裝備電氣參數便攜式智能校準裝置設計

鄧雪峰張 雨

(中國人民解放軍92493 部隊,葫蘆島 125001)

1 引言

武器裝備專用電氣參數檢測設備主要包括電氣參數綜合檢測儀、火工品測試儀、綜合檢查臺等,主要為武器裝備提供標準的直流電壓、直流電流、直流電阻、交流電壓和交流電流信號,以及對這些信號進行測試。相關計量校準工作主要依據《JJF 1587-2016 數字多用表校準規范》和《JJF 1638-2017多功能標準源校準規范》,校準環境要求溫度為20 ℃±2 ℃,相對濕度小于75% RH。由于武器裝備多部署在高原、海島,環境條件相對嚴酷,不具備標準的計量實驗室環境條件,給專用電氣參數檢測設備的現場校準工作帶來極大不便,甚至造成設備無法按期、按要求實施計量校準,嚴重影響武器裝備技術性能的保持。針對武器裝備現場保障實際需要,研制了一種通過構設現場校準微環境的小型化、智能化計量標準設備,以及輔助圖像識別技術和程控開關觸發裝置,實現了符合相關校準規范要求的武器裝備專用電氣參數檢測設備現場校準能力,主要設計技術指標如下:

（1）校準微環境控制

有效工作面積:1 m3;

溫度控制范圍為18 ℃～22 ℃,最大允許誤差為±0.2 ℃,溫度均勻性不大于0.5 ℃;

濕度控制范圍為30% RH～75% RH,最大允許誤差為±2%RH,濕度均勻性不大于3% RH。

（2）計量標準性能

直流電壓為±（0.1 V～100 V）,最大允許誤差為±0.05%;

直流電流為±（0.01 A～3 A）,最大允許誤差為±0.05%;

直流電阻為0 Ω～100 kΩ,最大允許誤差為±0.05%;

交流電壓為1 V～120 V、50 Hz～1 kHz,最大允許誤差為±0.1%;

交流電流為0.01 A～3 A、50 Hz～1 kHz,最大允許誤差為±0.1%。

（3）自動計量軟件

具備液晶數字圖像信息自動識別功能和自動觸發功能。

2 裝備電氣參數便攜式智能校準裝置結構原理

裝備電氣參數便攜式智能校準裝置主要包括校準微環境控制艙、板卡級計量標準和自動計量控制系統三部分,如圖1 所示。

圖1 裝備電氣參數便攜式智能校準裝置結構原理圖Fig.1 Structural schematic of portable intelligent electrical parameters measurement and calibration device

2.1 校準微環境控制艙結構原理

控制艙提供1 m3校準工作空間,并實現溫度為20 ℃±2 ℃和濕度為30% RH～75% RH 的校準環境。主要由霧化加濕室、加熱室和空氣循環動力室和冷凝除濕室四部分組成。設定好需要控制的溫濕度值后,由溫濕度傳感器1 和溫濕度傳感器3 采集箱體內的溫濕度數據并將結果傳遞給人機交互單元內置的溫濕度控制系統,自動判斷需要吹沖空氣的溫濕度值,根據判定結果自動選擇控制冷凝除濕室、加熱室和霧化加濕室的工作狀態[1],依靠溫濕度傳感器2 反復測量并控制以獲取需要的吹沖空氣,實現艙內溫濕度的自動控制。

該部分技術實現的難點主要是艙內溫濕度控制算法的確定,以及艙內溫濕度場均勻性的保障。經過反復試驗分析,決定采取如下解決措施。

2.1.1 采用模糊PID 控制算法實現溫濕度艙的快速精準控制

溫濕度設定值與實際值存在較大偏差時,采用模糊控制算法;在兩個值接近時,采用PID 控制算法,該算法可以大大提高溫濕度穩定時間。

首先,模糊控制模型如圖2 所示,經過多次手動試驗控制和采信成熟的控制數據,確定模糊控制規則數據,寫入溫濕度控制系統存儲器。

圖2 模糊控制模型Fig.2 Fuzzy control model

其次,實際控制中,根據測得的艙內溫濕度數據,讀取模糊控制規則數據按公式（1）～公式（3）計算。

式中:KP——比例調節系數;TP——比例控制時間;TeP——輸入偏差比例控制時間;Ki——積分調節系數;Ti——積分時間;Tei——輸入偏差積分時間;KD——微分調節系數;TD——微分時間;TeD——輸入偏差微分時間。

