大規(guī)模應(yīng)變采集系統(tǒng)的現(xiàn)場計(jì)量

黃曉龍

(中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所計(jì)量中心，陜西西安710065)

0 引言

隨著我國大飛機(jī)研制工作全面開展，飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗(yàn)證試驗(yàn)(簡稱強(qiáng)度試驗(yàn))所用應(yīng)變量數(shù)據(jù)采集通道規(guī)模越來越龐大。單從ARJ21全機(jī)靜力/疲勞驗(yàn)證試驗(yàn)來看，使用的應(yīng)變采集通道已有上萬通道，今后C919等大型民機(jī)強(qiáng)度試驗(yàn)使用的應(yīng)變采集通道規(guī)模會更龐大。再加上同時進(jìn)行多種其他型號飛機(jī)試驗(yàn)，使得近幾年強(qiáng)度試驗(yàn)所需數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)增長迅速，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)每年需要計(jì)量的各種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)近百臺套，總計(jì)6萬多通道。這樣的規(guī)模在國內(nèi)少有，并且暫無系統(tǒng)性介紹此項(xiàng)工作的著作和規(guī)定，要確保在實(shí)驗(yàn)中數(shù)采系統(tǒng)測量的準(zhǔn)確可靠，計(jì)量工作任務(wù)艱巨并責(zé)任重大。

1 相關(guān)說明

1.1 校準(zhǔn)方法

在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要用來測量應(yīng)變信號。由于強(qiáng)度試驗(yàn)的需求和市場現(xiàn)狀，本單位同時擁有進(jìn)口和自研的多種應(yīng)變量數(shù)采系統(tǒng)來滿足各種試驗(yàn)工況下的數(shù)據(jù)采集工作。并且經(jīng)與數(shù)采系統(tǒng)使用方討論，根據(jù)試驗(yàn)特點(diǎn)，研究決定對設(shè)備的最大允差、線性度和零點(diǎn)漂移三項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行校準(zhǔn)，即可滿足實(shí)驗(yàn)要求。

據(jù)此，參照J(rèn)JF 1048-1995《數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)校準(zhǔn)規(guī)范》(以下簡稱《規(guī)范》)的要求，根據(jù)強(qiáng)度試驗(yàn)對數(shù)采系統(tǒng)實(shí)際使用情況，特制定兩套適合本單位計(jì)量校準(zhǔn)工作的校準(zhǔn)方法:《結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)校準(zhǔn)方法》和《動強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)校準(zhǔn)方法》。該方法適用于本單位結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)中用于應(yīng)變、電壓、溫度等物理量測量的各類數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的校準(zhǔn)，并針對現(xiàn)有不同型號的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)比較詳細(xì)地列出了需要計(jì)量的項(xiàng)目及技術(shù)指標(biāo)。

1.2 所用橋路

電阻應(yīng)變片的工作原理是基于導(dǎo)體的“應(yīng)變-電阻效應(yīng)”［1］來測量應(yīng)變，一般采用直流電橋法，這種方法叫做應(yīng)變電測法。應(yīng)變電測法具有精度高、應(yīng)用方便等優(yōu)點(diǎn)，對于靜態(tài)應(yīng)變測量這一優(yōu)勢更為明顯。這是應(yīng)變采集系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)的基本原理［2］，也是應(yīng)變校準(zhǔn)儀模擬輸出應(yīng)變量的基本原理。

直流電橋一般有單臂電橋、半橋和全橋3種橋路形式，本單位的強(qiáng)度試驗(yàn)中大規(guī)模采用單臂電橋，故本文介紹的校準(zhǔn)工作以單臂橋路形式舉例，如圖1。

圖1 單臂電橋

這樣的橋式電路可以靈敏測量極微小的電阻變化。當(dāng)彈性體受力時產(chǎn)生彈性形變，粘在其表面的電阻應(yīng)變片則隨其同步變形，因而應(yīng)變片的電阻值改變。由于測量前電阻應(yīng)變片組成的橋式電路是平衡的，而電阻應(yīng)變片的電阻變化會引起電橋的不平衡，因而有電壓信號輸出，該信號與應(yīng)變片受力成正比，因此可以用來測量試件的載荷。

2 采集系統(tǒng)的校準(zhǔn)

數(shù)萬通道的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的校準(zhǔn)工作量是巨大的，而現(xiàn)階段只能按照規(guī)定進(jìn)行抽檢，因此，如何準(zhǔn)確高效地完成這項(xiàng)校準(zhǔn)工作成為業(yè)內(nèi)亟待解決的問題。對所抽檢的通道選擇一些校準(zhǔn)點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)所用橋路進(jìn)行校準(zhǔn)，這樣既能滿足使用需求又能提高工作效率。當(dāng)然對于新購(研)系統(tǒng)的校準(zhǔn)，需在通道和橋路方式上進(jìn)行全面驗(yàn)收。

