虚拟仪器在火箭发动机参数测试中的应用

1. 引言
　　当今在科技不断飞速发展的情况下，测试系统对所应用的方法和设备、技术等提出了越来越高的要求。虚拟仪器通过软件来取代部分传统的硬件设备，也就是说，“软件即仪器”。用这种软件来进行数据采集、处理、存储、打印及图表等功能，将使仪器之间的数据交换及信息综合等能力增强。同时，虚拟仪器的使用也使得其自身的升级和改进变得更加容易。LabVIEW的界面友好、编程方便、功能强大，成为虚拟仪器系统开发的优秀平台。它能够在有限的基本硬件支持下，通过软件完成数据的采集与控制、数据分析与处理以及数据显示与存储，从而实现各种现实
2. 虚拟仪器测试系统的硬件结构
　　在虚拟仪器测试系统的五种基本构成方式中，PC DAQ/PCI虚拟仪器系统是最廉价最基本的构成方式，根据我们的需要，采用这种方式构建测试系统。其结构如图1所示

图1 虚拟仪器测试系统硬件结构
　　PCI-6024E是美国NI公司生产的多功能接口卡，它集12位A/D转换器,12位D/A转换器,16路单端接地的模拟输入通道、8位或24位并行输人输出线（（SV/TTL）及两路24位定时器与计数器为一体。支持DMA方式和双缓冲区模式，保证了实时信号不间断采集与存储。在双极性时，输入电压范围选择有100 mV,1 V,lOV,20V四种，它的最高采样率为200kbit/s,主要完成数据采集功能。
3.虚拟仪器测试系统的软件结构
　　在分析和测定所采集的数据记录时，快速傅立叶变换（FFT）和功率谱是非常有用的工具。借助这些工具能够有效地采集时域信号，测定其频谱成分，并对结果进行显示。功率谱图在频率轴（X轴）上的频率范围和分辨率取决于采样速率和数据记录的长度（采样点数）。功率谱图上的频率点数或谱线数为N/2,N是信号采集记录中包含的点数。所有的频点间隔为，通常称之为频率分辨率或FFT分辨率: 采取FFT算法进行频谱分析，要求采样点数满足N=2"，采样频率满足采样定理，即fs>fm（fm为信号的最大频率分量）。对无限长连续信号x（t）进行有限时间内的采样就相当于利用矩形窗进行截断, 截断后变成有限长的离散时间序列 ,就有可能出现栅栏效应和泄露现象。这里n=0、1、2、3、…、n-1,截取长度tp=NT,T为采样间隔。为了避免栅栏效应，必须使截取长度是信号频率的整数倍。为了抑制快速傅里叶变换中的泄漏效应，选择适合的窗函数对数据进行加权。本系统采用九种窗函数—矩形窗、汉明窗、汉宁窗、海宁窗、布莱克曼窗、凯塞窗、三角窗、平顶窗和指数窗等。其中矩形窗主瓣窄，旁瓣大，频率识别精度最高，幅值识别精度最低;布莱克曼窗主瓣宽，旁瓣小，频率识别精度最低，但幅值识别精度最高。要根据信号分析的不同要求来选择不同的窗。
4. 实验测试系统
　　固体火箭发动机的参数测试，主要通过发动机内部高压强，高燃速固体推进剂燃烧时，利用传感器对其进行信号采集，然后经过分析来得到参数。其中虚拟仪器测试系统主要由信号采集、信号分析与处理、结果输出和显示三部分组成。信号采集依托硬件系统完成，而信号分析与处理、结果输出和显示主要由软件系统完成。
5. 实验测试系统硬件设计分析
　　为了满足精度需要，完成给定任务，按照虚拟仪器的基本结构形式设计了固体火箭发动机参数测试系统。系统硬件结构框图如图2所示。

