脈沖爆震發(fā)動機智能測試系統(tǒng)的研制

1.引言

　　在對大規(guī)模、自動化、智能化測控系統(tǒng)迫切需求的形勢下，計算機技術(shù)、儀器技術(shù)和通信技術(shù)的結(jié)合開創(chuàng)了儀器儀表新的里程碑—虛擬儀器技術(shù)。虛擬儀器就是依托計算機強大的數(shù)據(jù)處理功能和豐富的圖形顯示能力，結(jié)合良好的虛擬儀器軟件平臺來實現(xiàn)傳統(tǒng)儀器中的各種硬件功能。其優(yōu)勢在于用戶可以自行定義自己專用的儀器系統(tǒng)，且功能靈活、構(gòu)建容易、便于升級，從某種意義上說，“軟件就是以儀器”。

　　本文以PC機和多功能數(shù)據(jù)采集卡硬件平臺為基礎(chǔ), 利用LabWindows/CVI和MATLAB軟件為開發(fā)工具, 開發(fā)了基于虛擬儀器技術(shù)和激光診斷技術(shù)的脈沖爆震發(fā)動機智能化測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實時監(jiān)測脈沖爆震發(fā)動機的溫度、壓力以及各種燃燒產(chǎn)物組分濃度等，有效解決了傳統(tǒng)測量方法的不足。

2.測試系統(tǒng)簡述

　　2.1 脈沖爆震發(fā)動機及光學診斷技術(shù)簡介

　　脈沖爆震發(fā)動機（簡稱PDE）是一種利用間歇式或脈沖式爆震波產(chǎn)生的高溫高壓燃氣來產(chǎn)生推力的全新概念的動力裝置。PDE具有循環(huán)熱效率高、燃料消耗率低、結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、推重比高、比沖大、推力可調(diào)等優(yōu)點，成為當今發(fā)動機領(lǐng)域一大研究熱點[1～3]。脈沖爆震燃燒是一種非穩(wěn)態(tài)燃燒，燃燒室中的壓力、溫度、燃燒產(chǎn)物及組分濃度等參數(shù)高頻變化，快速、準確地獲取燃燒室內(nèi)參數(shù)的變化規(guī)律對研究脈沖爆震發(fā)動機非常重要。

　　光學診斷技術(shù)（光吸收/高溫輻射組合法）是一種快速、非接觸測量方法，對測量對象的擾動小，特別適合于脈沖爆震發(fā)動機各參數(shù)的測量。激光二極管與光敏二極管對稱地放置于待測發(fā)動機兩側(cè)（在PDE兩側(cè)開石英窗），當無激光進入探測器時，探測器接收到的是高溫火焰的輻射能;當有激光進入探測器時，探測器接收到的能量由透射的激光能量和高溫火焰輻射的紅外能量這兩部分疊加組成。然后結(jié)合普朗克黑體輻射定律及基爾霍夫定律可以得到燃氣的溫度。將入射激光束調(diào)制成按一定頻率開關(guān)，從而將上述光輻射和光吸收方式組合在一起。另外由于激光具有強度高、準直性好、帶寬窄等優(yōu)點，能進行分辨率非常高的吸收光譜的測量，結(jié)合Beer-Lambert定律，根據(jù)窄帶光通過長度為L的均勻介質(zhì)后的透射量與入射量的關(guān)系，由測得的吸收譜，可得兩路光譜吸收系數(shù)之比，即可求得相應(yīng)的溫度，再由溫度和光譜吸收系數(shù)可求得各燃燒產(chǎn)物的濃度[1～3]。

　　2.2 測試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

　　基于上述原理，為PDE模型機所研制的多參數(shù)測量系統(tǒng)主要由半導體激光器（脈沖調(diào)制輸出）、光學傳感器、壓電傳感器、信號調(diào)理電路、多功能數(shù)據(jù)采集卡、計算機以及相關(guān)軟件組成。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 測試系統(tǒng)框圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　3.1 光電接收電路

　　光電接收電路是PDE測試系統(tǒng)中一個重要的環(huán)節(jié)。光電接收電路由光電轉(zhuǎn)換器件和信號調(diào)理電路組成，它的性能的好壞對測量結(jié)果有重要的影響。由于光電二極管光電流很小，接收的調(diào)制光的頻率較高，因而在電路設(shè)計時必須考慮高增益、低噪聲及帶寬的要求。設(shè)計的電路由前置放大（兼I/V變換）、推動放大及功率放大電路三部分組成。運算放大器選用高輸入阻抗、低失調(diào)電流的OPA627以提高信號調(diào)理電路的信噪比及帶寬。

