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申请/专利权人：上海精密计量测试研究所;上海航天信息研究所

摘要：本发明的基于多参数测试校准的虚拟仪器系统包括传感器、信号调理与采集模块、PC机和测试校准系统软件；信号调理与采集模块是采用SCExpress模块；测试校准系统软件采用模块化结构设计：针对SCExpress模块包含的板卡，对每个板卡分别设计该板卡对应的测试功能模块和校准功能模块；针对SCExpress模块包含的板卡，各板卡测试和校准结果显示中可共用的功能部分采用一个功能模块，每个板卡测试和校准结果显示中特殊功能部分分别设计特殊显示功能模块；各功能模块之间相对独立，增加或删减任意模块不影响系统总体性能。本发明采用PXI先进总线架构，将诸多物理参数的测试功能集而合之，采用模块化层次结构设计，使得系统软硬件可扩展、可裁剪、可重用。

主权项：1.基于多参数测试校准的虚拟仪器系统，其特征在于，包括传感器、信号调理与采集模块、PC机和测试校准系统软件；所述传感器安装在被测对象上；所述信号调理与采集模块与所述传感器连接；所述PC机与所述信号调理与采集模块连接；所述测试校准系统软件装载于所述PC机中；所述信号调理与采集模块是采用SCExpress模块；所述测试校准系统软件采用模块化结构设计：针对SCExpress模块包含的板卡，对每个板卡分别设计该板卡对应的测试功能模块和校准功能模块；针对SCExpress模块包含的板卡，各板卡测试和校准结果显示中可共用的功能部分采用一个显示共用功能模块，每个板卡测试和校准结果显示中特殊功能部分分别设计特殊显示功能模块；各功能模块之间相对独立，每个功能模块单独进行设计、开发、调试、修改和存储。

全文数据：基于多参数测试校准的虚拟仪器系统技术领域本发明涉及仪器测试校准领域，具体涉及一种基于多参数测试校准的虚拟仪器系统。背景技术综合参数试验广泛应用于航空航天、国防、电子、工业自动化等领域，其测量可靠性直接影响结构、设备、产品的质量。综合参数试验能够在产品开发早期及时发现产品的设计缺陷和薄弱环节，从而帮助改善产品的可靠性。以往常用的综合参数测量手段是将试验设备安装到测试现场进行测试校准。由于测量的参数多、测量现场的分布面广，测试人员需要携带多种测试设备，如：电荷放大器、电压表、示波器、多通道测振仪、失真度测量仪、数据记录仪、秒表等，这给现场检定校准带来了很大的不便。后来采用了数字化的频率计、动态信号分析仪，但这些仪器主要依赖于进口，费用较高，加工工艺复杂，国产化进程较落后，并且自动化程度不高，使用受到了限制。目前测量仪器正在向虚拟仪器技术方向发展。虚拟仪器技术主要是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。设计者只需借助计算机平台，根据需求自行设计仪器的各项功能，使得用户仿佛在操作一台他自己设计的测试仪器一样。虚拟仪器主要取代了传统仪器仪表的操作和显示部分，并用成本较低的传感器替代仪表的物理探头部分，将仪表的操作按键以及测量数据统一显示在可视化的用户界面上以便于用户操作和观察。CN102539266A公开了一种疲劳试验机计量标定虚拟仪器及疲劳试验计量标定方法，CN105318909A公开了一种大型振动台系统健康监测装置，CN1021251556A公开了正弦信号四参数检测方法和虚拟仪器信号检测装置。这些技术都逐渐将虚拟仪器技术结合到实际的参数测量、标定及校准试验中，但大都仅针对于某一项或几项参数，应用场景相对局限。对于综合参数试验的测试与校准，因其测量对象的复杂性以及用户需求的多样化，当前的虚拟仪器技术已经不能完全满足用户的需求，主要表现为：首先，虚拟仪器系统只包含测试功能，缺少对仪器和使用者的管理；其次，这些系统都是在用户需求确定之后，经过开发人员定向开发的，一旦有新的需求和新的任务时，开发人员需要花费大量的时间进行需求分析、系统设计、代码编写、模块调试，导致大量人力物力的浪费；最后，综合参数试验系统通常包含多参数的测试校准，当用户只需要其中若干个参数的试验时，采用固定式综合测试仪器不但会造成软件系统的冗余，也给用户带来经济上的浪费。