2.1 校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)

目前，本單位應(yīng)變量數(shù)采的校準(zhǔn)采用中國計(jì)量院的DR系列標(biāo)準(zhǔn)模擬應(yīng)變量校準(zhǔn)儀作為標(biāo)準(zhǔn)，原理是旋轉(zhuǎn)波段開關(guān)調(diào)制內(nèi)部電阻的并聯(lián)方式從而改變內(nèi)部電橋橋臂電阻，模擬應(yīng)變量輸出。其技術(shù)指標(biāo)為:量程范圍0.1με～111110με，精度等級0.05，能夠完全滿足進(jìn)口或國產(chǎn)數(shù)采系統(tǒng)的校準(zhǔn)要求。該校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)器的優(yōu)點(diǎn)是精度高、穩(wěn)定性好、體積小便于攜帶，缺點(diǎn)是只能進(jìn)行單通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的校準(zhǔn)，且手動操作，不方便更換橋路形式和正反向時，效率低。

2.2 線路連接

數(shù)采系統(tǒng)與應(yīng)變校準(zhǔn)儀的連接可按連接形式分為3種:單臂電橋連接、半橋連接和全橋連接，根據(jù)設(shè)備使用情況，將雙絞屏蔽線制作成相應(yīng)橋路所需特殊輸入線，通過更換特殊輸入線實(shí)現(xiàn)多橋路的校準(zhǔn)。圖2是本單位使用最多的單臂電橋校準(zhǔn)連接法示意圖。

圖2所示為HBM MGC上2個25針座上的8個通道，這8個通道公用一個放大器。以連接1/5通道為例，將1與14針短接接應(yīng)變儀B口，2與15針短接接應(yīng)變儀C口即可。全橋和半橋與單臂電橋相似，只是全橋要將應(yīng)變校準(zhǔn)儀A，B，C，D四口全部接入，半橋?qū)，B，C三端口接入。

圖2 單臂電橋校準(zhǔn)連接示意圖

另外在進(jìn)行單臂橋路零漂測試時連接方式為:1與14短接，2與15短接，2與14接120 Ω(350 Ω)電阻，使達(dá)到橋路平衡，進(jìn)行零點(diǎn)模擬測試。其他通道相同。

2.3 通道的抽取原則和校準(zhǔn)點(diǎn)的選取

通道的抽取以抽檢到每個放大器為原則，一般情況下一個放大器有4個或8個通道，每個放大器抽檢1或2個通道，且通道的選擇遵循隔年輪換選取、抽檢不重復(fù)等原則進(jìn)行。以每8通道公用一個放大器并只抽檢一個通道計(jì)算，抽檢比例為12.5%，放大器校準(zhǔn)比例為100%，能夠比較全面地檢驗(yàn)數(shù)采系統(tǒng)，零漂測試時選取的通道習(xí)慣上與應(yīng)變測試時所選通道一致。

每個通道校準(zhǔn)點(diǎn)的選取按照《規(guī)范》中的選擇方法進(jìn)行，一般在測量范圍內(nèi)選擇不少于11個校準(zhǔn)點(diǎn)，可根據(jù)設(shè)備使用方要求靈活變更校準(zhǔn)點(diǎn)和范圍，但益取整數(shù)。

以HBM MGC PLUS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為例，每個機(jī)柜有4個模塊，每個模塊有16個放大器，每個放大器8個通道，故每個柜子共抽檢16×4個通道。通道量程為±20000 με，校準(zhǔn)點(diǎn)根據(jù)實(shí)際使用情況選取，如表1所示。

2.4 最大允差、線性度和零漂的計(jì)算

通道選好后按需要檢定的橋路連接應(yīng)變校準(zhǔn)儀和數(shù)采系統(tǒng)。給系統(tǒng)輸入信號Ei(i=1，…，11)，啟動采集，記錄采集軟件顯示出來的采集數(shù)據(jù)xij(j=1，…，n)，如表1所示。

但在實(shí)際工作中完成一臺采集系統(tǒng)的校準(zhǔn)工作，采集的數(shù)據(jù)量是非常龐大的，我們將EXCEL格式的采集數(shù)據(jù)導(dǎo)入專用的數(shù)據(jù)處理軟件，它能幫我們按照預(yù)先設(shè)置對無用數(shù)據(jù)進(jìn)行自動剔除，將有用數(shù)據(jù)順序排列并放入帶有計(jì)算公式的EXCEL表格中進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式嚴(yán)格按照《規(guī)范》中規(guī)定設(shè)置。

