大規模應變采集系統的現場計量

黃曉龍

(中國飛機強度研究所計量中心，陜西西安710065)

0 引言

隨著我國大飛機研制工作全面開展，飛機結構強度驗證試驗(簡稱強度試驗)所用應變量數據采集通道規模越來越龐大。單從ARJ21全機靜力/疲勞驗證試驗來看，使用的應變采集通道已有上萬通道，今后C919等大型民機強度試驗使用的應變采集通道規模會更龐大。再加上同時進行多種其他型號飛機試驗，使得近幾年強度試驗所需數據采集系統增長迅速，據不完全統計，現每年需要計量的各種數據采集系統近百臺套，總計6萬多通道。這樣的規模在國內少有，并且暫無系統性介紹此項工作的著作和規定，要確保在實驗中數采系統測量的準確可靠，計量工作任務艱巨并責任重大。

1 相關說明

1.1 校準方法

在結構強度試驗中，數據采集系統主要用來測量應變信號。由于強度試驗的需求和市場現狀，本單位同時擁有進口和自研的多種應變量數采系統來滿足各種試驗工況下的數據采集工作。并且經與數采系統使用方討論，根據試驗特點，研究決定對設備的最大允差、線性度和零點漂移三項技術指標進行校準，即可滿足實驗要求。

據此，參照JJF 1048-1995《數據采集系統校準規范》(以下簡稱《規范》)的要求，根據強度試驗對數采系統實際使用情況，特制定兩套適合本單位計量校準工作的校準方法:《結構強度試驗數據采集系統校準方法》和《動強度試驗數據采集系統校準方法》。該方法適用于本單位結構強度試驗中用于應變、電壓、溫度等物理量測量的各類數據采集系統的校準，并針對現有不同型號的數據采集系統比較詳細地列出了需要計量的項目及技術指標。

1.2 所用橋路

電阻應變片的工作原理是基于導體的“應變-電阻效應”［1］來測量應變，一般采用直流電橋法，這種方法叫做應變電測法。應變電測法具有精度高、應用方便等優點，對于靜態應變測量這一優勢更為明顯。這是應變采集系統測量數據的基本原理［2］，也是應變校準儀模擬輸出應變量的基本原理。

直流電橋一般有單臂電橋、半橋和全橋3種橋路形式，本單位的強度試驗中大規模采用單臂電橋，故本文介紹的校準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。當彈性體受力時產生彈性形變，粘在其表面的電阻應變片則隨其同步變形，因而應變片的電阻值改變。由于測量前電阻應變片組成的橋式電路是平衡的，而電阻應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 采集系統的校準

數萬通道的數據采集系統的校準工作量是巨大的，而現階段只能按照規定進行抽檢，因此，如何準確高效地完成這項校準工作成為業內亟待解決的問題。對所抽檢的通道選擇一些校準點和實驗所用橋路進行校準，這樣既能滿足使用需求又能提高工作效率。當然對于新購(研)系統的校準，需在通道和橋路方式上進行全面驗收。

2.1 校準標準

目前，本單位應變量數采的校準采用中國計量院的DR系列標準模擬應變量校準儀作為標準，原理是旋轉波段開關調制內部電阻的并聯方式從而改變內部電橋橋臂電阻，模擬應變量輸出。其技術指標為:量程范圍0.1με～111110με，精度等級0.05，能夠完全滿足進口或國產數采系統的校準要求。該校準標準器的優點是精度高、穩定性好、體積小便于攜帶，缺點是只能進行單通道數據采集系統的校準，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

數采系統與應變校準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，根據設備使用情況，將雙絞屏蔽線制作成相應橋路所需特殊輸入線，通過更換特殊輸入線實現多橋路的校準。圖2是本單位使用最多的單臂電橋校準連接法示意圖。

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針短接接應變儀B口，2與15針短接接應變儀C口即可。全橋和半橋與單臂電橋相似，只是全橋要將應變校準儀A，B，C，D四口全部接入，半橋將A，B，C三端口接入。

