李鐵林，黃　楊，丁騰歡

(中國飛行試驗研究院，西安　710089)

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基于鉑電阻的機(jī)載測溫系統(tǒng)校準(zhǔn)方法改進(jìn)

李鐵林，黃楊，丁騰歡

(中國飛行試驗研究院，西安710089)

為了解決機(jī)載鉑電阻測溫系統(tǒng)機(jī)上校準(zhǔn)工作量大、實施難等問題，根據(jù)機(jī)載鉑電阻測溫原理和校準(zhǔn)方法，分析了對于單個測溫通道在實驗室與機(jī)載環(huán)境下測量結(jié)果之間的差異，提出了一種對實驗室校準(zhǔn)曲線進(jìn)行修正而替代機(jī)上校準(zhǔn)曲線的方法，并通過實驗對該方法進(jìn)行驗證；設(shè)計了根據(jù)機(jī)載測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)文件、系統(tǒng)配置文件，批量修正實驗室校準(zhǔn)曲線的軟件;任意選擇的8個參數(shù)進(jìn)行工程驗證，采用原方法和本文方法進(jìn)行校準(zhǔn)得到的兩組校準(zhǔn)曲線，分別對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到測量結(jié)果的最大偏差與量程比不超過0.27%，證明修正后實驗室校準(zhǔn)曲線與機(jī)上校準(zhǔn)曲線基本一致，可以用作數(shù)據(jù)處理；結(jié)果證明，改進(jìn)后校準(zhǔn)方法方便、高效，校準(zhǔn)結(jié)果滿足機(jī)載測試要求，為機(jī)載參數(shù)校準(zhǔn)提供了新思路。

機(jī)載測試；鉑電阻；校準(zhǔn)；改進(jìn)方法

0　引言

機(jī)載測試是飛行試驗數(shù)據(jù)的主要來源，其中溫度類參數(shù)是機(jī)載測試的重要研究對象，對飛機(jī)鑒定具有重要意義。Pt100鉑電阻具有測量范圍大，穩(wěn)定性好，重復(fù)性好以及耐氧化等特點，常被用來作為-200～850 ℃范圍的國際標(biāo)準(zhǔn)溫度計[1-3]，因此，在飛行試驗溫度測試中，選用分度特性符合IEC751-1995標(biāo)準(zhǔn)的鉑電阻傳感器，測量溫度范圍包含在-55～650 ℃內(nèi)的環(huán)控、液壓及燃油系統(tǒng)溫度參數(shù)。

根據(jù)機(jī)載鉑電阻測溫原理以及測量精度要求，試驗機(jī)完成測試改裝后，測試人員需要在機(jī)載環(huán)境下對每一路測溫通道進(jìn)行校準(zhǔn)，隨著大型、新型飛機(jī)試飛的密集開展，對校準(zhǔn)工作提出新的挑戰(zhàn)：1)工作量大，溫度參數(shù)分布在機(jī)身各處且數(shù)以千計；2)實施不便，且至少需要兩人配合；3)周期緊張，型號進(jìn)度要求試驗機(jī)測試改裝在飛機(jī)總裝時穿插進(jìn)行，可利用的有效時間非常有限。目前，上述問題愈加突出，迫切的需要更加方便、高效的校準(zhǔn)方法。

1　機(jī)載鉑電阻測溫原理及校準(zhǔn)簡述

1.1機(jī)載鉑電阻測溫的原理簡述

機(jī)載鉑電阻測溫原理采用三線制單恒流源法，如圖1所示，Rt為鉑電阻值，r為連接阻值，I0為恒定電流大小。由圖中可得基本關(guān)系式(1)、(2)、(3)，若認(rèn)為連接電阻r1=r2=r3，可得式(4)：

圖1　機(jī)載鉑電阻測溫原理

1.2機(jī)載鉑電阻測溫校準(zhǔn)簡述

機(jī)載環(huán)境下測溫通校準(zhǔn)工作方式如圖2所示，按照試飛測試參數(shù)校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)，在測量范圍內(nèi)較均勻地選取m(m≥7)個校準(zhǔn)點，使用PT100鉑電阻值校準(zhǔn)箱模擬校準(zhǔn)溫度對應(yīng)的電阻值，接入測試通道并記錄測量結(jié)果，每個參數(shù)要求有效測量不少于4次；其次，計算各校準(zhǔn)點測量結(jié)果的平均值，使用最小二乘法利用各平均值擬合校準(zhǔn)曲線[4-5]。