　　3.2 電荷放大器

　　壓電式傳感器輸出的電荷信號比較微弱，不能直接送數(shù)據(jù)采集卡采集，要先用電荷放大器將較弱的電荷信號轉(zhuǎn)化成與數(shù)據(jù)采集卡相匹配的電壓信號。電荷放大器是一種輸出電壓與輸入電荷量成正比的放大器，它的核心是一個具有電容負反饋、且輸入阻抗及高增益的運算放大器。本系統(tǒng)采用YE5850電荷放大器，內(nèi)置帶通濾波器，上下限可調(diào)。

　　3.3 多功能數(shù)據(jù)采集卡

　　采用自制的八通道多功能數(shù)據(jù)采集卡，其模擬輸入信號的動態(tài)范圍為±5V，采樣通過率10MHz，A/D轉(zhuǎn)換分辨率為12bit，提供多種觸發(fā)方式，可以滿足信號波形分析的需要，圖2為多功能數(shù)據(jù)采集卡組成框圖。

　　該電路主要由多路模擬開關(guān)、A/D轉(zhuǎn)換電路、緩存電路、控制電路、控制信號輸出電路及PC總線接口電路組成。PDE內(nèi)各種信號，如壓電傳感器的輸出接 YE5850電荷放大器，光學信號經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換后送到信號調(diào)理電路，轉(zhuǎn)換為與采集卡相匹配的信號，再分別送數(shù)據(jù)采集卡各輸入端，經(jīng)多路選擇開關(guān)，在控制器控制下依次采集并送存儲緩沖器，然后由計算機讀入內(nèi)存并加以處理，輸出處理結(jié)果。同時也可以將采集到的數(shù)據(jù)保存到硬盤，以備日后研究。通過采集卡的控制信號輸出（DO）端可以實現(xiàn)對PDE點火裝置的同步控制。

圖2 數(shù)據(jù)采集卡組成框圖

4. 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　通過對常用虛擬儀器開發(fā)平臺的比較，結(jié)合本系統(tǒng)中采用的是自制數(shù)據(jù)采集卡，故選用LabWindows/CVI為主開發(fā)平臺。LabWindows /CVI是NI公司開發(fā)的基于標準C語言的交互式開發(fā)環(huán)境，具有良好的用戶界面，可方便地對非NI的板卡進行底層操作，同時通過與MATLAB的接口，極大提高編程的效率[4～6]。

　　系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計思想，主要包括用戶界面設(shè)計（儀器軟面板）、數(shù)據(jù)采集與處理、結(jié)果輸出與顯示等。軟件基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

　　4.1 軟件主界面

　　通過LabWindows/CVI提供的用戶界面編輯器，設(shè)計系統(tǒng)操作主界面（儀器軟面板）。用戶界面包括數(shù)據(jù)采集卡參數(shù)設(shè)置;數(shù)據(jù)采集與控制;測量數(shù)據(jù)的分析、處理及保存;結(jié)果的動態(tài)顯示及打印等功能模塊對應(yīng)的按鈕，用戶可以通過主界面上的控制按鈕來實現(xiàn)對各模塊的調(diào)用。圖4為本測量系統(tǒng)的前面板界面。

圖4 系統(tǒng)前面板操作界面

　　4.2 數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理

　　采集前要對采集卡進行設(shè)置，如選擇連續(xù)或單次信號采集，設(shè)置采集通道、加窗方式，還可通過光標移動觀察信號的時域值和頻域值。在觸發(fā)方式上，可以選擇觸發(fā)源及觸發(fā)電平、觸發(fā)沿、觸發(fā)前預(yù)保留點數(shù)等參數(shù)。當用戶啟動數(shù)據(jù)采集卡后，數(shù)據(jù)采集卡將按事先設(shè)置的參數(shù)對送來的各路信號循環(huán)進行采集，并將采集的數(shù)據(jù)讀入內(nèi)存或存入硬盤。在剛開始采集的時候，由于有關(guān)器件的原因，在采集到的前面幾個數(shù)據(jù)質(zhì)量不太好，因此在編程時剔除了前面的8個數(shù)據(jù)。

