高戰(zhàn)朋，張清勇

（中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所，陜西?西安?710065）

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

1??分布式應(yīng)變測量系統(tǒng)原理及特點

一般意義上的自動測試系統(tǒng)[3]是指采用計算機(jī)控制，能夠?qū)崿F(xiàn)自動化測試的系統(tǒng)，也就是對能自動完成激勵、測量、數(shù)據(jù)處理并顯示或輸出測試結(jié)果的一類系統(tǒng)的統(tǒng)稱。飛機(jī)應(yīng)變測量系統(tǒng)是飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度試驗自動測試系統(tǒng)一部分，分為電阻應(yīng)變計以及基于惠斯通電橋的應(yīng)變數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般包括系統(tǒng)信號調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)采集與通信模塊以及數(shù)據(jù)管理與顯示模塊等。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，將信號調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)采集與通信模塊靠近測試對象，分布到現(xiàn)場，數(shù)字信號通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給數(shù)據(jù)管理與顯示模塊，這樣的系統(tǒng)通常稱為分布式采集系統(tǒng)。分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分為3種：基于以太網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、基于LXI嵌入式分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和基于CAN總線[3]分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。前兩種分布式采集系統(tǒng)，需單獨配置電源及控制器，采用惠斯通電橋進(jìn)行應(yīng)變測量，前端調(diào)理電路及通信模塊、電源及風(fēng)冷模塊在現(xiàn)場，體積過大，無法有效減少現(xiàn)場電纜分布?；诂F(xiàn)場CAN總線的分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)前端調(diào)理采集單元供電通過CAN總線提供，可以放置到飛機(jī)機(jī)體上，有效減少試驗現(xiàn)場測量的布線量。而基于周期檢測的分布式應(yīng)變測量技術(shù)，從應(yīng)變測量方式及現(xiàn)場CAN總線的選擇減少現(xiàn)場的布線量。

2???基于周期檢測分布式應(yīng)變測量技術(shù)原理及系統(tǒng)??組成

基于周期檢測的分布式應(yīng)變測量技術(shù)原理及系統(tǒng)組成原理框圖見圖1。

如圖1所示，現(xiàn)場采集單元通過CAN服務(wù)器提供電源和通信鏈路。應(yīng)用服務(wù)器位于控制中心，通過以太網(wǎng)與CAN服務(wù)器組通信，匯集實時應(yīng)變數(shù)據(jù)，并實時顯示和管理試驗過程。

圖1 系統(tǒng)組成原理框圖

2.1??基于周期檢測應(yīng)變測量技術(shù)

基于周期檢測的應(yīng)變測量單元與傳統(tǒng)電橋應(yīng)變測量不同?，F(xiàn)場采集單元使用了電壓-頻率轉(zhuǎn)換（V-F，Voltage-Frequency）測量方式間接檢測應(yīng)變計電阻的變化，采用高頻的計時脈沖（ps級），對信號周期進(jìn)行測量，使測量有很高的精度（萬分之一）。對電阻應(yīng)變計應(yīng)變測量方式開展了創(chuàng)新的研究，增加了前端調(diào)理電路的集成度，每個采集單元可以測量16通道的應(yīng)變數(shù)據(jù)。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(xiàn)場級

圖2 現(xiàn)場采集單元陣列

2.2??電壓 - 頻率轉(zhuǎn)換（V-F）技術(shù)原理

單穩(wěn)態(tài)的電壓-頻率轉(zhuǎn)換電路主要由電壓-頻率轉(zhuǎn)換芯片、外接電阻Rt、電容Ct和定時比較器、復(fù)零晶體管、R-S觸發(fā)器以及負(fù)載RL、CL構(gòu)成。原理圖見圖3。

圖3 基于LM331電壓-頻率轉(zhuǎn)換原理

設(shè)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(dāng)電壓發(fā)生變化時，周期/頻率發(fā)生變化，通過檢測周期變化實現(xiàn)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(xiàn)場 CAN 總線管理技術(shù)