計算獲得模糊PID 控制量u,按公式（4）計算,實現艙內溫濕度的自動快速精準控制[2]。

式中:u（k）——模糊PID 控制量;ΔT（k）——采樣時間;ΔT（i）——積分時間;ΔT（k-1）——下一采樣時間。

2.1.2 采用多次試驗獲取最優結構設計解決均勻性控制問題

溫濕度場的均勻性與艙體氣密性效果、檢測溫濕度傳感器布設位置、進氣和排氣管路位置及結構直接相關。通過多組實際布設和控制試驗,獲取最優結構設計參數,同時在艙體材料內壁敷設鈦合金材料,外膽采用A3 鋼板噴塑,解決了溫濕場均勻性控制的問題。

2.2 板卡級計量標準結構原理

板卡級計量標準主要由表貼式微處理器、表貼標準電阻陣列、7 V 電流電壓基準、PWM 可調分壓器、5 V 正弦波發生器、A／D 轉換器、功能切換開關、調理電路、輸出控制與測量采樣反饋單元構成,如圖3 所示。

圖3 板卡級計量標準設計框圖Fig.3 Design block diagram of board-level metrology standard

其中,7 V 直流電壓基準經PWM 可調分壓器輸出0.1 V～7 V 的標準直流電壓,經增益可調直流電壓放大器輸出0.1 V～100 V 直流電壓,經直流V／I變換電流發生器后輸出±0.01 A～3 A 直流電流;交流電壓與交流電流由5 V 正弦波發生器、增益可調交流電壓放大器和交流V／I 變換電流發生器產生;直流電阻采用1 Ω、10 Ω、100 Ω、1 kΩ、10 kΩ、100 kΩ 共6 只表貼金塑鉑電阻陣列構成,由程控開關切換輸出。輸出控制與測量采樣反饋單元兼顧標準源輸出采樣反饋和數字萬用表測量采樣兩項功能,測量時,采樣獲取的信號經調理電路處理成線性直流和交流電壓信號,經A／D 轉換器轉換為數字信息,由微處理器處理后,顯示測量結果。

此部分電路設計主要難點在于直流電壓基準的穩定性,以及電壓、電流輸出控制的穩定性設計。其中,7 V 直流電壓基準采用了LTZ 1000 高穩定齊納基準,溫度系數為0.05 ppm／℃。為了增加計量標準輸出控制的穩定性,設計中采用了模擬加數字雙閉環反饋控制[3],控制精度得到較大提高。

2.3 自動計量控制系統結構原理

自動計量控制系統主要實現專用電氣參數檢測設備的自動化校準,包括設備顯示數字信息的自動識別,以及設備功能與量程開關的自動切換。

2.3.1 圖像識別

圖像識別的難點在于圖像準確定位截取、圖像邊緣化處理以及圖像字符區域的分割和識別。在校準艙內設置二維攝像頭滑道,放置被校準設備時,進行手動對焦定位,保證圖像截取的準確性。同時,采用像素統計算法,識別和截除顯示字符圖形邊緣,獲取字符顯示區域圖像,再經過垂直投影算法分割字符,如圖4 所示,并對照字符識別庫識別確認字符信息[4,5]。

圖4 字符分割示意圖Fig.4 Character segmentation diagram

2.3.2 切換開關精準定位

采用步進電機來驅動旋鈕開關,通過監測步進電機工作電流狀態,結合視頻圖像匹配結果,使數字萬用表開關旋鈕精準地旋轉到相應的功能位置。校準裝置工作平臺為矩形二維坐標平面,如圖5 所示,其三個角的位置A、B、C 上有定位色塊,用于定位被測設備在矩形中的坐標,開關切換模塊D 由固定架支撐,通過機械結構可在x、y、z三個軸向上任意運動,并通過步進電機控制可圍繞z軸旋轉,攝像頭F 固定在支架上讀取被測設備E 的位置信息,并進行數值的圖像采集。

圖5 校準裝置平臺示意圖Fig.5 Diagram of the calibration device platform

開關切換模塊由步進電機提供轉動動力。當D的撥爪轉動時,電機工作電流持續增大;當電流突然由最大值降低為0 時,即檢測出該萬用表開關旋鈕轉動到了一個新檔位。當開關旋鈕的中心位置與撥爪支撐桿中心不對中時,步進電機可通過串聯撓性聯軸器繼續提供旋轉動力。撥爪支持桿通過彈簧與另一支持桿串聯,并設置一個限位開關,撥爪下降的過程中壓縮彈簧并觸碰限位開關使其停止下降,因此,被檢設備的高度將不會受到限制。由于被檢設備開關旋鈕的顏色一致,圖像處理起來非常困難,因此,需在旋鈕的兩側粘貼不同顏色的貼紙,用以區分開關旋鈕的指向,并通過兩個貼紙的相對位置確定開關旋鈕的中心位置,提供開關切換模塊在x、y軸上的運動坐標。