发明内容本发明的目的在于提供一种基于多参数测试校准的虚拟仪器系统，使用灵活。为了达到上述的目的，本发明提供一种基于多参数测试校准的虚拟仪器系统，其特征在于，包括传感器、信号调理与采集模块、PC机和测试校准系统软件；所述传感器安装在被测对象上；所述信号调理与采集模块与所述传感器连接；所述PC机与所述信号调理与采集模块连接；所述测试校准系统软件装载于所述PC机中；所述信号调理与采集模块是采用SCExpress模块；所述测试校准系统软件采用模块化结构设计：针对SCExpress模块包含的板卡，对每个板卡分别设计该板卡对应的测试功能模块和校准功能模块；针对SCExpress模块包含的板卡，各板卡测试和校准结果显示中可共用的功能部分采用一个功能模块，每个板卡测试和校准结果显示中特殊功能部分分别设计特殊显示功能模块；各功能模块之间相对独立，增加或删减任意模块不影响系统总体性能。所述测试校准系统软件中每个功能模块单独进行设计、开发、调试、修改和存储；模块间的接口协议采用标准化设计；所述测试校准系统软件遵循CS体系架构；所述测试校准系统软件中包括对用户的访问管理。与现有技术相比，本发明的有益技术效果是：本发明采用PXI先进总线架构，将诸多物理参数的测试功能集而合之，形成智能统一的测试仪器组合，具有小型便携的优点；采用模块化层次结构设计，使得系统软硬件可扩展、可裁剪、可重用，能满足不同任务不同用户的各项需求，降低了二次开发的时间和经济成本；本发明增加了用户管理系统，增强了系统的安全性和保密性。附图说明本发明的基于多参数测试校准的虚拟仪器系统由以下的实施例及附图给出。图1为本发明硬件实施方案图。图2为本发明测试校准系统软件模块化结构设计示意图。图3为本发明软件结构分层图。图4为本发明数字式电动振动台实施方案图。图5为本发明数字式电动振动台实施方案中传感器安装俯视图。图6为本发明冲击响应谱试验台实施方案图。具体实施方式以下将结合图1～图6对本发明的基于多参数测试校准的虚拟仪器系统作进一步的详细描述。本发明的基于多参数测试校准的虚拟仪器系统包括传感器、信号调理与采集模块、PC机和测试校准系统软件；所述传感器安装在被测对象上，用于测量各参数；所述信号调理与采集模块与所述传感器连接；所述PC机与所述信号调理与采集模块连接；所述测试校准系统软件装载于所述PC机中，用于各参数测试、校准及测试校准显示。所述传感器包括加速度计、力传感器、扭矩传感器、压力传感器、称重传感器、铂电阻、湿度传感器、位移传感器和角度编码器；所述加速度计包括电荷输出型单轴加速度计、电压输出型单轴加速度计、电压输出型三轴加速度计以及电荷输出型冲击加速度计；所述力传感器包括应变式力传感器和压电式力传感器，所述压力传感器包括应变式压力传感器和压电式压力传感器。所述信号调理与采集模块是采用SCExpress模块。SCExpress模块是搭建在工业标准的PXI平台上，专门针对特定的传感器类型进行优化设计，集数据采集和信号调理功能于一体的模块。如图1所示，SCExpress模块包括NIPXIe-4480板卡、NIPXIe-4492板卡、NIPXIe-4331板卡、NIPXIe-4357板卡、NIPXIe-4303板卡和NIPXIe-6614板卡。每种板卡针对特定的传感器类型进行优化设计，集数据采集和信号调理功能于一体。