將現(xiàn)場CAN總線技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合，組成智能化、模塊化、大規(guī)模的CAN總線管理服務(wù)器。將CAN總線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分為管理節(jié)點及數(shù)據(jù)采集節(jié)點進(jìn)行綜合管理，大大提高了CAN總線管理效率和規(guī)模。

從以上技術(shù)研究中可以看出，通過對周期檢測進(jìn)行應(yīng)變測量，建立在阻容振蕩電路基礎(chǔ)上的動態(tài)測量，在試驗現(xiàn)場及引線過程中，容易受到現(xiàn)場電磁環(huán)境影響，以及應(yīng)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(yīng)變測量方式的改變，使得系統(tǒng)校準(zhǔn)/檢定方法也要進(jìn)行相應(yīng)的改變。針對以上問題，提出了以定長帶屏蔽的引線進(jìn)行消除分布電容影響，采用以標(biāo)準(zhǔn)電阻變化為基準(zhǔn)的檢定方式進(jìn)行檢定方案，為此開展了相關(guān)驗證。

3??驗證研究試驗

驗證研究試驗采用模擬的機(jī)翼假件作為試驗件，粘貼應(yīng)變計，使用采集系統(tǒng)的原理樣機(jī)進(jìn)行驗證試驗，采用多通道協(xié)調(diào)加載系統(tǒng)進(jìn)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(jìn)行接線測試，由測試結(jié)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(jī)翼模擬件示意圖

?圖5?現(xiàn)場安裝情況示意

3.1??驗證試驗數(shù)據(jù)對比結(jié)果

采用5m、20m不帶屏蔽引線先進(jìn)行測試，然后接屏蔽再進(jìn)行測試，通過對比測量，測試結(jié)果分析可以得出：不帶屏蔽測量結(jié)果應(yīng)變紋波最大達(dá)到±1000με，接屏蔽后，應(yīng)變紋波在±30με以內(nèi)。

3.2??檢定 /校準(zhǔn)方法驗證及結(jié)果

傳統(tǒng)應(yīng)變采集系統(tǒng)使用電橋進(jìn)行測量，通過電阻應(yīng)變儀進(jìn)行計量/檢定。根據(jù)基于周期檢測的分布式應(yīng)變測量系統(tǒng)原理及系統(tǒng)校準(zhǔn)/檢定要求，提出了采用電阻相對變化量直接進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)/檢定方法，進(jìn)行了系統(tǒng)校準(zhǔn)/檢定，檢定/校準(zhǔn)結(jié)果數(shù)據(jù)見表1。

表1 部分檢定驗證結(jié)果數(shù)據(jù)

3.3??數(shù)據(jù)分析

驗證試驗結(jié)果表明：在不加屏蔽的情況下，應(yīng)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(guān)，從測試結(jié)果分析可知，引線進(jìn)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(jié)果數(shù)據(jù)可以看出，采用標(biāo)準(zhǔn)電阻變化對基于周期檢測的分布式應(yīng)變測量技術(shù)的系統(tǒng)進(jìn)行計量校準(zhǔn)/檢定是可行的。

4??結(jié)論

采用基于周期檢測分布應(yīng)變測量技術(shù)，可以減少傳統(tǒng)應(yīng)變測量的現(xiàn)場布線的工作量，用來進(jìn)行飛機(jī)靜力試驗應(yīng)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(yīng)變計到采集單元到電阻應(yīng)變計的引線采用兩線制且必須是帶屏蔽的；

（2）應(yīng)變計引線不超過5m。

基于周期檢測的分布式應(yīng)變測量技術(shù)是針對傳統(tǒng)電阻應(yīng)變計-惠斯通電橋測量模式一種創(chuàng)新，提高了電阻應(yīng)變計前端采集單元的集成度，可以形成應(yīng)變計采集單元陣列。采用該方案可以減少應(yīng)變計的現(xiàn)場引線長度和數(shù)量，可以有效提高大規(guī)模應(yīng)變測量準(zhǔn)備的效率，也為應(yīng)變計應(yīng)變測量提供了一種新的思路，可在其他結(jié)構(gòu)試驗應(yīng)變測量中進(jìn)行推廣。