程序，先是从预处理后的数据文件中提取加速度计的编号、各幅值测试点处的灵敏度值和幅值线性度，分析幅值线性度绝对值最大的点，判断其是否满足±3%的计量性能要求，根据判断结果给出线性度测量结论。图4为本系统的程序框图。

4 软件测试与应用

加速度计校准数据处理系统设计完成后，为了研究软件系统的性能，将系统用于某批次加速度计的校准数据的处理中，对校准数据处理系统进行测试。该批次加速度计含两个型号，6个轴，一个轴对应一个Excel文件，分别为编号131525传感器的X、Y、Z轴和编号为CA3ZYD220V-100-00009的X、Y、Z轴的数据。

图5为软件运行之后得到的数据处理结果。软件测试结果为得到一个excel文件，该文件内包含四部分内容，分别为参考灵敏度幅值数据、灵敏度频率响应数据、灵敏度幅值线性度数据和校准结论。其中各加速度计的灵敏度频率响应数据第一行为测量频率点，第二行为各频率点处的灵敏度幅值以及最大灵敏度幅值频响。灵敏度幅值线性读数据为各加速度值下的灵敏度值以及最大灵敏度幅值线性度。校准结论部分显示了系统对所校准加速度计的频响和线性度的判定结果。数据结构清晰，结论明了，能够满足加速度计校准和证书出具的要求。

5 结语

为了提高大批量加速度计的校准效率和准确度，基于LabVIEW软件平台设计了一个加速度计校准数据处理系统。系统具有友好的人机交互界面，操作简单，设置参数少，方便实用。它能够依据加速度计的检定规程对加速度计校准数据进行处理，并通过分析判定给出校准结论，效率得到提高的同时避免了人为判定带来的错误。另外，系统还能够根据校准证书和原始记录的格式和数据要求，将数据处理结果保存在excel文件中，节省了校准证书和原始记录的出具时间，大大提高了工作效率，极大地降低了加速度计的校准数据处理工作量。

参考文献

[1] JJG 233-2008，压电加速度计检定规程[S].北京：中国计量出版社，2008.

[2] 张艳.计量检定与仪器校准的区分[J].科技致富向导，2010（8X）：219.

[3] 朱蕾.压电加速度计规程修订后对振动量值溯源的影响分析[A].江苏省计量测试学术会议[C].2013.

[4] 蓝伟威，符蓉，余璇，等.基于LabVIEW的荧光光纤氧传感器的信号处理系统[J].仪表技术与传感器，2014（5）：1-3.

[5] 何玉钧，高会生.LabVIEW虚拟仪器设计教程[M].北京：人民邮电出版社，2012.endprint