NIPXIe-4480板卡，用于对压电传感器输出电荷测量信号进行调理采集，压电式加速度计输出电荷可用于振动、冲击测试，压电式力传感器输出电荷用于动态力测试，压电式压力传感器输出电荷可用于动态压力测试；NIPXIe-4492板卡，用于对压电传感器输出电压测量信号进行调理采集，压电式加速度计输出电压可用于振动、冲击测试，应变式力传感器输出电压用于静态力测试，应变式压力传感器输出电压可用于压力测试；NIPXIe-4331板卡，用于对各种应变式传感器测量信号进行调理采集，并对应变式传感器提供电压激励；NIPXIe-4357板卡，用于对热阻传感器测量信号进行调理采集，并对热阻传感器提供恒流激励；NIPXIe-4303板卡，用于对位移传感器、湿度变送器等测量信号进行调理采集；NIPXIe-6614板卡，用于对角度编码器测量信号进行调理采集。根据任务需求配置传感器和所述信号调理与采集模块包含的板卡，使得本发明的基于多参数测试校准的虚拟仪器系统使用灵活，若只需部分参数试验，只需配置相应传感器及板卡，一旦有新的需求，只需增加相应传感器及板卡即可立即适应新的需求。所述PC机包括PXI机箱、内嵌控制器和显示屏；所述内嵌控制器嵌在所述PXI机箱内，所述SCExpress模块插装在所述PXI机箱上，通过PXI机箱实现内嵌控制器与SCExpress模块板卡的连接；所述显示屏通过电缆线实现与内嵌控制器的连接。所述内嵌控制器集成双核coreI5处理器，4G内存，250G硬盘，预装64位WIN7操作系统；所述内嵌控制器完成整个系统的控制任务，测试校准系统软件装载于内嵌控制器预装的WIN7操作系统内。较优地，所述PXI机箱选用NI公司的PXIe-1082机箱。PXIe-1082机箱具备8个插槽，其中4个混合插槽，3个PXIExpress插槽，1个PXIExpress系统定时插槽。所述内嵌控制器选用NI公司的PXIe-8840嵌入式控制器。所述测试校准系统软件采用模块化结构设计：本发明的基于多参数测试校准的虚拟仪器系统用于多参数测试、校准，针对SCExpress模块包含的板卡，对每个板卡分别设计该板卡对应的测试功能模块和校准功能模块；本发明的基于多参数测试校准的虚拟仪器系统还用于实时显示测试和校准的结果，针对SCExpress模块包含的板卡，各板卡测试和校准结果显示中可共用的功能部分采用一个功能模块显示共用功能模块，每个板卡测试和校准结果显示中特殊功能部分分别设计特殊显示功能模块，如图2所示。各功能模块之间相对独立，每个功能模块可单独进行设计、开发、调试、修改和存储，便于由不同的设计人员进行独立开发；模块间的接口协议采用标准化设计，易于实现模块间的互换，从而使模块满足更大数量的不同产品的需要；软件遵循CS体系架构，便于后期功能扩展；软件中包括对用户的访问管理，以增强系统的保密性和安全性。针对不同板卡设计该板卡专属的测试功能模块和校准功能模块，且各功能模块之间相对独立，这样可根据任务需求配置功能模块，且可灵活地增加或裁剪功能模块，满足不断变化的参数试验任务。如图3所示，所述测试校准系统软件体系架构设计采用分层式结构，共分为四层，自下而上为采集层、管理层、应用层和数据层，各层相互独立、彼此提供服务与接收服务。所述测试校准系统软件可对以下系统的静动态特性进行测试、校准：电动振动系统、碰撞试验台、冲击试验台、材料试验机、冲击响应谱试验台、隔振平台、一般振动系统、一般冲击系统、三轴振动系统、温湿度场、温度湿度振动试验系统等。所述测试校准系统软件可进行以下项目的测试与校准：波形允差校准、速度变化量校准、频率示值误差、正弦信号失真度校准、动态范围校准、随机信号检验、加速度信噪比、加速度幅值稳定性校准、正弦推力校准、随机推力校准、频率响应特性校准、台面横向振动比、台面幅值均匀度、台面谐波失真度、台面加速度示值误差、加速度总均方根误差、加速度功率谱密度示值校准、扫频定振精度、加速度总均方根控制精度校准、加速度功率谱密度控制精度校准、正弦加宽带随机振动加速度总均方根示值校准、正弦加宽带随机振动幅值示值校准、正弦加宽带随机振动功率谱密度校准、窄带随机加宽带随机振动加速度总均方根示值校准、窄带随机加宽带随机振动幅值示值校准、窄带随机加宽带随机振动功率谱密度校准、温度校准、湿度校准、隔振平台固有频率测试、幅值相位误差测试、位置误差测试、均匀度测试、谐波失真度测试、一般冲击测试、一般振动测试、多分量力测试、位移测量、角度测量等。