圖2　機(jī)載鉑電阻測溫校準(zhǔn)工作方式

按照式(7)可根據(jù)N計算出Rt值，由工業(yè)鉑電阻分度表插值或由電阻-溫度特性直接計算可得到溫度值[6]，但是工程中無法滿足r1=r2=r3，式(7)不成立，我們采用校準(zhǔn)的方法建立碼值和溫度的關(guān)系。校準(zhǔn)過程如上文所述，具有以下優(yōu)點：1)校準(zhǔn)以一定周期重復(fù)，溫度參數(shù)1年校準(zhǔn)一次，可避免由于長期工作導(dǎo)致測試系統(tǒng)各特性改變對測試結(jié)果的影響[4]；2)可消除各個環(huán)節(jié)引入的系統(tǒng)誤差，例如r1≠r2≠r3；3)利用校準(zhǔn)曲線處理數(shù)據(jù)更方便。由式(2)、(7)可得式(8)，其中B=K(r2-r1)+b，可見N與Rt仍為線性關(guān)系，由于電阻-溫度特性是非線性，應(yīng)將校準(zhǔn)曲線擬合為多項式[6]，但是為了便于數(shù)據(jù)處理，試飛測試中將校準(zhǔn)曲線擬合為一條直線，對于精度要求較高的參數(shù)采取分段校準(zhǔn)，以多條直線分段逼近實際曲線以滿足精度要求。

(8)

2　機(jī)載鉑電阻測溫校準(zhǔn)方法改進(jìn)

2.1機(jī)載鉑電阻測溫實驗室校準(zhǔn)與修正

(9)

對上述假設(shè)進(jìn)行驗證，選擇一個被測溫度范圍10-95℃的參數(shù)進(jìn)行驗證，設(shè)置測試系統(tǒng)測溫范圍0-100℃，設(shè)置I0為1.6 mA，選取10、20、40、50、70、80、90、100℃共8個校準(zhǔn)點，使用同一校準(zhǔn)箱進(jìn)行校準(zhǔn)，表1、表2所示為校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，表3所示兩次校準(zhǔn)的對比結(jié)果，可見在機(jī)載測溫系統(tǒng)中式9成立。

表1　飛機(jī)上校準(zhǔn)數(shù)據(jù)

表2　實驗室校準(zhǔn)數(shù)據(jù)

表3　兩次校準(zhǔn)數(shù)據(jù)對比

表4　兩種校準(zhǔn)方法結(jié)果對比

計算兩次校準(zhǔn)的校準(zhǔn)曲線如圖3所示，可見實驗室校準(zhǔn)曲線平移204.65個碼值即為機(jī)上校準(zhǔn)曲線，結(jié)合式(9)與表3可得一種新的鉑電阻測溫校準(zhǔn)方法：對某溫度參數(shù)進(jìn)行實驗室校準(zhǔn)，任意選擇一個校準(zhǔn)點作為校準(zhǔn)修正點，測試系統(tǒng)改裝完成后，在機(jī)上對該點測量一組數(shù)據(jù)并求得平均值，按該點兩次測量平均值之差修正實驗室校準(zhǔn)曲線后可作為機(jī)上校準(zhǔn)曲線。按表3中N2x-N1x進(jìn)行修正，得到的一組新校準(zhǔn)曲線與機(jī)上校準(zhǔn)結(jié)果最大相差13.85個碼值，換算成溫度為0.02℃，在環(huán)控、液壓及燃油系統(tǒng)溫度測量時可忽略，說明該方法滿足機(jī)載測試要求。

