加速度计是惯性导航系统中的重要敏感元件,在高精度船用导航系统及陆用定位定向系统中,其性能好坏起着关键性的作用,为此需对加速度计进行严格的测试和筛选[1]。到目前为止,许多加速度计的检测仍然采用人工方法,由多人负责一套测试台,测试数据也由人工读取并记录,这种方法效率低,并且容易出错,在大批量加速度计的检测过程中的弊端日益明显。而把计算机总线通讯技术、模块化设计技术、组态软件技术和抗干扰技术等相结合,开发出一个实用、高效的自动化测试系统,直接对被测参数进行读取和处理,可以大大提高测试效率,减少出现错误的概率,特别适合大批量加速度计生产过程中的检测。
1系统测试原理
数字加速度计多通道测试系统要求一次老炼几十台加速度计。假设每次老炼80台加速度计。系统测试原理框图如图1所示,上位机控制两台PLC,其中PLC1控制第一组继电器实现对80台加速度计的供电控制, PLC2控制第二组继电器实现对加速度计输出信号的切换,每次切换的加速度计信号通过采集卡采入上位机,上位机对数据进行处理后,按照固定格式生成测试报告[2]。
2系统设计过程及方案
加速度计老炼实验要求每天老炼10个小时,重复20天,在老炼的过程中要检测加速度计通电后第5秒,第10秒、第1分钟以及第2, 4, 6, 8, 10小时两路输出的波形和频率,对有问题的产品要断电进行返修。
加速度计的供电电压为12 V,输出的信号特性是幅值为5V的TTL方波电频,频率在470~880Hz之间,一旦产品的姿态固定,其输出频率和幅值应基本保持不变,一旦有±1 Hz的变化,该产品将视为故障,应进行返修,同时,当第1分钟内检测到幅值超出4. 5~5. 5 V的范围,也将视为产品故障,需返修。同时检测的数据应具有自动存档的功能,以便后查[3, 4]。
为达到老炼的要求,同时将软、硬件成本降到最低,拟采用计算机循环控制上电,循环控制采集加速度及输出的方案对80台加速度计进行测试,其实现过程如下。
阶梯形上电检测:系统要求测试刚一上电时的频率,观察刚一上电时的波形,并且要检测刚上电到出现信号的延时时间,若此时间大于5秒,则说明它是不合格的,而且加速度计刚上电后1分钟内的参数最重要,必须检测。但是,如果同时给80台加速度计上电检测,必然出现第一台加速度计读数完毕时其他加速度计已经错过了读数的时间,不满足测试的要求。因此,我们必须采用阶梯形上电。自动读取数据:该老炼测试系统要能将测得的频率通过计数器卡读入上位机。
自动数据比较:上位机对读入的两路频率的数值能进行处理判断,若两者之间的误差绝对值大于1Hz,则说明此加速度计不合格;只要有一路没有频率信号,则说明此加速度计不合格;若10小时内同一加速度计的频率漂移达到2 Hz,则也说明此加速度计不合格。
自动排除不合格品:如果出现了上述任何一种情况,软件能自动将该路加速度计的电源和测试线路全部断开,以免浪费资源或造成故障。
自动记录:系统要能将整个测试过程完全记录下来,并生成表格。记录内容包括测试编号,产品编号(人工填写),测试的时间点以及对应这些时间点的参数,最后还能对是否合格做出判断。
重复性的判断:因为每天只测试10个小时,一共得重复20次,对这20次的重复性要能进行判断,20次的重复误差不得大于2Hz。
参数可设:因为所有的设定参数都不是固定的,因此在软件界面上要能人工设定。它包括延时时间、同一加速度计的两路频率间的一致性误差, 20次重复检测的一致性误差等。
自动关闭系统:因为测试的时间累计约12个小时,已经超过了一个工作日的时间,因此需设定自动关闭系统的功能,以免超时工作带来故障。