所述测试校准系统软件所包含的信号处理方法包括：自功率谱、互功率谱、自相关谱、互相关谱、概率分布、概率密度、冲击响应谱、FRF幅值谱、FRF相位谱、FRF相干度、FRF奈斯奎特以及功率谱密度分析等。现以具体实施例详细说明本发明的基于多参数测试校准的虚拟仪器系统。实施例1：如图4所示，本实施例的基于多参数测试校准的虚拟仪器系统包括PXIe-1082机箱1、嵌入在机箱内的PXIe-8840嵌入式控制器2、插在机箱内的PXIe-4492板卡3、安装于数字式电动振动台5被测对象上的测量加速度计7和显示器4；测量加速度计7安装在数字式电动振动台5台面中心，测量加速度计7与PXIe-4492板卡3用电缆线连接。数字式电动振动台5上还安装有控制加速度计6，控制加速度计6与振动台控制器8连接，由振动台控制器8控制数字式电动振动台5运动。通过显示器4b进入测试校准系统软件操作界面，选择板卡类型：PXIe-4492，设置对应的仪器初始化配置，试验项目选为“台面加速度幅值示值误差”。选取高中低三个频率值，在所选频率值下取大、中、小三个振动幅值进行测量。如图5所示，五个加速度计刚性连接在数字式电动振动台5台面中心和不同直径的圆周上，其中，一个加速度计11位于台面9中心位置，两个加速度计12位于耳轴10轴线上，两个加速度计13位于垂直耳轴10轴线上。五个加速度计都与PXIe-4492板卡3用电缆线连接。试验项目为“台面加速度幅值示值误差”，加载五个传感器采集通道。在试验工作频率范围内，按倍频程至少选取10个频率值包括上、下限频率值及相应频率下最大振动幅值的50％进行测量可根据任务需要添加其他试验项目，如“频率响应特性校准”、“台面横向振动比”、“台面谐波失真度”、“台面加速度示值误差”、“加速度总均方根误差”等，根据相应配置完成各项试验目的。实施例2如图6所示，本实施例的基于多参数测试校准的虚拟仪器系统包括PXIe-1082机箱1b、嵌入在机箱内的PXIe-8840嵌入式控制器2b、插在机箱内的PXIe-4480板卡3b、安装于冲击响应谱试验台14上的测量冲击传感器16、显示器4b，测量冲击传感器16与PXIe-4480板卡3b用电缆线连接。冲击响应谱试验台14被测对象上还安装有控制冲击传感器15，控制冲击传感器15与冲击响应谱试验台控制器17用电缆线连接，冲击响应谱试验台14上方设置摆锤18，冲击响应谱试验台控制器17与冲击响应谱试验台14连接。通过显示器4b进入测试校准系统软件操作界面，选择板卡类型：PXIe-4480，设置对应的仪器初始化配置，设置采样触发信号通道及触发信号幅值。试验时，升起摆锤18产生势能，然后放下摆锤18使其撞击冲击响应谱试验台14台面端面。按照试验要求设置好冲击响应谱试验台参数，待落锤后采集瞬态冲击时域信号并计算冲击响应谱。在冲击响应谱分析过程中，设置谱起始频率和截止频率，倍频程和阻尼比的选择，加速度信号类型，冲击响应谱包括最大谱、剩余谱、初始谱、绝对谱和相对谱，共六种选择。添加完成谱分析，在系统主界面显示冲击时间信号和冲击响应谱的波形图。本发明的基于多参数测试校准的虚拟仪器系统实现一种通用化、模块化、一体化、智能化的高性能多参数数据采集、分析、处理系统，系统具备位移、速度、加速度、力、扭矩、压力、温度、湿度等运动参数、力学参数、环境参数的静动态测试能力，能实现振动与冲击等力学环境试验设备、温湿度环境试验设备、材料试验设备等现场校准；系统具有高内聚、低耦合、可裁剪、可扩展、可重用等特征，在面临新的测试任务时，已经购买的测试仪器模块通过重新配置即可完成通道扩展、功能增加等，构成新的测试系统，满足不断变化的测试任务和非标准测试任务。

