摘要：通過對當前加速度計測試工序多、操作復雜、易引起誤操作的現狀分析，為能更好地標定石英撓性加速度計性能參數，設計了基于GPIB總線技術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，設計采用了數字多用表技術，利用其內部抑制噪聲和信號處理等技術，實現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據較少，采用兩次插值對獲得的數據進行處理，擴大了樣本容量，解決了小樣本難以建模的問題。與現用的測試系統(tǒng)相比較，該測試系統(tǒng)有著技術先進、數據處理與分析能力強等優(yōu)點，測試結果表明，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，測試數據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、計算機技術日益普及，GPIB(IEEE488)接口和總線技術日趨成熟，GPIB技術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據采集、數據流量適中、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，設計實現了基于GP-IB的測試數據采集處理系統(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 數據采集系統(tǒng)的組成及工作原理
數據采集是將加速度計的輸出經過適當轉換后，經信號調理、采樣、量化等步驟送到主控計算機進行數據處理的過程。由于對加速度計的精度要求越來越高，相應地，對其數據采集系統(tǒng)的設計也提出了很高的要求，其諸多性能參數的測試也必須在穩(wěn)定的環(huán)境中經過嚴密地檢測過程來完成。
1.1 數據采集方案
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轉換技術采集，A/D板的轉換位數需達到24位(分辨率1/224)。但當轉換速度很快時，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，容易實現加速度計的動態(tài)誤差系數標定；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轉換板，并且要增加相關的信號調理電路；而基于PXI總線技術的測試方案成本較高。目前，隨著總線技術的日趨成熟，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�，為有效提高測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、數字多用表、多通道切換系統(tǒng)和PCL720+數據采集卡等部分組成。
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)用于實現對多個通道信號的測量，GPIB接口控制器實現對數字多用表的控制，從而完成對加速度計輸出參數的實時測試。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動程序，利用工控機的功能，可以構建整個測試系統(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，為利用數字多用表技術，在加速度計的輸出端接入一精密采樣電阻實現微小信號的精確測量。另外，由于數字萬用表一般只有一路測試通道，而在加速度計測試時，經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)，使一臺數字萬用表能夠分時對幾路信號進行測量，其構成如圖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字萬用表的接口傳遞給數字萬用表。電路由與通過通信端口與計算機相連的單片機進行控制，它能根據計算機發(fā)出的信號控制多路復用器，實現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字多用表的精度，測量速度取決于數字多用表掃描頻率。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，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臺上，通過轉臺的轉動調整方位。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；根據軟件的設定，測控計算機再經由GPIB總線控制HP34401A對接收到的信號進行測量，并讀取數據，然后把A/D轉換后的數字信息通過RS-232接口傳送給計算機然后根據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。
系統(tǒng)的設計目標是達到測試數據的自動采集處理與存儲，其測試任務流程如圖3所示。
圖3 數據采集流程圖
根據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，并將處理結果進行顯示，測試顯示界面如圖4所示。
圖4 四位置測試顯示界面
2 測試數據的處理
對于加速度計而言，隨著時間的推移其參數的穩(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，因而得到的數據比較零亂，很難找到描述加速度計測試數據的規(guī)律，并且測試數據較少，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據進行處理，并且為防止插值后產生的加速度計測試數據的時間序列誤差較大且插值點不均勻的現象，通過兩次使用樣條函數進行插值，擴大了樣本容量，解決了小樣本難以建模的問題。
現以加速度計的偏值系數為例來進行分析，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組有效數據。首先，根據歷次測得的加速度計的輸出數據，利用其靜態(tài)數學模型方程，計算出其性能指標值，如表1所示。
表1 插值前的數據
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據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個基本點構成一個新的基本時間序列。
表2 第一次插值后的數據
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，根據樣本的自相關函數和偏相關函數對建立的模型進行識別，判斷階數，再根據現在和過去的數值，對將來一段時間內的數值進行估計，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據對預測結果做了相應處理，從而使預測結果能更好地反映加速度計的實際狀況。
3 結束語
文中闡述了在加速度計性能測試系統(tǒng)中，利用數字電壓表技術，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據進行了擴充，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的變化趨勢。