圖3　校準(zhǔn)曲線對比圖

2.2校準(zhǔn)曲線批量修正軟件設(shè)計

實驗室校準(zhǔn)便于實施、工作效率高，但需按圖2方法在飛機(jī)上測量一個修正點，影響工作效率的提升，因此設(shè)計軟件批量修正校準(zhǔn)曲線。軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示，由測試數(shù)據(jù)處理、校準(zhǔn)曲線處理、修正量計算三部分組成：1)測試數(shù)據(jù)處理的對象是機(jī)載測試系統(tǒng)采集、記錄的數(shù)據(jù)，包含所有溫度參數(shù)，在測試系統(tǒng)工作時接入校準(zhǔn)箱并保持1～2秒，使測試數(shù)據(jù)中存在一組修正點測量值，處理結(jié)果是以參數(shù)名為列、采集時間為行的二維矩陣，矩陣中的一個點表示某參數(shù)在某時刻的碼值，稱作數(shù)據(jù)點；2)校準(zhǔn)曲線以Excel格式存儲，校準(zhǔn)曲線處理部分批量獲取校準(zhǔn)曲線文件中的一些信息，例如參數(shù)名、各校準(zhǔn)點平均碼值、校準(zhǔn)曲線的斜率及零位，并且創(chuàng)建一個Excel文件用以批量存儲修正后的校準(zhǔn)曲線，包括參數(shù)名、校準(zhǔn)曲線的斜率、零位[7]；修正量計算是根據(jù)修正點在實驗室、機(jī)上測量結(jié)果計算出修正量，程序流程如圖5所示。強(qiáng)調(diào)兩點：1)測試系統(tǒng)在未連接傳感器或校準(zhǔn)箱時測量結(jié)果為0或65535，地面連接傳感器時測量結(jié)果一般為環(huán)境溫度，為了保證程序有效執(zhí)行修正點選取盡量遠(yuǎn)離當(dāng)前環(huán)境溫度；2)程序執(zhí)行時在先批量獲取校準(zhǔn)曲線信息，然后為每一個參數(shù)人工選擇一個修正點，飛機(jī)上測量修正點要嚴(yán)格等同于在軟件上的選擇的點。

圖4　軟件結(jié)構(gòu)圖

圖5　修正量計算程序流程圖

綜合以上，本文給出一種機(jī)載鉑電阻測溫實驗室校準(zhǔn)方法：第一、在實驗室對各測試通道進(jìn)行校準(zhǔn)，擬合出校準(zhǔn)曲線；第二、使用軟件根據(jù)機(jī)載測試數(shù)據(jù)批量修正校準(zhǔn)曲線。

3　工程驗證

在某試驗機(jī)上隨機(jī)選取分布在油箱、起落架液壓、燃油泵的8個參數(shù)，分別采用本文方法、原方法進(jìn)行校準(zhǔn)，表4所示為兩種方法分別得到的校準(zhǔn)曲線對比，可以看出同一參數(shù)的兩條校準(zhǔn)曲線基本重合，分別采用兩條校準(zhǔn)曲線處理數(shù)據(jù)得到結(jié)果的最大偏差與量程比不超過0.27%，滿足測試要求。

4　結(jié)論

本文基于理論分析與實驗，給出了一種新的機(jī)載鉑電阻測溫校準(zhǔn)方法，實驗結(jié)果表明，采用該方法得到的校準(zhǔn)曲線精度滿足測試需求。該方法方便、高效，同時為試飛測試參數(shù)校準(zhǔn)提供了新的思路。

[1] 劉少強(qiáng),張靖,等.三線制鉑電阻高精度測溫方法[J].自動化儀表,2002,23(11)：20-23.

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Improved Method for Calibration of Platinum Resistor-based Airborne Temperature Acquisition System

Li Tielin，Huang Yang,Ding Tenghuan

(Chinese Flight Test Establishment，Xi′an710089，China)

In airborne situation,the calibration of platinum resistor-based airborne temperature acquisition system is of big amount of labor,and hard to operate. Based on the measuring and calibration theory of the platinum resistor-based airborne temperature acquisition system,this paper analyzes the comparison of the calibration of one single test channel between in airborne and in lab. To replace the calibration curve obtained in airborne,a correction method of the calibration curve obtained in lab is given. And the experiment to verify is conducted. The software which is to correct the calibration curves in lab which depends on the data file and configuration file of the test system is designed. The data of 8 random engineering parameters are processed with the traditional and the correction calibration curves. The maximum error between the two results is no more than 0.27% to the measuring range. It is proved that the new calibration method is more convenient and more effective,which can meet the demands of the flight test. And this provides a new method to calibrate parameters in airborne.

airborne test; platinum resistor; calibration; improved method

1671-4598(2016)04-0019-03DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.04.006

TP274

A

2015-10-27；

2015-11-26。

李鐵林(1987-)，男，陜西富平人，碩士，工程師，主要從事機(jī)載測試技術(shù)研究。