WYKORZYSTANIE MODUŁÓW POMIAROWYCH LAN-XI DO REJESTRACJI I AKWIZYCJI PARAMETRÓW WIBROAKUSTYCZNYCH LOTU BEZZAŁOGOWEGO STATKU POWIETRZNEGO

Transkrypt

1 Dr inż. Dariusz RODZIK Mgr in. Stanisław GRZYWIŃSKI Dr inż. Maciej PODCIECHOWSKI Dr inż. Stanisław ŻYGADŁO Wojskowa Akademia Techniczna WYKORZYSTANIE MODUŁÓW POMIAROWYCH LAN-XI DO REJESTRACJI I AKWIZYCJI PARAMETRÓW WIBROAKUSTYCZNYCH LOTU BEZZAŁOGOWEGO STATKU POWIETRZNEGO Streszczenie: W referacie opisano przykład wykorzystania modułów pomiarowych LAN-XI do rejestracji i akwizycji parametrów wibroakustycznych lotu bezzałogowego statku powietrznego. Podano parametry i konfigurację toru pomiarowego. Zaprezentowano przykładowe wyniki. USING LAN-XI MEASUREMENT MODULAR UNITS FOR REGISTRATION AND ACQUISITION OF VIBROACOUSTIC PARAMETERS OF UNMANNED AERIAL VEHICLE FLIGHT Abstract: In the paper the example of using LAN-XI measurement modules for registration and acquisition of vibroacoustic parameters of unmanned aerial vehicle flight is described. Parameters and configuration of measurement channel are given. Examples of results are presented. Słowa kluczowe: wibroakustyka, system pomiarowy, BSL Keywords: vibroacoustic, measurement system, UAV 1. WPROWADZENIE Wraz z ciągłym wzrostem wymagań wobec wydajności pracy w pomiarach dźwięku i drgań, spotyka się często potrzebę, aby wykonywać pomiary szybciej, z większą liczbą kanałów pomiarowych jednocześnie, bez znajomości skomplikowanych przyrządów pomiarowych. Niemniej jednak nieocenioną zaletą jest możliwość wykonania pomiarów w różnych warunkach, bardzo często przy braku dostępu do zewnętrznego zasilania oraz z wymogami zwartej i ograniczonej wymiarowo aperturze pomiarowej. Jakkolwiek w dziedzinie pomiarowej nastąpił ogromny postęp, to w przypadku mobilnej wersji części sprzętowej dedykowanej zadaniom pomiaru zaburzeń wibroakustycznych nie odnotowano na przestrzeni ostatnich lat znaczących ulepszeń. Z przeprowadzonego sondażu wynika, że dobry system akwizycji danych powinien charakteryzować następujący zestaw cech: łatwość uruchomienia i obsługi, szybka zmiana konfiguracji, przystosowanie do użycia w terenie (trwałość, zwartość, poręczność) oraz duża dokładność pomiarów [1]. W rezultacie powstała generacja modułów pomiarowych nazwana LAN-XI, w których dzięki wykorzystaniu tych samych elementów (kaset) można zestawiać od kilku do kilkuset kanałów 637

