虚拟仪器在火箭发动机参数测验中的使用

1. 导言
　　当今在科技不断飞速发展的状况下，测验体系对所运用的办法和设备、技能等提出了越来越高的要求。虚拟仪器经过软件来替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收集、处理、存储、打印及图表等功用，将使仪器之间的数据交流及信息归纳等才能增强。一起，虚拟仪器的运用也使得其本身的晋级和改善变得愈加简单。LabVIEW的界面友爱、编程便利、功用强大，成为虚拟仪器体系开发的优异渠道。它能够在有限的根本硬件支撑下，经过软件完结数据的收集与操控、数据剖析与处理以及数据显现与存储，然后完结各种实际
2. 虚拟仪器测验体系的硬件结构
　　在虚拟仪器测验体系的五种根本构成方法中，PC DAQ/PCI虚拟仪器体系是最廉价最根本的构成方法，依据咱们的需求，选用这种方法构建测验体系。其结构如图1所示

图1 虚拟仪器测验体系硬件结构
　　PCI-6024E是美国NI公司出产的多功用接口卡，它集12位A/D转化器,12位D/A转化器,16路单端接地的模仿输入通道、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。支撑DMA方法和双缓冲区方法，确保了实时信号不间断收集与存储。在双极性时，输入电压规模挑选有100 mV,1 V,lOV,20V四种，它的最高采样率为200kbit/s,首要完结数据收集功用。
3.虚拟仪器测验体系的软件结构
　　在剖析和测定所收集的数据记载时，快速傅立叶改换（FFT）和功率谱对错常有用的东西。凭借这些东西能够有效地收集时域信号，测定其频谱成分，并对成果进行显现。功率谱图在频率轴（X轴）上的频率规模和分辩率取决于采样速率和数据记载的长度（采样点数）。功率谱图上的频率点数或谱线数为N/2,N是信号收集记载中包括的点数。一切的频点距离为，一般称之为频率分辩率或FFT分辩率:采纳FFT算法进行频谱剖析，要求采样点数满意N=2″，采样频率满意采样定理，即fs>fm（fm为信号的最大频率重量）。对无限长接连信号x（t）进行有限时刻内的采样就相当于运用矩形窗进行切断, 切断后变成有限长的离散时刻序列 ,就有或许呈现栅栏效应和走漏现象。这儿n=0、1、2、3、…、n-1,截取长度tp=NT,T为采样距离。为了防止栅门效应，有必要使截取长度是信号频率的整数倍。为了按捺快速傅里叶改换中的走漏效应，挑选合适的窗函数对数据进行加权。本体系选用九种窗函数—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。其间矩形窗主瓣窄，旁瓣大，频率辨认精度最高，幅值辨认精度最低;布莱克曼窗主瓣宽，旁瓣小，频率辨认精度最低，但幅值辨认精度最高。要依据信号剖析的不同要求来挑选不同的窗。
4. 试验测验体系
　　固体火箭发动机的参数测验，首要经过发动机内部高压强，高燃速固体推进剂焚烧时，运用传感器对其进行信号收集，然后经过剖析来得到参数。其间虚拟仪器测验体系首要由信号收集、信号剖析与处理、成果输出和显现三部分组成。信号收集依托硬件体系完结，而信号剖析与处理、成果输出和显现首要由软件体系完结。
5. 试验测验体系硬件规划剖析
　　为了满意精度需求，完结给定使命，依照虚拟仪器的根本结构方法规划了固体火箭发动机参数测验体系。体系硬件结构框图如图2所示。

图2 试验测验体系硬件结构框图
　　传感器是本试验体系的一个中心器材。本试验首要特色是压强改变率较高，在几十毫秒的时刻内，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。试验选用能够分辩毫秒级的信号改变、频响规模在0～5kH:的压强传感器。从该传感器传出的电信号幅值较低，简单遭到环境的噪声搅扰，因而首要应对信号进行调制、滤波、扩大处理，然后经A/D转化设备将信号转化为数字信号并传人核算机中，由LabVIEW编制的收集软件进行收集。再经过抗混滤波扩大器的扩大，扩大后的信号一般为高电平，在1～lOV之间，而且信号源离收集端较近，一般不超越4. 5m，因而信号的输人方法可选用单端输人方法。经过收集得到数据能够看出，这种输入方法很号的满意了试验的精度要求。试验运用的PCI6024E数据收集卡，能够直接插入核算机主板的PCI插槽上运用。它的最高采样率为200Kbit/s，具有很强的数据收集功用，能够很好的满意试验的要求。
6. 试验测验体系软件规划剖析
　　虚拟仪器软件体系一般包括两部分，运用程序及I/O接口仪器驱动程序。本虚拟仪器体系选用的数据收集卡PCI6024E,LabVIEW环境供给了DAQ板卡的驱动程序。
　　本试验所规划的软件前面板如图3所示，软件首要完结信号的收集、剖析和处理、数据文件的存储、读取等功用，首要分为三大模块。