　　為進一步去除外界干擾而引起的異常數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)平滑、濾波等前期預(yù)處理。LabWindows/CVI內(nèi)附了許多信號處理類函數(shù)，可直接調(diào)用，圖5給出了預(yù)處理前后的波形。

圖5 處理前后的信號

　　4.3 數(shù)據(jù)分析與處理

　　數(shù)據(jù)處理是測量系統(tǒng)的核心，實現(xiàn)對所采集的數(shù)據(jù)進行各種運算、分析與處理，最終得到PDE的壓力、溫度及燃燒產(chǎn)物組分濃度等參數(shù)值。 LabWindows/CVI提供的各種庫函數(shù)可滿足大部分計算要求，但對一些復雜的時域、頻域分析，如小波分析等，編程工作量很大。在設(shè)計數(shù)據(jù)處理軟件時，如果能利用MATLAB提供的各種信號處理工具箱，就可以有效提高編程效率。但是作為一種以解釋方式運行的高級語言，MATLAB的執(zhí)行效率較低。

　　考慮到MATLAB和LabWindows/CVI兩種編程語言都具有良好的開放性，本系統(tǒng)在LabWindows/CVI中共享MATLAB的軟件工具包，以便實現(xiàn)基于最新的信號分析處理技術(shù)的虛擬儀器，從而實現(xiàn)編程環(huán)境既有強大的數(shù)值計算能力又有高的執(zhí)行效率的目的[6]。

　　實現(xiàn)方法是通過LabWindows/CVI和MATLAB之間的接口函數(shù)實現(xiàn)LabWindows/CVI環(huán)境下調(diào)用MATLAB的功能函數(shù)，運行 MATLAB環(huán)境下的程序。上述過程的實質(zhì)就是要在LabWindows/CVI環(huán)境下建立一個數(shù)據(jù)交換的ActiveX服務(wù)控件, 將 LabWindows/CVI平臺的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)組ATLAB環(huán)境，達到調(diào)用MATLAB功能函數(shù)、執(zhí)行MATLAB程序的目的,并將MATLAB的結(jié)果返回。由于DLL文件執(zhí)行速度快，而且可移植性好，方便用戶調(diào)用，因而在具體實施時將ActiveX服務(wù)函數(shù)重新封裝成易于調(diào)用的高層函數(shù)，然后建立這些函數(shù)的DLL文件。系統(tǒng)中較復雜的信號處理如小波分析就是用這種方法實現(xiàn)的，實驗證明這些方法是可行的，而且可以有效縮短系統(tǒng)開發(fā)時間，降低成本。數(shù)據(jù)分析與處理的結(jié)果如各參數(shù)值以及各曲線，可以直接在計算機顯示器上顯示，也可以通過打印機等多種方式輸出。

5. 結(jié)束語

　　本文利用虛擬儀器技術(shù)開發(fā)了脈沖爆震發(fā)動機多參數(shù)智能測試系統(tǒng)，能夠適應(yīng)PDE特定環(huán)境的測試需要，測試結(jié)果可靠。并且整套測試系統(tǒng)成本低、體積小、使用方便、易于修改及升級，體現(xiàn)了虛擬儀器的優(yōu)點。利用LabWindows/CVI和MATLAB各自的特長，將LabWindows/CVI豐富的控件資源和較高的執(zhí)行效率與MATLAB強大的數(shù)據(jù)處理函數(shù)庫相結(jié)合，成功地將信號分析與處理的新技術(shù)在本系統(tǒng)中得到快速應(yīng)用，提高編程的效率和水平，這對實際的工程應(yīng)用具有一定的指導意義。

　　本文作者創(chuàng)新點：作為新一代航空航天飛行器的動力裝置，脈沖爆震發(fā)動機在我國的研制工作剛起步不久，缺少自動化、智能化的測試手段。為加快PDE的研制進程，必須提高測試水平，本文將虛擬技術(shù)引入脈沖爆震發(fā)動機多參數(shù)測試領(lǐng)域，結(jié)合光學診斷技術(shù)，采用自制的高速數(shù)據(jù)采集卡研制了脈沖爆震發(fā)動機智能測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實時采集、處理并顯示測量結(jié)果，并可以對先前的測試數(shù)據(jù)加以處理。另外利用LabWindows/CVI和MATLAB混合編程，使系統(tǒng)開發(fā)周期縮短，且便于升級維護。