权利要求：1.基于多参数测试校准的虚拟仪器系统，其特征在于，包括传感器、信号调理与采集模块、PC机和测试校准系统软件；所述传感器安装在被测对象上；所述信号调理与采集模块与所述传感器连接；所述PC机与所述信号调理与采集模块连接；所述测试校准系统软件装载于所述PC机中；所述信号调理与采集模块是采用SCExpress模块；所述测试校准系统软件采用模块化结构设计：针对SCExpress模块包含的板卡，对每个板卡分别设计该板卡对应的测试功能模块和校准功能模块；针对SCExpress模块包含的板卡，各板卡测试和校准结果显示中可共用的功能部分采用一个功能模块，每个板卡测试和校准结果显示中特殊功能部分分别设计特殊显示功能模块；各功能模块之间相对独立。2.如权利要求1所述的基于多参数测试校准的虚拟仪器系统，其特征在于，所述测试校准系统软件中每个功能模块单独进行设计、开发、调试、修改和存储；模块间接口协议采用标准化设计；所述测试校准系统软件遵循CS体系架构；所述测试校准系统软件中包括对用户的访问管理。3.如权利要求1所述的基于多参数测试校准的虚拟仪器系统，其特征在于，所述传感器包括加速度计、力传感器、扭矩传感器、压力传感器、称重传感器、铂电阻、湿度传感器、位移传感器和角度编码器；所述加速度计包括电荷输出型单轴加速度计、电压输出型单轴加速度计、电压输出型三轴加速度计以及电荷输出型冲击加速度计；所述力传感器包括应变式力传感器和压电式力传感器。4.如权利要求1所述的基于多参数测试校准的虚拟仪器系统，其特征在于，所述SCExpress模块包括NIPXIe-4480板卡、NIPXIe-4492板卡、NIPXIe-4331板卡、NIPXIe-4357板卡、NIPXIe-4303板卡和NIPXIe-6614板卡。5.如权利要求1所述的基于多参数测试校准的虚拟仪器系统，其特征在于，所述PC机包括PXI机箱、内嵌控制器和显示屏；所述内嵌控制器嵌在所述PXI机箱内，所述SCExpress模块插装在所述PXI机箱上，通过PXI机箱实现内嵌控制器与SCExpress模块的连接；所述显示屏通过电缆线实现与内嵌控制器的连接。6.如权利要求1所述的基于多参数测试校准的虚拟仪器系统，其特征在于，所述虚拟仪器系统用于以下系统的静动态特性进行测试、校准：电动振动系统、碰撞试验台、冲击试验台、材料试验机、冲击响应谱试验台、隔振平台、一般振动系统、一般冲击系统、三轴振动系统、温湿度场、温度湿度振动试验系统。7.如权利要求1所述的基于多参数测试校准的虚拟仪器系统，其特征在于，所述虚拟仪器系统用于以下项目的测试与校准：波形允差校准、速度变化量校准、频率示值误差、正弦信号失真度校准、动态范围校准、随机信号检验、加速度信噪比、加速度幅值稳定性校准、正弦推力校准、随机推力校准、频率响应特性校准、台面横向振动比、台面幅值均匀度、台面谐波失真度、台面加速度示值误差、加速度总均方根误差、加速度功率谱密度示值校准、扫频定振精度、加速度总均方根控制精度校准、加速度功率谱密度控制精度校准、正弦加宽带随机振动加速度总均方根示值校准、正弦加宽带随机振动幅值示值校准、正弦加宽带随机振动功率谱密度校准、窄带随机加宽带随机振动加速度总均方根示值校准、窄带随机加宽带随机振动幅值示值校准、窄带随机加宽带随机振动功率谱密度校准、温度校准、湿度校准、隔振平台固有频率测试、幅值相位误差测试、位置误差测试、均匀度测试、谐波失真度测试、冲击测试、振动测试、多分量力测试、位移测量、角度测量。8.如权利要求1所述的基于多参数测试校准的虚拟仪器系统，其特征在于，所述测试校准系统软件所包含的信号处理方法包括：自功率谱、互功率谱、自相关谱、互相关谱、概率分布、概率密度、冲击响应谱、FRF幅值谱、FRF相位谱、FRF相干度、FRF奈斯奎特以及功率谱密度分析。

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