表1 某通道校準(zhǔn)點(diǎn)及測量數(shù)據(jù)

將表1數(shù)據(jù)代入計(jì)算可得每個校準(zhǔn)點(diǎn)的最大允差、線性度，如表2所示。

表2 各校準(zhǔn)點(diǎn)的最大允差和線性度 με

零漂的測試按照2.2中所述接好定值電阻(120/350 Ω)，調(diào)零后，根據(jù)校準(zhǔn)規(guī)范規(guī)定每半小時記錄一次數(shù)據(jù)，連續(xù)觀察4 h以上即可，測試結(jié)果見表3。

表3 某通道的零漂測試

其中最大零漂誤差為通道零點(diǎn)每次記錄值與第一次記錄值之差絕對值的最大值。

以校準(zhǔn)點(diǎn)中最大值分別為通道的最大允差、線性度，則該通道最大允差為0.14，線性度為0.06。以各通道中的最大指標(biāo)作為系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)，對于超出該系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)的規(guī)定值的通道要給予限用，并在校準(zhǔn)證書上寫明限用通道，設(shè)備粘貼限用證。對于全部通道合格的系統(tǒng)給予合格證書，設(shè)備粘貼合格證。

3 結(jié)束語

由于數(shù)據(jù)采集柜體積大，無法在計(jì)量實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行校準(zhǔn)，所以一般都在試驗(yàn)現(xiàn)場進(jìn)行校準(zhǔn)。試驗(yàn)現(xiàn)場同時進(jìn)行的其他測試或動力設(shè)備運(yùn)行都會對校準(zhǔn)工作帶來一定的干擾，同時溫濕度等自然條件的不可控也會給計(jì)量測試結(jié)果帶來影響，為此，我們一般采取對可疑數(shù)據(jù)進(jìn)行多次測試盡量減少隨機(jī)誤差，對與超差通道同一放大器下的其他通道全部校準(zhǔn)做到嚴(yán)格控制。同時特殊輸入線在使用過程中容易由于操作原因產(chǎn)生接觸不良且無法完全屏蔽，這會造成采集數(shù)據(jù)時信號不穩(wěn)定、數(shù)據(jù)采集不準(zhǔn)確的現(xiàn)象，導(dǎo)致誤判為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不準(zhǔn)確，因此在可疑情況下應(yīng)更換不同的輸入線連接標(biāo)準(zhǔn)源和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)重復(fù)測試。

面對如此大規(guī)模應(yīng)變數(shù)據(jù)采集設(shè)備，目前還只能使用單通道校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)器來完成，如果按照20%的概率抽檢，總共按60000的通道計(jì)算也需要抽檢12000多通道，每個通道需要11個點(diǎn)的手動操作，費(fèi)時費(fèi)力效率低下，同時會有海量的校準(zhǔn)原始數(shù)據(jù)生成。

很明顯，在數(shù)據(jù)處理方面已經(jīng)做到了相對較高的自動化，減少了人為誤差，但在現(xiàn)場計(jì)量由于上述等原因極易出現(xiàn)錯誤，同時由于校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)器的限制每臺標(biāo)準(zhǔn)器只能一次校準(zhǔn)一個通道，這嚴(yán)重影響著我們的工作效率，為此我提出一種全新的標(biāo)準(zhǔn)器改進(jìn)思想。

通過改進(jìn)模擬應(yīng)變校準(zhǔn)儀內(nèi)部構(gòu)造，將半橋、全橋和單臂橋路三種連線方式集成到標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)部，使其可以手動切換，再通過一個多層多刀多位的波段開關(guān)在校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)儀內(nèi)部構(gòu)造一個能夠同時調(diào)換的多路模擬應(yīng)變校準(zhǔn)儀［3］，這種集成式的校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)器不僅可以大幅提高工作效率還能實(shí)現(xiàn)線路的良好屏蔽，減少外界干擾和操作失誤對校準(zhǔn)工作的影響，提高校準(zhǔn)準(zhǔn)確性。

［1］張從和.強(qiáng)輻射條件下應(yīng)變測量的抗干擾技術(shù)研究［J］.流體力學(xué)與實(shí)驗(yàn)測量，2011，15(1):54-56.

［2］蒲建熊.利用電橋特性優(yōu)化應(yīng)變電測法［J］.鑿巖機(jī)械氣動工具，2010(3):44-46.

［3］張宇，常艷.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的校準(zhǔn)研究［J］.電子測量技術(shù)，2012，35(8):98-102.