圖2 單臂電橋校準連接示意圖

另外在進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，使達到橋路平衡，進行零點模擬測試。其他通道相同。

2.3 通道的抽取原則和校準點的選取

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、抽檢不重復等原則進行。以每8通道公用一個放大器并只抽檢一個通道計算，抽檢比例為12.5%，放大器校準比例為100%，能夠比較全面地檢驗數采系統，零漂測試時選取的通道習慣上與應變測試時所選通道一致。

每個通道校準點的選取按照《規范》中的選擇方法進行，一般在測量范圍內選擇不少于11個校準點，可根據設備使用方要求靈活變更校準點和范圍，但益取整數。

以HBM MGC PLUS數據采集系統為例，每個機柜有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，校準點根據實際使用情況選取，如表1所示。

2.4 最大允差、線性度和零漂的計算

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

但在實際工作中完成一臺采集系統的校準工作，采集的數據量是非常龐大的，我們將EXCEL格式的采集數據導入專用的數據處理軟件，它能幫我們按照預先設置對無用數據進行自動剔除，將有用數據順序排列并放入帶有計算公式的EXCEL表格中進行計算，計算公式嚴格按照《規范》中規定設置。

表1 某通道校準點及測量數據

將表1數據代入計算可得每個校準點的最大允差、線性度，如表2所示。

表2 各校準點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)，調零后，根據校準規范規定每半小時記錄一次數據，連續觀察4 h以上即可，測試結果見表3。

表3 某通道的零漂測試

其中最大零漂誤差為通道零點每次記錄值與第一次記錄值之差絕對值的最大值。

以校準點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作為系統的技術指標，對于超出該系統技術指標的規定值的通道要給予限用，并在校準證書上寫明限用通道，設備粘貼限用證。對于全部通道合格的系統給予合格證書，設備粘貼合格證。

3 結束語

由于數據采集柜體積大，無法在計量實驗室進行校準，所以一般都在試驗現場進行校準。試驗現場同時進行的其他測試或動力設備運行都會對校準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量測試結果帶來影響，為此，我們一般采取對可疑數據進行多次測試盡量減少隨機誤差，對與超差通道同一放大器下的其他通道全部校準做到嚴格控制。同時特殊輸入線在使用過程中容易由于操作原因產生接觸不良且無法完全屏蔽，這會造成采集數據時信號不穩定、數據采集不準確的現象，導致誤判為數據采集系統不準確，因此在可疑情況下應更換不同的輸入線連接標準源和數據采集系統重復測試。

面對如此大規模應變數據采集設備，目前還只能使用單通道校準標準器來完成，如果按照20%的概率抽檢，總共按60000的通道計算也需要抽檢12000多通道，每個通道需要11個點的手動操作，費時費力效率低下，同時會有海量的校準原始數據生成。

很明顯，在數據處理方面已經做到了相對較高的自動化，減少了人為誤差，但在現場計量由于上述等原因極易出現錯誤，同時由于校準標準器的限制每臺標準器只能一次校準一個通道，這嚴重影響著我們的工作效率，為此我提出一種全新的標準器改進思想。

通過改進模擬應變校準儀內部構造，將半橋、全橋和單臂橋路三種連線方式集成到標準內部，使其可以手動切換，再通過一個多層多刀多位的波段開關在校準標準儀內部構造一個能夠同時調換的多路模擬應變校準儀［3］，這種集成式的校準標準器不僅可以大幅提高工作效率還能實現線路的良好屏蔽，減少外界干擾和操作失誤對校準工作的影響，提高校準準確性。

［1］張從和.強輻射條件下應變測量的抗干擾技術研究［J］.流體力學與實驗測量，2011，15(1):54-56.

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

［3］張宇，常艷.數據采集系統的校準研究［J］.電子測量技術，2012，35(8):98-102.