Высокопроизводительная система измерений вибрации на 200 каналов на базе российского PXIe

Введение

Вибрационные испытания являются обязательным этапом оценки надёжности авиационных, ракетных, машиностроительных и энергетических конструкций [4]. Для адекватного моделирования нагрузок, возникающих при эксплуатации изделий, требуется регистрировать значительные объёмы высокочастотных данных одновременно с большого числа каналов.

Традиционно такие задачи решались иностранными системами LMS Scadas и National Instruments PXI, однако их использование в России ограничено высокой стоимостью, санкционными запретами и закрытостью программно-аппаратной архитектуры. В условиях импортозамещения актуальной является разработка отечественных многоканальных измерительных комплексов на базе российского стандарта PXIe.

Целью исследования является разработка и анализ высокопроизводительной российской системы измерений вибрации на 200 каналов с частотой регистрации до 625 кГц на канал с последующей оценкой её функциональности и эксплуатационных характеристик.

1. Объекты и методы исследования

1.1. Объект исследования

Объектом исследования является многоканальная система регистрации вибрационных сигналов, предназначенная для работы в составе испытательного стенда авиационной и космической техники.

1.2. Архитектура аппаратной части

Система включает две измерительные стойки высотой 27U, которые представлены на рисунке 1. Каждая стойка содержит [2, 3]:

• шасси СН-14 PXIe с поддержкой PCIe Gen3;
• 13 модулей МДН8И-PXIe (8 каналов каждый, АЦП 24 бит);
• устройства сопряжения IEPE32 (3 шт.) и IEPE8 (1 шт.);
• блок регистрации данных;
• блок коррекции времени ЭНКС-2;
• источник бесперебойного питания.

Рис. 1. Внешний вид измерительных стоек

Максимальная пропускная способность одного измерительного канала достигает 240 кГц по уровню –3 дБ, что обеспечивает получение до 625 кГц частоты дискретизации.

Система масштабируется до 1000 каналов без изменения базовой архитектуры.

1.3. Поддержка IEPE/ICP и IEEE 1451.4 TEDS

Устройства IEPE обеспечивают:

• питание датчиков ICP (4–20 мА),
• защиту от КЗ и обрыва,
• считывание TEDS (электронного паспорта датчика),
• автоматическую калибровку каналов.

Использование TEDS стандарта IEEE 1451.4 снижает вероятность ошибок настройки и ускоряет подготовку испытаний.

1.4. Программное обеспечение ACTest Platform

ACTest Platform представлен на рисунке 2. ACTest Platform выполняет [1]:

• конфигурацию измерительных каналов (до 1000 каналов),
• чтение потоковых данных по PXIe,
• цифровую фильтрацию (FIR, IIR),
• спектральный анализ (FFT, PSD),
• построение частотных характеристик (FRF),
• запись данных в форматы: UFF, WAV, MATLAB, CSV, ACTest.

Рис. 2. ACTest Platform

Интерфейс оператора реализован на АРМ с Ethernet-подключением 2.5 Гбит/с.

2. Результаты и их обсуждение

2.1. Производительность и синхронность

Испытания подтвердили:

• устойчивую работу системы на полной нагрузке – 200 каналов × 625 кГц,
• отсутствие потерь данных,
• стабильную синхронизацию стоек с точностью до наносекунд благодаря ЭНКС-2.

2.2. Точность измерений

Применение 24-битных АЦП позволило достичь:

• высокого динамического диапазона,
• низкого уровня шумов,
• точного определения амплитудно-частотных характеристик конструкций.

2.3. Функциональные испытания IEPE и TEDS

Система корректно:

• определяет параметры датчиков,
• выполняет автоконфигурирование каналов,
• сигнализирует о некорректных подключениях.

2.4. Сравнение с зарубежными комплексами

Сравнение решений представлено в таблице. Российская система демонстрирует техническую сопоставимость и превосходит аналоги по ряду параметров.

Таблица

Сравнительная таблица

Заключение

Разработана и испытана высокопроизводительная российская система виброизмерений на базе PXIe, обеспечивающая регистрацию 200 каналов с частотой до 625 кГц на канал. Проведённые эксперименты подтвердили её стабильность, точность и пригодность для проведения вибрационных испытаний авиационных и ракетных конструкций.

Система является конкурентоспособной альтернативой импортным комплексам LMS Scadas и National Instruments PXI и соответствует современным требованиям отрасли.

Перспективы развития включают интеграцию алгоритмов машинного обучения для предиктивной диагностики.