2 MECHANIK 7/2014 w jednym systemie pomiarowym. Dowolna liczba kaset, stojaków i pojedynczych modułów może być przez użytkownika łączona lub dzielona na mniejsze układy pomiarowe. Celem artykułu jest prezentacja możliwości pomiarowych technologii LAN-XI na przykładzie przeprowadzonych badań odgłosów małego modelu samolotu w locie [2]. 2. CHARAKTERYSTYKA TECHNOLOGII POMIAROWEJ LAN-XI Technologia LAN-XI wykorzystuje rozwiązania zasilania poprzez sieć typu PoE (ang. Power over Ethernet) oraz synchronizacji za pomocą protokołu PTP (ang. Precision Timing Protocol), a zarówno komunikacja pomiędzy modułami, jak i transmisja danych oparta jest na gigabitowym interfejsie LAN. Dzięki przepustowości interfejsu wyeliminowano protokoły synchronizujące i stosowanie dodatkowych przewodów. Co więcej, uzyskano możliwość połączenia nawet kilkuset oddzielnych modułów pomiarowych, co pozwoliło na jednoczesną rejestrację i podgląd dużej ilości kanałów. Taka struktura systemu pomiarowego może obsługiwać wirtualnie połączone ze sobą moduły tworzące rozproszoną sieć pomiarową. Każdy moduł pomiarowy jest sam w sobie kompletnym systemem i może pracować osobno. Dzięki standaryzacji może on być elementem połączonym z innymi w sieci lub zostać zainstalowany w kasecie lub na stojaku, co upraszcza obsługę, serwis i skraca czas potrzebny na przeszkolenie personelu. LAN-XI korzysta z nowoczesnych technik Dyn-X i REq-X [1], dzięki którym wyeliminowany został problem z przesterowaniem kanałów przez zastosowanie dopasowanych układów automatycznej regulacji wzmocnienia. Ponadto zastosowanie technologii REq-X poszerza zakres częstotliwości przetworników pomiarowych przez programowe spłaszczenie odpowiedzi częstotliwościowej przy wykorzystaniu filtru dopasowanego. a) b) c) Rys. 1. Wyświetlacz komunikacyjny (a), wskaźnik stanu modułu zasilania (b), moduł pomiarowy i zasilania kasety LAN-XI (c) [3] Każdy moduł LAN-XI wyposażony jest w miniaturowy wyświetlacz, informujący o jego stanie oraz podający dane identyfikacyjne (rys. 1a), a każdy kanał monitoruje ewentualne przesterowania, błędy w połączeniach i zasilaniu przetworników. Moduły mają własne strony internetowe do przechowywania różnych informacji, np. dotyczących kalibracji. 638

3 Poprawne przygotowanie torów pomiarowych i wprowadzenie nastaw przetworników zapewnia wbudowana standardowo funkcja TEDS (ang. Transducer Electronic Data Sweet). Część sprzętowa LAN-XI współpracuje ze wszystkimi aplikacjami systemu PULSE i I-deas Test [1]. Z punktu widzenia obsługi i dokładności pomiarów, oba rozwiązania są w pełni zgodne i mogą bez przeszkód współpracować. Moduły nie mają żadnych wentylatorów, przez co ich praca jest praktycznie bezszmerowa. 3. REJESTRACJA I AKWIZYCJA PARAMETRÓW WIBROAKUSTYCZNYCH LOTU BEZZAŁOGOWEGO STATKU POWIETRZNEGO Opisaną technologię LAN-XI zastosowano w badaniach bezzałogowego statku powietrznego (BSL) [2]. Celem prowadzonych badań było określenie wartości poziomu wibracji i emisji akustycznej wywołanych pracą elementów mechanicznych BSL oraz wyznaczenie stosunku S/N dla stosowanej aparatury pomiarowej. Wykonano serię pomiarów, aby określić wartości parametrów drgań i emisji akustycznej w wybranych miejscach wykorzystanego w badaniach modelu samolotu Podstawowe wymagania dla toru pomiarowego [4] Tor pomiarowy powinien odpowiadać rygorom określonym następującymi normami serii IEC: 61000, 61010, 61326, oraz ISO Pasmo pracy toru pomiarowego powinno zawierać się w przedziale od kilkudziesięciu Hz do kilkudziesięciu khz oraz zapewnić rejestrację sygnału na poziomie do 160 db. Układy elektroniczne powinny posiadać zasilanie autonomiczne. Przedział częstotliwości pracy układów przetwarzania i akwizycji danych powinien pokrywać się z zakresem pracy używanych czujników pomiarowych, a stosowane oprogramowanie powinno być funkcjonalne, niezawodne i łatwe w obsłudze Konfiguracja toru pomiarowego Schemat blokowy zastosowanego systemu pomiarowego przedstawiono na rys. 2. Rys. 2. Schemat funkcjonalny systemu do pomiaru W skład skonfigurowanego systemu pomiarowego wchodzą następujące elementy: czujniki pomiarowe (M1, M2 mikrofony i ACC akcelerometr 3-osiowy), których zadaniem jest przemiana sygnałów akustycznych i drgań w sygnały elektryczne; układy dopasowujące, których zadaniem jest dopasowanie impedancyjne czujników pomiarowych do wejściowych układów wzmacniających oraz filtracja rejestrowanych sygnałów; układy wzmacniające, mające za zadanie wzmocnić sygnał w postaci analogowej do odpowiedniego poziomu, umożliwiającego dalszą jego obróbkę; obwody wejściowe ADC, których zadaniem jest zamiana sygnału z postaci analogowej na cyfrową; 639

