脉冲爆震发动机智能测试系统的研制

1.引言

　　在对大规模、自动化、智能化测控系统迫切需求的形势下，计算机技术、仪器技术和通信技术的结合开创了仪器仪表新的里程碑—虚拟仪器技术。虚拟仪器就是依托计算机强大的数据处理功能和丰富的图形显示能力，结合良好的虚拟仪器软件平台来实现传统仪器中的各种硬件功能。其优势在于用户可以自行定义自己专用的仪器系统，且功能灵活、构建容易、便于升级，从某种意义上说，“软件就是以仪器”。

　　本文以PC机和多功能数据采集卡硬件平台为基础, 利用LabWindows/CVI和MATLAB软件为开发工具, 开发了基于虚拟仪器技术和激光诊断技术的脉冲爆震发动机智能化测试系统。该系统可以实时监测脉冲爆震发动机的温度、压力以及各种燃烧产物组分浓度等，有效解决了传统测量方法的不足。

2.测试系统简述

　　2.1 脉冲爆震发动机及光学诊断技术简介

　　脉冲爆震发动机（简称PDE）是一种利用间歇式或脉冲式爆震波产生的高温高压燃气来产生推力的全新概念的动力装置。PDE具有循环热效率高、燃料消耗率低、结构简单、重量轻、推重比高、比冲大、推力可调等优点，成为当今发动机领域一大研究热点[1～3]。脉冲爆震燃烧是一种非稳态燃烧，燃烧室中的压力、温度、燃烧产物及组分浓度等参数高频变化，快速、准确地获取燃烧室内参数的变化规律对研究脉冲爆震发动机非常重要。

　　光学诊断技术（光吸收/高温辐射组合法）是一种快速、非接触测量方法，对测量对象的扰动小，特别适合于脉冲爆震发动机各参数的测量。激光二极管与光敏二极管对称地放置于待测发动机两侧（在PDE两侧开石英窗），当无激光进入探测器时，探测器接收到的是高温火焰的辐射能;当有激光进入探测器时，探测器接收到的能量由透射的激光能量和高温火焰辐射的红外能量这两部分叠加组成。然后结合普朗克黑体辐射定律及基尔霍夫定律可以得到燃气的温度。将入射激光束调制成按一定频率开关，从而将上述光辐射和光吸收方式组合在一起。另外由于激光具有强度高、准直性好、带宽窄等优点，能进行分辨率非常高的吸收光谱的测量，结合Beer-Lambert定律，根据窄带光通过长度为L的均匀介质后的透射量与入射量的关系，由测得的吸收谱，可得两路光谱吸收系数之比，即可求得相应的温度，再由温度和光谱吸收系数可求得各燃烧产物的浓度[1～3]。

　　2.2 测试系统总体结构

　　基于上述原理，为PDE模型机所研制的多参数测量系统主要由半导体激光器（脉冲调制输出）、光学传感器、压电传感器、信号调理电路、多功能数据采集卡、计算机以及相关软件组成。系统总体结构框图如图1所示。

图1 测试系统框图

3 系统硬件设计

　　3.1 光电接收电路

　　光电接收电路是PDE测试系统中一个重要的环节。光电接收电路由光电转换器件和信号调理电路组成，它的性能的好坏对测量结果有重要的影响。由于光电二极管光电流很小，接收的调制光的频率较高，因而在电路设计时必须考虑高增益、低噪声及带宽的要求。设计的电路由前置放大（兼I/V变换）、推动放大及功率放大电路三部分组成。运算放大器选用高输入阻抗、低失调电流的OPA627以提高信号调理电路的信噪比及带宽。

　　3.2 电荷放大器

　　压电式传感器输出的电荷信号比较微弱，不能直接送数据采集卡采集，要先用电荷放大器将较弱的电荷信号转化成与数据采集卡相匹配的电压信号。电荷放大器是一种输出电压与输入电荷量成正比的放大器，它的核心是一个具有电容负反馈、且输入阻抗及高增益的运算放大器。本系统采用YE5850电荷放大器，内置带通滤波器，上下限可调。

　　3.3 多功能数据采集卡

　　采用自制的八通道多功能数据采集卡，其模拟输入信号的动态范围为±5V，采样通过率10MHz，A/D转换分辨率为12bit，提供多种触发方式，可以满足信号波形分析的需要，图2为多功能数据采集卡组成框图。

　　该电路主要由多路模拟开关、A/D转换电路、缓存电路、控制电路、控制信号输出电路及PC总线接口电路组成。PDE内各种信号，如压电传感器的输出接 YE5850电荷放大器，光学信号经过光电转换后送到信号调理电路，转换为与采集卡相匹配的信号，再分别送数据采集卡各输入端，经多路选择开关，在控制器控制下依次采集并送存储缓冲器，然后由计算机读入内存并加以处理，输出处理结果。同时也可以将采集到的数据保存到硬盘，以备日后研究。通过采集卡的控制信号输出（DO）端可以实现对PDE点火装置的同步控制。

