用于智能蒙皮的集成化動靜態(tài)測試系統(tǒng)設(shè)計＊

徐志偉， 陳 杰， 張 磊， 肖國燾

（南京航空航天大學機械結(jié)構(gòu)力學與控制國家重點實驗室 南京，210016）

1 問題的引出

當前，民用和軍事領(lǐng)域都對飛行器的性能提出了更高的要求，而變體飛行器作為一種新型航空器，自20世紀70年代以來迅速成為國內(nèi)外研究的重點。

在變體飛行器的研究中，智能蒙皮［1］是關(guān)鍵技術(shù)之一。智能蒙皮是指將傳感元件、驅(qū)動元件以及控制芯片與飛行器蒙皮集成為一體，使其具有智能特性的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。1985年，美國空軍提出了智能蒙皮的概念，并于1994年對F－15的智能化前緣進行了飛行試驗。美軍正在研制的第六代戰(zhàn)斗機也將大面積使用智能蒙皮結(jié)構(gòu)。

智能蒙皮的研究，需要將各類傳感器、驅(qū)動器及調(diào)理電路集成到一起，對智能蒙皮的各項性能參數(shù)（應(yīng)力、應(yīng)變、振動、溫度等）進行全面測試。這樣的測試系統(tǒng)要求小型化、集成化、低功耗、多變量及多通道等，傳統(tǒng)測試系統(tǒng)顯然無法滿足這些要求［2］。

圖1 智能蒙皮結(jié)構(gòu)Fig.1 Smart skin of aircraft

筆者研究的對象是具有大變形能力的梯形結(jié)構(gòu)智能蒙皮，針對其動、靜態(tài)參數(shù)的測試要求，設(shè)計了一種小型化、多功能的多路測試系統(tǒng)。系統(tǒng)具有多功能模塊、多輸入通道，可實現(xiàn)結(jié)構(gòu)參數(shù)的分布式測試，并能滿足實驗數(shù)據(jù)實時監(jiān)測、準確處理和完整記錄的要求。筆者完成了系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計，并將硬件設(shè)備與市場上的產(chǎn)品進行了對比分析。該系統(tǒng)不僅能滿足智能蒙皮的測試需求，還能依據(jù)不同的場合，對系統(tǒng)進行個性化設(shè)置，擴展系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。

2 智能蒙皮集成測試系統(tǒng)的方案設(shè)計

2.1 測試系統(tǒng)總體方案設(shè)計

智能蒙皮測試系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由傳感器、集成調(diào)理電路和計算機三部分組成［3］。應(yīng)變測試電路是靜態(tài)參數(shù)測試的核心部分，要求測量的最小分辨率能夠達到8με。該電路主要包括非線性校正、射頻干擾（radio frequency interference，簡稱RFI）濾波、放大和低通濾波電路。振動測試電路則由電荷放大器、歸一化電路、低通濾波電路和保護電路構(gòu)成，測量的低頻下限為0.001Hz，為準靜態(tài)測量，最高測試信號頻率為2 000Hz。為了實現(xiàn)信號的分布式測試及整體系統(tǒng)的小型化、集成化，筆者將多個通道及模塊集成于單個PCB中，并對電路采取相應(yīng)的多項抗干擾措施，提高系統(tǒng)的可靠性，并利用美國National Instrument公司的PXI（PCI eXtensions for instrumentation）實時測控平臺將測試系統(tǒng)的軟、硬件連成一體，形成完整的集成化測試系統(tǒng)。

圖2 智能蒙皮多功能多路測試系統(tǒng)方案Fig.2 Multi－function measurement system of smart

2.2 蒙皮結(jié)構(gòu)靜態(tài)應(yīng)變測試電路設(shè)計

筆者選用中航電測儀器的溫度自補償應(yīng)變片BE120－3AA（11），利用電橋電路實現(xiàn)應(yīng)變與電量的轉(zhuǎn)換。考慮到橋臂的電流不恒定，將導致輸出電壓與待測量之間呈非線性關(guān)系，筆者采用可變電壓源對電路進行非線性校正，消除了非線性誤差。

放大電路輸入端的信號為毫伏級，因此需設(shè)計相應(yīng)的RFI濾波電路，用來抑制現(xiàn)實環(huán)境中的干擾信號。放大芯片采用TI的TLC2652，該芯片失真小，分辨率高，穩(wěn)定性好。為了消除傳感器輸出信號中的共模電壓，采用三塊TLC2652組成三運放高共模抑制比電路結(jié)構(gòu)［3］。放大電路后布置截止頻率為1Hz四階低通濾波器，用于濾除交流信號和放大電路中的尖峰噪聲。電路原理如圖3所示。

圖3 靜態(tài)應(yīng)變測試電路原理圖Fig.3 Schematic of static strain measurement circuit

2.3 蒙皮結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)測試電路設(shè)計

電荷轉(zhuǎn)換電路是振動響應(yīng)測試電路的核心部分，其輸出電壓與輸入電荷的數(shù)學關(guān)系近似為UO＝－Q／CF，可通過改變反饋電容值CF改變輸出電壓。為了使不同靈敏度下輸出電壓保持一致，設(shè)計了基于同相比例放大器的歸一化電路［4］。濾波器采用二階有源濾波，實現(xiàn)4種截止頻率可調(diào)。電路的輸出端，利用兩個穩(wěn)壓管將輸出電壓鉗位在±10V，保護后續(xù)電路。電路原理如圖4所示。

圖4 結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)測試電路原理圖Fig.4 Schematic of vibration measurement circuit