图2 实验测试系统硬件结构框图
　　传感器是本实验系统的一个核心器件。本实验主要特点是压强变化率较高，在几十毫秒的时间内，压强可由大气压上升到80MPa，这对传感器的灵敏度及频率响应提出了很高的要求。实验采用能够分辨毫秒级的信号变化、频响范围在0～5kH:的压强传感器。从该传感器传出的电信号幅值较低，容易受到环境的噪声干扰，因此首先应对信号进行调制、滤波、放大处理，然后经A/D转换设备将信号转化为数字信号并传人计算机中，由LabVIEW编制的采集软件进行采集。再经过抗混滤波放大器的放大，放大后的信号一般为高电平，在1～lOV之间，而且信号源离采集端较近，一般不超过4. 5m，因此信号的输人方式可采用单端输人方式。通过采集得到数据可以看出，这种输入方式很号的满足了实验的精度要求。实验使用的PCI6024E数据采集卡，可以直接插入计算机主板的PCI插槽上使用。它的最高采样率为200Kbit/s，具有很强的数据采集功能，能够很好的满足实验的要求。
6. 实验测试系统软件设计分析
　　虚拟仪器软件系统一般包含两部分，应用程序及I/O接口仪器驱动程序。本虚拟仪器系统采用的数据采集卡PCI6024E,LabVIEW环境提供了DAQ板卡的驱动程序。
　　本实验所设计的软件前面板如图3所示，软件主要完成信号的采集、分析和处理、数据文件的存储、读取等功能，主要分为三大模块。

图3 测试软件前面板
　　6.1标定模块
　　标定模块主要完成压强传感器的标定过程。得到压强与电压的转换关系。经过传感器的标定后，采集的信号将能够自行的根据标定所得的压强-电压关系进行转换。对于传统的数据采集设备，是把采集软件得到的信号经过放大和处理，进行存储，然后应用其他的数学软件按照事先得到的标定方程进行再次转换。本文所述的虚拟仪器系统将这两个过程合二为一使得采集得到的数据直接以压强时间的关系显示出来。标定模块前面板如图4所示。
　　在标定栏中，通过设定测试点个数，可以完成传感器的标定，并将数值存储，以表进行显示。本软件对采集出来的测试点数据可以选择三种拟合类型，有线性拟合，指数拟合及多项式拟合。其中多项式拟合比较常用，其拟合出来的压强、电压的二次多项式 ，其中P代表压强，a0，a1，a2为拟合出的多项式系数，U代表电压。标定完成则进入数据的采集过程。

图4 软件标定模块前面板
　　6.2信号采集及处理模块
　　6.2.1信号采集模块
　　信号采集及处理模块是此软件系统的核心，可以对外界信号实时地进行以示波器的方式显示，可以将信号采集并进行处理及分析等。通过模块的示波器功能可以先对整个系统进行初始的校验。当系统连接正确，信号经过采集卡输人计算机时，初始的信号在进行压强转换前处于零值附近，以示波器的形式显示为转换后的值，即标定方程中的a0值附近。通过浮动的大小可以看出外界的干扰情况，以决定是否适宜进行实验。采集得到的电压信号将自动根据标定模块中所选择的拟合公式进行转换，从而直接在软件界面上图形框中显示出压强-时间曲线图，在数组框中显示压强值，并可以对压强值进行保存。
　　在信号处理功能上，本软件对采集的信号可以进行滤波处理，Labview环境提供了数字滤波器可以很方便的实现这一功能。对于该实验系统，采集的数据量很大。当定容燃烧器内推进剂试样燃烧时，燃烧器内的压强将急剧升高，为了能够很好的采集并显示试样燃烧过程的压强变化过程，本采集系统的采样率要求很高，可达20K，为了能够将燃烧器内压强的整个变化过程，采集时间将设为5s以上，则采集点数将达到100K，为能真实的反应信号的变化，本虚拟仪器的采集模块可设置为运用LabVIEW提供的高速磁盘流技术，采集到的数据将首先实时地记录到计算机硬盘上，当采集过程结束后，通过程序流程，再自动的将数据进行回放、显示及分析。
　　6.2.2信号处理模块
　　根据本实验目的，设计了合理的数据处理模块。在该模块中，对采集的原始数据曲线进行平滑处理，根据最小二乘原理，采用了五点三次平滑公式。进而应用Labview的曲线拟合等功能函数，完成所需任务，并使得数据具有很好的图形显示、报表、打印、储存等功能。在数据处理方面，如果所完成的任务较为复杂，还可以通过与C语言的接口，调用C语言编写的程序，完成数据的复杂处理任务。
7. 结论
　　以PC机为主控单元、Labview为开发平台的固体推进剂燃速测试系统充分发挥了虚拟
　　技术的优势，使系统具有优良的人机交换界面，操作简便，功能完善，可扩展性强等特点。系统将传感器的标定和采集功能集于一体，使采集到的数据可以根据在标定模块中得到的标定方程式进行自动转换，一次完成。
　　本文作者创新点：运用虚拟仪器技术将火箭发动机参数测试过程软件化，程序不仅可以实现数据的测量和图形显示，并且可以对数据进行分析和处理以及打印等功能，为固体火箭发动机的参数测试提供了比较完善的测试手段。