图2 数据采集卡组成框图

4. 系统软件设计

　　通过对常用虚拟仪器开发平台的比较，结合本系统中采用的是自制数据采集卡，故选用LabWindows/CVI为主开发平台。LabWindows /CVI是NI公司开发的基于标准C语言的交互式开发环境，具有良好的用户界面，可方便地对非NI的板卡进行底层操作，同时通过与MATLAB的接口，极大提高编程的效率[4～6]。

　　系统软件采用模块化设计思想，主要包括用户界面设计（仪器软面板）、数据采集与处理、结果输出与显示等。软件基本结构如图3所示。

图3 系统软件结构

　　4.1 软件主界面

　　通过LabWindows/CVI提供的用户界面编辑器，设计系统操作主界面（仪器软面板）。用户界面包括数据采集卡参数设置;数据采集与控制;测量数据的分析、处理及保存;结果的动态显示及打印等功能模块对应的按钮，用户可以通过主界面上的控制按钮来实现对各模块的调用。图4为本测量系统的前面板界面。

图4 系统前面板操作界面

　　4.2 数据采集与预处理

　　采集前要对采集卡进行设置，如选择连续或单次信号采集，设置采集通道、加窗方式，还可通过光标移动观察信号的时域值和频域值。在触发方式上，可以选择触发源及触发电平、触发沿、触发前预保留点数等参数。当用户启动数据采集卡后，数据采集卡将按事先设置的参数对送来的各路信号循环进行采集，并将采集的数据读入内存或存入硬盘。在刚开始采集的时候，由于有关器件的原因，在采集到的前面几个数据质量不太好，因此在编程时剔除了前面的8个数据。

　　为进一步去除外界干扰而引起的异常数据，对数据进行数据平滑、滤波等前期预处理。LabWindows/CVI内附了许多信号处理类函数，可直接调用，图5给出了预处理前后的波形。

图5 处理前后的信号

　　4.3 数据分析与处理

　　数据处理是测量系统的核心，实现对所采集的数据进行各种运算、分析与处理，最终得到PDE的压力、温度及燃烧产物组分浓度等参数值。 LabWindows/CVI提供的各种库函数可满足大部分计算要求，但对一些复杂的时域、频域分析，如小波分析等，编程工作量很大。在设计数据处理软件时，如果能利用MATLAB提供的各种信号处理工具箱，就可以有效提高编程效率。但是作为一种以解释方式运行的高级语言，MATLAB的执行效率较低。

　　考虑到MATLAB和LabWindows/CVI两种编程语言都具有良好的开放性，本系统在LabWindows/CVI中共享MATLAB的软件工具包，以便实现基于最新的信号分析处理技术的虚拟仪器，从而实现编程环境既有强大的数值计算能力又有高的执行效率的目的[6]。

　　实现方法是通过LabWindows/CVI和MATLAB之间的接口函数实现LabWindows/CVI环境下调用MATLAB的功能函数，运行 MATLAB环境下的程序。上述过程的实质就是要在LabWindows/CVI环境下建立一个数据交换的ActiveX服务控件, 将 LabWindows/CVI平台的数据信息传输到MATLAB环境，达到调用MATLAB功能函数、执行MATLAB程序的目的,并将MATLAB的结果返回。由于DLL文件执行速度快，而且可移植性好，方便用户调用，因而在具体实施时将ActiveX服务函数重新封装成易于调用的高层函数，然后建立这些函数的DLL文件。系统中较复杂的信号处理如小波分析就是用这种方法实现的，实验证明这些方法是可行的，而且可以有效缩短系统开发时间，降低成本。数据分析与处理的结果如各参数值以及各曲线，可以直接在计算机显示器上显示，也可以通过打印机等多种方式输出。

5. 结束语

　　本文利用虚拟仪器技术开发了脉冲爆震发动机多参数智能测试系统，能够适应PDE特定环境的测试需要，测试结果可靠。并且整套测试系统成本低、体积小、使用方便、易于修改及升级，体现了虚拟仪器的优点。利用LabWindows/CVI和MATLAB各自的特长，将LabWindows/CVI丰富的控件资源和较高的执行效率与MATLAB强大的数据处理函数库相结合，成功地将信号分析与处理的新技术在本系统中得到快速应用，提高编程的效率和水平，这对实际的工程应用具有一定的指导意义。

　　本文作者创新点：作为新一代航空航天飞行器的动力装置，脉冲爆震发动机在我国的研制工作刚起步不久，缺少自动化、智能化的测试手段。为加快PDE的研制进程，必须提高测试水平，本文将虚拟技术引入脉冲爆震发动机多参数测试领域，结合光学诊断技术，采用自制的高速数据采集卡研制了脉冲爆震发动机智能测试系统。该系统可以实时采集、处理并显示测量结果，并可以对先前的测试数据加以处理。另外利用LabWindows/CVI和MATLAB混合编程，使系统开发周期缩短，且便于升级维护。