4 XVIII Międzynarodowa Szkoła Komputeroweg go Wspomagania Projektowania, Wytwarzania i Eksploatacji układy przetwarzania i akwizycji danych, które przetwarzają w odpowiedniej postaci; oprogramowanie do analizy i prezentacji wyników. i gromadzą dane Rozwiązania w zakresie czujników pomiarowych i układów dopasowujących. Zastosowane do badań czujniki pomiarowe (rys. 3) charakteryzu ują się bardzo wysoką jakością wykonania. Konstrukcja wykonana jest t ze stali nierdzewnej,, o dużej czułości membrany spawanej laserowo. Wykorzystane w badaniach przetwornikii charakteryzują bardzo dobre dopasowanie fazowe w obrębie danego typu i wbudowana funkcja f TEDS, która służy s do przechowywania wewnątrz przetwornikó ów ich indywidualnych danych, tj. numer seryjny, czułość, parametry kalibracji i charakterystyki częstotliwościowe. Takie rozwiązanie zapewnia następujące możliwości: zmniejszenie ryzyka popełnienia błędów w okablowaniu i połączeniach; identyfikacja i pełen opis za pomocą cyfrowej transmisji danych; technologia Plug and Play; skrócenie czasu zestawiania systemu pomiarowego; uproszczenie bazy wyników kalibracji. a) b) Rys. 3. Zastosowane czujniki pomiarowe [3]: a) mikrofon pojemnościowy 1/4ʺ typu 4135 z przedwzmac cniaczem 1/ /4ʺ typu 2619, b) akcelerometr typu 4524B Przedwzmacniacze. Zastosowane przedwzmacniacze to niskoszumon owe układy, które zapewniają dopasowanie falowe przetworników akustycznych. Nowym trendem w dziedzinie pomiarów akustycznych jestt integracjaa mikrofonu pomiarowego z przedwzmacniaczem (rys. 3a). Taki zestaw cechujee się dużą skutecznością pomiaru, długoterminową stabilnością oraz odpornością na korozję. Układy wejściowe, przetwarzania i akwizycji danych. W badaniach b zastosowanoo system rejestrujący z autonomicznymm zasilaniem bateryjnym, w składd którego wchodzą następujące urządzenia i oprogramowanie: : A) Czterokanałowy rejestratorr typu 3050-A-060 (rys. 1c) o następujących parametrach: liczba kanałów 6 (IEEEE 1588 Precision Time); możliwościi zapisu rekordów na karcie pamięci; sygnalizacja stanu kanałów wejściowych na panelu czołowym modułu; konfiguracja za pomocą wbudowanego wyświetlacza lubb komputera klasy PC; ; zdalne sterowanie za pomocą Internetu (standard LAN); protokoły: TCP, DHCP (incl. Auto), DNS, IEEE , IP, Ethernet; zapis w formacie WAV lub Matlab; zakres częstotliwości 0-51,2 khz; próbkowanie 131 ks/s; konwersja A/C 2x24 bit; dynamika 160 db bez przełączani ia zakresu; 640

5 a)a) MECHANIK 7/2014 zakres napięć wejściowych 10 lub 31 V peak ; gniazda wejściowe BNC; zasilacz. B) Moduł baterii typu 2831 o pojemności 6400 mah, przeznaczony do zasilania rejestratora napięciem wyjściowym 14,8 V, zapewniający przeszło 7 h rejestracji danych. Moduł posiada wskaźnik naładowania i ładowarkę. Oprogramowanie. Wykorzystano oprogramowanie współpracujące z rejestratorem, które umożliwia: zapis rejestrowanych danych na karcie pamięci SD w module rejestrującym, bez udziału zewnętrznego komputera klasy PC; zapis rejestrowanych danych na komputerze klasy PC; konwertowanie danych zapisanych na karcie pamięci SD lub dysku twardym komputera do formatów: *.uff, *.tdf, *.wav, *.hdr, *.mat, *.hdf, *.ati; możliwość odczytu oraz wycięcia dowolnej części w formatach wymienionych powyżej; dostęp do danych o dużej objętości bez obciążenia pamięci komputera; podgląd wielu kanałów równocześnie; odtwarzanie całego sygnału, pojedynczego kanału lub jego części; ustawianie ram czasowych sygnałów do przyszłych analiz. Widok rozmieszczenia w BSL systemu pomiarowego z kasetą LAN-XI przedstawiono na rysunkach 4a-c. b) c) Rys. 4. Implementacja na BSL systemu pomiarowego z kasetą LAN-XI: a) kadłub modelu samolotu z kasetą LAN-XI, b) fragment skrzydła z mikrofonami pomiarowymi, c) sposób łączenia czujników pomiarowych z kasetą w kadłubie BSL 641