2.4 PXI測試系統(tǒng)設(shè)計

為實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化與實時性，筆者利用NI的硬件設(shè)備和軟件模塊構(gòu)建了多功能的虛擬儀器系統(tǒng)。硬件部分采用PXI實時操作系統(tǒng)平臺和高速數(shù)據(jù)采集卡；軟件則使用LabVIEW編程，采用基于共享變量的網(wǎng)絡(luò)引擎，以實現(xiàn)應(yīng)變、振動參數(shù)的實時和準確，并實現(xiàn)了多個通道的快速切換［5］。

3 電路的抗干擾設(shè)計

3.1 PCB的抗干擾措施

PCB電路設(shè)計時采用一點接地法，保證地線有統(tǒng)一的地電位，同時消除電路中的公共阻抗耦合。電源線和地線盡可能靠近，避免環(huán)狀、直角走線。制作PCB時，為了預防通道間的串音干擾，利用地線將各通道隔離開來［6］。

3.2 單通道、多通道電路的噪聲對比

設(shè)計中包含多通道集成電路，必須考慮各個通道之間產(chǎn)生的串擾。筆者對各級電路信號的噪聲做了對比分析，發(fā)現(xiàn)濾波電路對噪聲的抑制起到了很大作用。

筆者分別測量了單通道、多通道電路在各級電路中包含的噪聲。實驗時，選擇一個外界電磁干擾較少、環(huán)境參數(shù)變化較小的測試環(huán)境，并做好相應(yīng)的屏蔽和保護措施。利用泰克示波器，依次測出單通道、雙通道以及三通道電路中各級電路輸出端的噪聲大小，結(jié)果如圖5所示。根據(jù)測得的數(shù)據(jù)可知，靜態(tài)應(yīng)變測試實驗中，單通道、雙通道和三通道放大電路后的噪聲幅值約為40，40和50mV，經(jīng)過濾波，電路的噪聲明顯下降，分別降低至32，28和40mV。對電荷放大電路進行分析，單通道、雙通道、三通道的電荷轉(zhuǎn)換電路之后的噪聲分別為8，10和10mV。同樣，經(jīng)過濾波后電路中的噪聲略有降低，約為10，15和15mV。

圖5 多通道測試電路噪聲對比Fig.5 Noise analysis of multi－channel measurement circuit

進一步分析可知，單通道電路由于電路規(guī)模較小，PCB走線長度較短，所以電路本身引起的干擾較小［7］；當電路為兩通道時，增加了干擾因素，比如通道之間的相互竄擾、電磁輻射等；當電路為三通道時，通道數(shù)的增加對測試電路的影響降低，信號噪聲相對兩通道電路，并沒有明顯增加。

振動測試電路中包含放大電路模塊，前級的噪聲會隨之放大。四階低通濾波器的加入去除了1Hz以上的高頻噪聲，對噪聲有一定的抑制作用。

3.3 儀器封裝及通風設(shè)計

測試系統(tǒng)工作過程中，不可避免地會受到外界干擾和內(nèi)部電子器件之間的串擾。為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，設(shè)計了能夠屏蔽外界干擾信號的外殼，該外殼還要具有高強度、散熱佳、易于加工等特性。應(yīng)變測試電路和電荷放大電路分別裝配在上下面板，側(cè)板安裝直流穩(wěn)壓電源模塊。在屏蔽盒的一端接出引線與電源地相連，起到屏蔽保護的作用。儀器封裝后的結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 儀器整體封裝Fig.6 Encapsulated strain measurement and charge amplifier instrument

4 測試系統(tǒng)實驗及結(jié)果分析

4.1 蒙皮應(yīng)變測量實驗

筆者以梯形蒙皮作為被測對象，使用環(huán)氧樹脂將應(yīng)變片粘貼在蒙皮一側(cè)的凸面。被測蒙皮一端固定，另一端處于自由狀態(tài)。實驗時，對蒙皮的自由端施加靜態(tài)載荷，每次50g，并測出每次施加載荷所對應(yīng)的應(yīng)變。數(shù)據(jù)處理后可知，被測蒙皮凸面的應(yīng)變與自由端的載荷大小呈良好的線性關(guān)系。與Vishay的P－3500系列應(yīng)變儀進行對比后證明，自制應(yīng)變儀效果良好，應(yīng)變最大偏差在8με之內(nèi)。標定后各通道與P－3500的對比如表1所示。

4.2 蒙皮動態(tài)參數(shù)測量實驗

梯形蒙皮的一端固定在夾具上，另一端連接激振器，同時將壓電傳感器粘貼在蒙皮的一側(cè)，如圖7所示。實驗時，利用激振器對蒙皮的自由端施加激勵，壓電傳感器產(chǎn)生的電荷輸入至自制電荷放大器和電荷放大器YE5852A中進行對比（見圖8），顯示自制電荷放大器與YE5852A在各個頻率的信號下輸出電壓基本一致。當零輸入狀態(tài)下時，YE5852A的噪聲比較大，且零點漂移嚴重，約為80mV，而自制電荷放大器噪聲較小，零點漂移可以忽略。

表1 標定后各通道與Vishay的應(yīng)變值對比Tab.1 Strain values of measurement system and vishay strain gauge

圖7 蒙皮動態(tài)參數(shù)測量實驗Fig.7 Test system of vibration response of skin

圖8 零輸入時兩種儀器輸出波形圖Fig.8 Output waves of two intruments

5 結(jié)束語

筆者研究了用于智能蒙皮的集成化測試系統(tǒng)。針對蒙皮結(jié)構(gòu)的動靜態(tài)參數(shù)，設(shè)計并制作了一種多功能、多通道、小型化的測試儀器，并根據(jù)課題需要配置了相應(yīng)的軟件系統(tǒng)，可實現(xiàn)對測試數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測和處理。該系統(tǒng)對于簡化蒙皮測試系統(tǒng)、提高結(jié)構(gòu)測試效率具有一定的價值。

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