美国宇航局声振测试基地的信号调理方案

概述：
空间发射系统（SLS）是美国宇航局正在设计的重型运载工具，也是星座项目的后续工程。这套系统将取代退役的航天飞机，并为美国探索宇宙空间提供全新的先 进技术。为了支持星座项目和SLS项目，美国宇航局要求能完全模拟航空器在发射时和在行星表面、深空中的热真空和电磁环境以及机械振动和声振动。可是，能 行进这样大规模测试的基地并不存在，必须新建。俄亥俄州的Plum Brook测试基地已经具有世界上最大的航天环境热真空室，被美国宇航局选为新基地地址。作为项目的一部分，美国宇航局建造了世界上最强大的航天器声/热 真空测试室和低频机械振动测试台，具备在全尺寸航天器上进行电磁干扰和电磁兼容试验的能力。为了支持这个世界级的测试项目，需要一套数据测量系统来连接航 天器和现场的传感器，并调理、数字化、显示、分析、储存和备份至关重要的测试数据。

解决方案：
美国宇航局选择了PF 28000信号调理系统作为数据系统前端来与航天器和基地的传感器连接，为后端数据采集系统提供放大滤波后的传感器信号。
振动、声、热真空试验舱要求支持多种传感器，包括IEPE加速度计、IEPE/电荷型麦克风、全桥应变片、压力传感器和热电偶以及通用电压监测输入。在建 设初期需要1024个通道的传感器调理，并要求未来可扩展到1536个通道。由于测试比较复杂，测试成本和重要性都很高，数据系统需具有灵活性、可靠性及 可溯源能力；最重要的是，测试数据必须具有高精度和高可信度。信号调理前端和数据采集系统共同组成了Plum Brook基地的高速数据采集系统 (HSDAS) 。

PFI公司的28000信号调理系统是一个可混搭的传感器信号调理系统，拥有25种以上的信号调理卡，能满足几乎任何传感器的调理要求。为了满足Plum Brook高速数据采集系统要求，测试工程师选用PF 28316C 16通道隔离IEPE调理卡。28316C是高密度插卡，在三台6U机箱中提供了544个通道；并具有升级空间，可扩展至768个通道。

28316C调理卡支持程控滤波、增益，可提供1-8mA IEPE激励电流。为了监视传感器健康状态，调理卡监视并报告加速度计开路、短路、偏置电压状况。传感器具有4阶程控低通巴特沃斯滤波器，截止频率可程控 从300Hz到30kHz，滤波器旁路时带宽达190kHz。程控高通滤波器提供0.25Hz或10Hz的截止频率。28316C插卡通过十六个位于前面 板的SMB型同轴接口为每通道提供一个额外的缓冲输出，可在不影响主数据路径的情况下进行诊断监控，或者连接到辅助记录设备。28316C插卡支持 TEDS（传感器电子数据表）传感器，可高效完成系统设置及544个传感器的灵敏度和增益设置。校准过的传感器灵敏度和其它校准数据由28316C插卡直 接读出，并能从主控电脑中获取。市场上大部分支持TEDS读取的系统，只能支持最长400英尺的电缆长度，而PFI独创的长距离TEDS技术支持1500 英尺的导线连接。

美国宇航局的振动测试方案使用具有4针microdot连接器的三轴加速度计（X，Y，Z，和公共地）。这提出了一项技术问题：由于传感器端共地，信号调 理器端也共地，传统的单端IEPE调理器会在输入导线中产生多个地回路。28316C具备PFI独有的对称结构“推-拉”式IEPE激励，并采用隔离输 入，从而避免了地回路现象，同时实现X、Y、Z信号线的完全静电屏蔽。相对于单端IEPE调理器，这种电路已证明能降低约30分贝的噪声。

NIST可溯源校准：
所有的测试和测量系统都需要定期校准。通常情况下，这意味着测试系统被拆解，插卡被拔出，并运到内部校准实验室或运回原厂；这个过程需要30天的停机时 间。美国宇航局严格的测试进度不能允许每年1个月的停机时间，因此需要自动的现场校准。PFI系统内置的测试硬件和软件允许用户在现场执行NIST可溯源 的校准测试，无需从机柜中移出系统。

未来的系统扩展：
考虑到将来需要范围更宽的电荷输入能力，测试工程师选用28304电荷输入调理卡，满量程范围从2.5pC到100,000pC，输入噪声低达 0.005pC。28304还具有电压替代、分路校准和T-Insertion功能，方便工程师对系统、传感器和电缆进行健康状况检查。

当测试系统需要使用惠斯顿电桥激励时，使用28104A插卡，支持四分之一桥、半桥、全桥连接。插卡具有桥路自动平衡、分路校准功能。电压激励源采用对称 电压激励来改善高频共模信号的抑制能力。28104A具有4阶程控滤波器，可选择平坦模式滤波器进行频域分析，或者选择线性相位特性滤波器来进行瞬态及时 域波形分析。

不管传感器类型是电压、IEPE、电桥还是电荷型，28000系统的每一个通道都完全程控，可出色地完成传感器适配及放大、滤波，为高速采集系统提供高信噪比的信号。

PF28000信号调理系统：
• HSDAS IEPE传感器调理子系统包括三个6U 28016主机箱，各自装配了低噪声电源、一体化的冷却装置和一张28000-BIF1-FT控制卡
• 34块28316C隔离IEPE信号调理插卡，为544通道IEPE传感器提供调理
• 一套28000-TEST测试子系统，提供验证和现场NIST可溯源校准
• 三个主机箱提供了14个卡槽的扩展空间，可为将来增加224个通道的传感器调理


28000扩展插卡：
（一）28316C隔离IEPE加速度计调理器，具备LDTEDS技术
• 每卡16通道，每系统256通道
• IEPE传感器调理器，或对称差分输入的交流滤波放大器
• 隔离通道输入，可为接地的IEPE加速度计提供调理，而不形成地回路
• 满足PFI LDTEDS （长距离TEDS）技术标准
• 0.5-512倍增益，具有0.05%分辨率
• 自动增益设置，有利于获得最佳的数模转换器动态范围


（二）28104A四通道宽带电桥调理器
• 每卡4通道，每系统64通道
• 对称程控恒压源，支持桥压遥测
• 使用程控滤波器时最高具有200kHz带宽，旁路程控滤波器时具有700kHz全带宽
• 桥路激励电压可达20V
• 2线到10线制加屏蔽的输入接口

（三）28304四通道电荷及IEPE调理器，具备LDTEDS技术
• 每卡4通道，每系统128通道
• 双模式：压电型或IEPE加速度计
• Ground Sense输入模式支持外壳接地的传感器
• 使用滤波器时最高100kHz带宽，旁路滤波器时370kHz全带宽
• 采用T-Insertion技术对安装好的加速度计进行健康状况测试
• IEPE电流可程控设置为0,4,8,12mA
• 两种电荷输入量程：10,000或100,000pC满量程输入
• 程控放大器：0.25-8192倍增益， 0.05%分辨率