图3 测验软件前面板
　　6.1标定模块
　　标定模块首要完结压强传感器的标定进程。得到压强与电压的转化联系。经过传感器的标定后，收集的信号将能够自行的依据标定所得的压强-电压联系进行转化。关于传统的数据收集设备，是把收集软件得到的信号经过扩大和处理，进行存储，然后运用其他的数学软件依照事前得到的标定方程进行再次转化。本文所述的虚拟仪器体系将这两个进程合二为一使得收集得到的数据直接以压强时刻的联系显现出来。标定模块前面板如图4所示。
　　在标定栏中，经过设定测验点个数，能够完结传感器的标定，并将数值存储，以表进行显现。本软件对收集出来的测验点数据能够挑选三种拟合类型，有线性拟合，指数拟合及多项式拟合。其间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 ，其间P代表压强，a0，a1，a2为拟合出的多项式系数，U代表电压。标定完结则进入数据的收集进程。

图4 软件标定模块前面板
　　6.2信号收集及处理模块
　　6.2.1信号收集模块
　　信号收集及处理模块是此软件体系的中心，能够对外界信号实时地进行以示波器的方法显现，能够将信号收集并进行处理及剖析等。经过模块的示波器功用能够先对整个体系进行初始的校验。当体系衔接正确，信号经过收集卡输人核算机时，初始的信号在进行压强转化前处于零值邻近，以示波器的方法显现为转化后的值，即标定方程中的a0值邻近。经过起浮的巨细能够看出外界的搅扰状况，以决议是否适合进行试验。收集得到的电压信号将主动依据标定模块中所挑选的拟合公式进行转化，然后直接在软件界面上图形框中显现出压强-时刻曲线图，在数组框中显现压强值，并能够对压强值进行保存。
　　在信号处理功用上，本软件对收集的信号能够进行滤波处理，Labview环境供给了数字滤波器能够很便利的完结这一功用。关于该试验体系，收集的数据量很大。当定容焚烧器内推进剂试样焚烧时，焚烧器内的压强将急剧升高，为了能够很好的收集并显现试样焚烧进程的压强改变进程，本收集体系的采样率要求很高，可达20K，为了能够将焚烧器内压强的整个改变进程，收集时刻将设为5s以上，则收集点数将到达100K，为能实在的反响信号的改变，本虚拟仪器的收集模块可设置为运用LabVIEW供给的高速磁盘流技能，收集到的数据将首要实时地记载到核算机硬盘上，当收集进程完毕后，经进程序流程，再主动的将数据进行回放、显现及剖析。
　　6.2.2信号处理模块
　　依据本试验意图，规划了合理的数据处理模块。在该模块中，对收集的原始数据曲线进行滑润处理，依据最小二乘原理，选用了五点三次滑润公式。从而运用Labview的曲线拟合等功用函数，完结所需使命，并使得数据具有很好的图形显现、报表、打印、贮存等功用。在数据处理方面，假如所完结的使命较为杂乱，还能够经过与C言语的接口，调用C言语编写的程序，完结数据的杂乱处理使命。
7. 定论
　　以PC机为主控单元、Labview为开发渠道的固体推进剂燃速测验体系充分发挥了虚拟
　　技能的优势，使体系具有优秀的人机交流界面，操作简洁，功用完善，可扩展性强等特色。体系将传感器的标定和收集功用集于一体，使收集到的数据能够依据在标定模块中得到的标定方程式进行主动转化，一次完结。
　　本文作者立异点：运用虚拟仪器技能将火箭发动机参数测验进程软件化，程序不只能够完结数据的丈量和图形显现，而且能够对数据进行剖析和处理以及打印等功用，为固体火箭发动机的参数测验供给了比较完善的测验手法。