6 4. PODSUMOWANIE W pracy przedstawiono przykład wykorzystania technologii LAN-XI w badaniach wibroakustycznych lotu BSL. Dzięki zastosowaniu rozwiązań PoE i PTP w układach akwizycji modułów LAN-XI, udostępniono rozwiązanie pozwalające na zestawianie systemu pomiarowego według zasady wszędzie tam, gdzie jest potrzebny. Opisany system pomiarowy ma następujące zalety: zmniejszenie liczby i długości kabli, skutkujące skróceniem czasu zestawiania systemu pomiarowego i zmniejszeniem ryzyka popełnienia błędu; przeniesienie połączeń między kasetami na stronę cyfrową; eliminacja osobnych urządzeń zasilających; pełną autonomię każdego modułu pomiarowego; możliwość rejestracji i akwizycji pomiarów, a także ich analiza zarówno w czasie rzeczywistym, jak i post factum. Najważniejszymi cechami komputerowego wspomagania pomiaru sygnałów wibroakustycznych są: specjalistyczne oprogramowanie, które umożliwia komputerowo wspomagany pomiar, który dodatkowo umożliwia zapisanie danych oraz ich późniejszą komputerową analizę w dowolnym czasie; praca w czasie rzeczywistym, która pozwala na zminimalizowanie czasu pomiędzy rejestracją danych a wyświetleniem wyników na ekranie komputera; jednoczesna możliwość analizowania danych z wielu kanałów pomiarowych i prezentacja wyników analizy w czasie rzeczywistym; wykorzystanie powszechnie dostępnych standardów komunikacji pomiędzy układami rejestrującymi a komputerem upraszcza proces zestawienia i konfigurowania stanowiska. Przykładowe wyniki przeprowadzonych badań przedstawiono na rys. 5 i 6a-c, szersze ich omówienie można znaleźć w pracach [5] lub [2]. Rys. 5. Przebieg widma przyspieszeń BSL w płaszczyźnie pochylenia (niebieski) i przechylenia (czerwony) 642

7 a) b) c) Rys. 6. Krótkookresowe widmo odgłosów zarejestrowanych układem z kasetą LAN-XI: a) lecącego BSL, b) pracy silnika BSL, c) opływu powietrza na skrzydle 643

8 *** Praca finansowana ze środków na naukę jako projekt badawczo-rozwojowy realizowany w latach LITERATURA [1] LAN-XI nowy wymiar akwizycji danych, Brüel & Kjær Magazine, No. 02/2008, s [2] Badanie tła zakłóceń w czasie lotu imitatora celu powietrznego, sprawozdanie z pracy badawczo-rozwojowej nr O ROB pt. Opracowanie systemu oceny strzelań do celów powietrznych, WAT, Warszawa, [3] Katalog produktów firmy Brüel & Kjær, [4] Pietrasieński J., Rodzik D., Warchulski J., Warchulski M., Żygadło S.: Wspomagany komputerowo pomiar parametrów hałasu emitowanego przez uzbrojenie, Mechanik, nr 07/2010, CD, s [5] Pietrasieński J., Grzywiński S., Rodzik D.: Wykorzystanie programu Pulse Reflex do analizy parametrów wibroakustycznych lotu bezzałogowego statku powietrznego, materiały konferencyjne, XVIII Szkoła Komputerowego Wspomagania Projektowania, Wytwarzania i Eksploatacji, maja, Szczyrk,