3 測量不確定度評定

以直流電壓10 V 點為例進行測量結果不確定度評定。

3.1 評定依據

根據《JJF1059.1-2012 測量不確定度評定與表示》以及《JJF1587-2016 數字多用表校準規范》進行不確定度評定。

3.2 測量方法

采用標準源法,用板卡級計量標準對某電氣參數綜合檢測儀進行校準,板卡級計量標準的設定值為標準值,某電氣參數綜合檢測儀的測量值為示值,計算其示值誤差。

3.3 測量模型

式中:ΔU——被校某電氣參數綜合檢測儀的示值誤差;UX——被校某電氣參數綜合檢測儀的示值;UN——板卡級計量標準的設定值。

3.4 不確定度來源

在標準條件下,溫度、濕度、輸入零電流、輸入阻抗等帶來的影響可忽略,測量結果不確定度來源主要包括:

（1）板卡級計量標準引入的不確定度分量u1

（2）被校某電氣參數綜合檢測儀分辨力引入的不確定度分量u2

（3）被校某電氣參數綜合檢測儀測量重復性引入的不確定度分量u3

3.5 測量結果不確定度評定

（1）板卡級計量標準在10 V 點引入的不確定度分量u1

根據板卡級計量標準允許誤差指標,其直流電壓10 V 點最大允許誤差為

其半寬度為5×10-3V,在區間內認為服從均勻分布,包含因子,則板卡級計量標準在10 V點引入的不確定度分量為

（2）被校某電氣參數綜合檢測儀分辨力引入的不確定度分量u2

某電氣參數綜合檢測儀10 V 測量點的分辨力為0.001 V,半寬度為0.000 5 V,服從均勻分布,包含因子,則被校某電氣參數綜合檢測儀分辨力引入的不確定度分量為

（3）被校某電氣參數綜合檢測儀測量重復性引入的不確定度分量u3

用板卡級計量標準對某電氣參數綜合檢測儀直流電壓10 V 點獨立測量6 次,測量數據如表1所示。

表1 直流電壓測量數據Tab.1 DC voltage measurement data

計算得到試驗標準偏差為

以單次測量結果為測量值,則測量重復性引入的不確定度分量為

（4）計算合成標準不確定度

考慮到被校某電氣參數綜合檢測儀讀數的重復性和分辨力存在重復,在合成時將二者中較小的值舍去,即u2和u3取大者,則合成標準不確定度為

（5）確定擴展不確定度為[6,7]

4 試驗驗證

研制的驗證樣機,如圖6 所示,對校準微環境控制艙恒溫恒濕效果和板卡級計量標準性能進行驗證。

圖6 驗證樣機外觀圖Fig.6 Appearance of the verification prototype

4.1 校準微環境控制艙恒溫恒濕效果驗證

在外部環境-15 ℃和45 ℃兩個條件下,設定現場校準裝置微環溫度為20 ℃,相對濕度為60% RH,校準艙工作平臺中心位置標準溫濕度傳感器實際測試數據如表2 所示。

表2 溫濕度驗證數據Tab.2 Temperature and humidity verification data

實測數據顯示,驗證樣機在溫度控制20 ℃時滿足最大允許誤差±0.2 ℃的要求,相對濕度控制60% RH 時滿足最大允許誤差±2% RH 的要求。

4.2 板卡級計量標準性能驗證

用FLUKE8508A 數字多用表和FLUKE5730A校準源采用標準源法對板卡級計量標準性能進行測試,數據如表3 和表4 所示,板卡級計量標準性能滿足設計指標要求。

表3 輸出功能驗證數據Tab.3 Output functional verification data

表4 測試功能驗證數據Tab.4 Test functional verification data

5 結束語

通過試驗驗證,該裝備電氣參數便攜式智能校準裝置技術指標符合設計要求,可以解決高山、海島等復雜環境下武器裝備配套檢測設備的現場校準技術難題,對提高武器裝備計量保障工作質效具有較好的促進作用,推廣應用前景廣闊。