本系统采用计算机、数字检测、现代通讯、数据库、网络等相关技术,可对产品严格按照检验规程进行自动化在线检测。系统采用数据库存储和管理检测数据,具备历史数据的后台检索、查询、打印和共享。
上位机采用组态软件编写一套运行于W indows2000或W indowsXP操作系统下的和PLC通信的程序,要求用户界面友好,操作简单,功能强大,并具有存储功能。
该系统软件直接进行数据采集,提高了系统的实时性,其关键是要解决上位机和PLC的通讯问题,因为测试过程的所有指令均由上位机发出,而且数据的读取也是由上位机直接读取。
此系统的工作步骤如下。
①上位机给出指令,PLC开始启动,给第一台加速度计上电;
②延时,将第一台加速度计的信号切换至示波器和频率计,同时上位机开始计时;
③人工察看示波器上的波形,上位机读取第一台加速度计的两路频率,并察看计时时间是否大于5秒,若大于,则通知PLC以后此路不用再动作,若不大于,则继续测第5秒、第10秒、第1分钟时的参数。对读入的两路频率进行处理并记录下所有的数据填入表格;
④上位机给出指令,PLC动作,给第二台加速度计上电,延时,将第二台加速度计的信号切换至示波器和频率计,同时上位机开始计时;
⑤人工察看示波器上的波形,上位机读取第二台加速度计的两路频率,并察看计时时间是否大于5秒,若大于,则通知PLC以后此路不用再动作,若不大于,则继续测第5秒、第10秒、第1分钟时的参数。对读入的两路频率进行处理并记录下所有的数据;
⑥对80个加速度计依次检测其前一分钟的3个时间点的信号;
⑦120分钟时,上位机给出指令, PLC动作,上位机读取第一台加速度计的两路频率;
⑧1分钟后,PLC动作,上位机读取第二台加速度计的两路频率;
⑨依此循环下去,当第一台够10小时后,将它的电源和测试通路切断, 1分钟后断第二台,以此类推;
⑩当第80个测够10个小时后,就将系统的总电源切断,完成测试。
3测试系统抗干扰措施
由于多台电源共用,对接地的要求很高,从加速度计的输出端会引入干扰信号,烧坏产品,所以要设计相应的隔离电路,将产品信号输出和输出继电器之间进行隔离。
本系统采用100 MHz光电隔离电路如图2所示。
4总结
本系统通过实际测试,实现了加速度计的多通道自动化测试,系统性能良好,具有以下优点:
①实现了自动化测试,减少了劳动强度,避免了人工操作所引起的测试误差,可靠性高,稳定性好;
②使用组态软件进行程序设计,抽象易懂,编写起来简单快捷,可以大量节省编写语句的时间,同时回避了在程序编写过程中出现BUG的风险;
③大量采用模块化设计,大大减少了由设计基础电路带来的不可靠性;
④信号的产生、输出,直到读入上位机,过程非常清楚,能够避免通讯出现错误的可能;
⑤数据处理快,节省了测试时间,数据以报表形式输出,易读易懂。
本系统使用简单,操作方便,控制精度很高,是一种自动化程度很高的加速度计测试系统。
参考文献:
[1]吴明强,喻克永.加速度计智能化检测系统设计研究[J].中国惯性技术学报, 1996, 4(2): 27-32
[2]莫太平,李 智,蒋艳红.基于GPIB总线的加速度计测试系统的研究[J].广西工学院学报,2003, 14(3): 33-36
[3]苏 中.石英数字加速度计技术研究[J].仪表技术与传感器, 1996(12): 19-22
[4]苏 中,高晶敏,路峻岭. BK14-2型压电石英加速度计的研究[ J].中国惯性技术学报,1998, 6(4): 43-50
作者简介:宋钒繁(1978-),女,吉林怀德人,北京信息科技大学自动化学院硕士研究生,主要从事控制理论与控制工程研究。
