基于周期檢測應變測量技術研究

高戰朋，張清勇

（中國飛機強度研究所，陜西?西安?710065）

全機靜力試驗是飛機研制過程中重要一環[1-2]，也是新研制飛機首飛的必要條件之一。在全機靜力試驗中，通過測量飛機結構的應變來確定飛機機體結構的應力分布、傳力路徑，并為驗證飛機結構強度的計算方法以及結構是否滿足設計要求提供必要的數據[2]。國內外傳統上采用電阻應變計結合惠斯通電橋進行應變測量。全機結構靜力試驗關鍵受力結構較多，相應布置的測量點也數量繁多，一般一架全機靜力試驗機布置的應變測量點數量在6000點以上，某型飛機布置應變測量點折合單軸應變計多達39000片，全機靜力試驗要求最大應變測量規模在12000～14000通道，實際最大測量規模超過20000通道，并且試驗件尺寸普遍較大，應變計引線長度一般在7～10m，最長可達60m，目前應變主要采用電阻應變計大多通過1/4橋三線制惠斯通電橋進行測量。在試驗準備階段，應變計接線、焊線工作量很大，同時人工進行應變計編號傳遞也容易出現錯誤，而且現場布線量也規模龐大，給試驗實施帶來很多困難和挑戰。為減少現場布線及提高試驗應變測量準備效率，開展了分布式應變測量技術研究。

1??分布式應變測量系統原理及特點

一般意義上的自動測試系統[3]是指采用計算機控制，能夠實現自動化測試的系統，也就是對能自動完成激勵、測量、數據處理并顯示或輸出測試結果的一類系統的統稱。飛機應變測量系統是飛機結構靜強度試驗自動測試系統一部分，分為電阻應變計以及基于惠斯通電橋的應變數據采集系統。數據采集系統一般包括系統信號調理、A/D轉換、數據采集與通信模塊以及數據管理與顯示模塊等。隨著網絡技術的發展，將信號調理、A/D轉換、數據采集與通信模塊靠近測試對象，分布到現場，數字信號通過網絡傳輸給數據管理與顯示模塊，這樣的系統通常稱為分布式采集系統。分布式數據采集系統分為3種：基于以太網數據采集系統、基于LXI嵌入式分布式數據采集系統和基于CAN總線[3]分布式數據采集系統。前兩種分布式采集系統，需單獨配置電源及控制器，采用惠斯通電橋進行應變測量，前端調理電路及通信模塊、電源及風冷模塊在現場，體積過大，無法有效減少現場電纜分布。基于現場CAN總線的分布式數據采集系統前端調理采集單元供電通過CAN總線提供，可以放置到飛機機體上，有效減少試驗現場測量的布線量。而基于周期檢測的分布式應變測量技術，從應變測量方式及現場CAN總線的選擇減少現場的布線量。

2???基于周期檢測分布式應變測量技術原理及系統??組成

基于周期檢測的分布式應變測量技術原理及系統組成原理框圖見圖1。

如圖1所示，現場采集單元通過CAN服務器提供電源和通信鏈路。應用服務器位于控制中心，通過以太網與CAN服務器組通信，匯集實時應變數據，并實時顯示和管理試驗過程。

圖1 系統組成原理框圖

2.1??基于周期檢測應變測量技術

基于周期檢測的應變測量單元與傳統電橋應變測量不同。現場采集單元使用了電壓-頻率轉換（V-F，Voltage-Frequency）測量方式間接檢測應變計電阻的變化，采用高頻的計時脈沖（ps級），對信號周期進行測量，使測量有很高的精度（萬分之一）。對電阻應變計應變測量方式開展了創新的研究，增加了前端調理電路的集成度，每個采集單元可以測量16通道的應變數據。采集單元集成方便，可以形成采集單元陣列，如圖2所示。

第1級：現場級

圖2 現場采集單元陣列

2.2??電壓 - 頻率轉換（V-F）技術原理

單穩態的電壓-頻率轉換電路主要由電壓-頻率轉換芯片、外接電阻Rt、電容Ct和定時比較器、復零晶體管、R-S觸發器以及負載RL、CL構成。原理圖見圖3。

圖3 基于LM331電壓-頻率轉換原理

設CL充電時間為t1，放電時間為t2，R為定時比較器電阻，則輸出頻率f0=1/（t1+t2）f0=Uri/（RL/R×t1），T=t1+t2=（RL/R×t1）/Ui。當電壓發生變化時，周期/頻率發生變化，通過檢測周期變化實現對電壓及電阻測量，實際是對電阻及電容組成的自振蕩電路的周期特性的測量。

2.3??現場 CAN 總線管理技術

將現場CAN總線技術與互聯網技術結合，組成智能化、模塊化、大規模的CAN總線管理服務器。將CAN總線網絡節點分為管理節點及數據采集節點進行綜合管理，大大提高了CAN總線管理效率和規模。

從以上技術研究中可以看出，通過對周期檢測進行應變測量，建立在阻容振蕩電路基礎上的動態測量，在試驗現場及引線過程中，容易受到現場電磁環境影響，以及應變計測量過程中引線的分布電容及分布電阻的影響，對周期檢測帶來干擾。同時，由于應變測量方式的改變，使得系統校準/檢定方法也要進行相應的改變。針對以上問題，提出了以定長帶屏蔽的引線進行消除分布電容影響，采用以標準電阻變化為基準的檢定方式進行檢定方案，為此開展了相關驗證。

3??驗證研究試驗

驗證研究試驗采用模擬的機翼假件作為試驗件，粘貼應變計，使用采集系統的原理樣機進行驗證試驗，采用多通道協調加載系統進行加載。試驗件及試驗安裝情況見圖4、圖5。采用5m和20m的帶屏蔽引線和不帶屏蔽引線進行接線測試，由測試結果可以看出：帶屏蔽的線纜引線可以有效地減少分布電容和分布電阻的影響；引線越長，引起分布電容及分布電阻帶來干擾的振幅越大。

圖4 機翼模擬件示意圖

?圖5?現場安裝情況示意

3.1??驗證試驗數據對比結果

采用5m、20m不帶屏蔽引線先進行測試，然后接屏蔽再進行測試，通過對比測量，測試結果分析可以得出：不帶屏蔽測量結果應變紋波最大達到±1000με，接屏蔽后，應變紋波在±30με以內。

3.2??檢定 /校準方法驗證及結果

傳統應變采集系統使用電橋進行測量，通過電阻應變儀進行計量/檢定。根據基于周期檢測的分布式應變測量系統原理及系統校準/檢定要求，提出了采用電阻相對變化量直接進行系統校準/檢定方法，進行了系統校準/檢定，檢定/校準結果數據見表1。

表1 部分檢定驗證結果數據

3.3??數據分析

驗證試驗結果表明：在不加屏蔽的情況下，應變計引線長度與分布電容及分布電阻引起干擾幅度正相關，從測試結果分析可知，引線進行屏蔽可以有效地減小分布電容及分布電阻引起的干擾。

從檢定結果數據可以看出，采用標準電阻變化對基于周期檢測的分布式應變測量技術的系統進行計量校準/檢定是可行的。

4??結論

采用基于周期檢測分布應變測量技術，可以減少傳統應變測量的現場布線的工作量，用來進行飛機靜力試驗應變測試是可行的，但在使用過程中，必須堅持以下方案及原則：

（1）應變計到采集單元到電阻應變計的引線采用兩線制且必須是帶屏蔽的；

（2）應變計引線不超過5m。

基于周期檢測的分布式應變測量技術是針對傳統電阻應變計-惠斯通電橋測量模式一種創新，提高了電阻應變計前端采集單元的集成度，可以形成應變計采集單元陣列。采用該方案可以減少應變計的現場引線長度和數量，可以有效提高大規模應變測量準備的效率，也為應變計應變測量提供了一種新的思路，可在其他結構試驗應變測量中進行推廣。