毛 爽，張永興，李曉寧

(中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所，陜西 西安 710065)

1 引 言

在飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗中，測力傳感器通常需要利用協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng)的分路校準(zhǔn)功能，來檢驗傳感器的準(zhǔn)確性[1]。分路校準(zhǔn)誤差不僅可以確定測力傳感器的準(zhǔn)確性，還可以在一定程度上反映傳感器和線纜等存在的問題。文獻(xiàn)[1]對靈敏度校準(zhǔn)和分路校準(zhǔn)兩種校準(zhǔn)方法進(jìn)行了理論對比和試驗驗證，得出分路校準(zhǔn)精度更高的結(jié)論。文獻(xiàn)[2]比較了多種傳感器的接線方式，認(rèn)為八線制接線方式具有更高的可靠性和安全性。文獻(xiàn)[3]通過分析測力傳感器校準(zhǔn)誤差來源，確認(rèn)線纜類故障是測力傳感器校準(zhǔn)誤差的主要來源。

本文采用八線制接法[2]，針對文獻(xiàn)[3]提出的測力傳感器校準(zhǔn)誤差來源進(jìn)行進(jìn)一步的深入研究，通過對分路校準(zhǔn)誤差原理的分析和統(tǒng)計試驗線纜問題的經(jīng)驗，總結(jié)測力傳感器常見問題與分路校準(zhǔn)誤差的關(guān)系，得到基于分路校準(zhǔn)誤差的測力傳感器常見問題分析方法，快速確定問題來源，提高測力傳感器常見問題的處理效率。

2 分路校準(zhǔn)原理分析

本文以簡單的單臂電橋為例，其分路校準(zhǔn)原理如圖1所示。

圖1 測力傳感器分路校準(zhǔn)原理

測力傳感器激勵電壓為Ui，電橋電阻為R，在任意橋臂并聯(lián)校準(zhǔn)電阻R校準(zhǔn)，此時電橋輸出電壓U0即為分路校準(zhǔn)值。

(1)

根據(jù)文獻(xiàn)[4]，在飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗中，測力傳感器的分路校準(zhǔn)誤差E可以表示為：

(2)

其中，U實際為控制系統(tǒng)分路校準(zhǔn)值，U期望為計量檢定分路校準(zhǔn)值。

3 常見問題與校準(zhǔn)誤差

3.1 常見問題來源

根據(jù)文獻(xiàn)[3]提出的分路校準(zhǔn)誤差來源分析，測力傳感器的常見問題主要來源可歸納為4類：參數(shù)配置問題、線纜問題、傳感器問題、控制系統(tǒng)采集板卡問題，如表1所示。

表1 測力傳感器常見問題主要來源

其中，參數(shù)配置問題主要是由于控制系統(tǒng)軟硬件配置導(dǎo)致的，屬于人為原因，易于排查；線纜問題為出現(xiàn)頻率最高的問題，且不易排查；傳感器問題為傳感器靈敏度、零點(diǎn)、穩(wěn)定性等原因?qū)е?，不易排查?/p>

3.2 常見問題對校準(zhǔn)誤差的影響

通過式(1)、式(2)的分路校準(zhǔn)誤差理論分析，可獲得測力傳感器常見問題對校準(zhǔn)誤差的影響。

3.2.1 分路校準(zhǔn)電阻問題

在測力傳感器的橋路中未使用分路校準(zhǔn)電阻，導(dǎo)致傳感器輸出為0，此時U實際=0，再由式(2)，可得分路校準(zhǔn)誤差為-100%。

在測力傳感器的橋路中使用錯誤的分路校準(zhǔn)電阻時，根據(jù)文獻(xiàn)[4]的改進(jìn)方法，假設(shè)標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)電阻R1的實際校準(zhǔn)值為U1，校準(zhǔn)誤差為E1，U1理論上應(yīng)與計量檢定值U期望相同，則E1理論值為0，錯誤校準(zhǔn)電阻R2的實際校準(zhǔn)值為U2，校準(zhǔn)誤差為E2，則有：

U期望×R1=U1×R1=U2×R2

(3)

進(jìn)而可得：

(4)

由上式可以得到使用與標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)電阻不同校準(zhǔn)電阻的理論校準(zhǔn)誤差值，如表2所示。

表2 錯誤電阻校驗誤差(單位：%)

3.2.2 線纜問題

為保證力載荷測量具有更高的可靠性和安全性，目前測力傳感器采用八線制線纜，同時具有雙屏蔽保護(hù)，如圖2所示。

圖2 測力傳感器八線制接線

(1)線纜斷路

a)激勵信號或反饋信號線纜斷路，傳感器反饋異常，雙向校準(zhǔn)誤差大于-100%。

b)激勵檢測信號或反饋檢測信號線纜斷路，與斷路線纜同向的校準(zhǔn)誤差為-100%，反方向則正常1%以內(nèi)。

c)屏蔽信號線纜斷路，一般不會出現(xiàn)校準(zhǔn)誤差過大，存在外界環(huán)境干擾時，校準(zhǔn)誤差過大，為不確定值。

(2)線纜短路

a)激勵信號或激勵檢測信號線纜短路，協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng)會提示激勵故障和板卡故障，此時傳感器反饋為0，雙向校驗誤差為-100%。

b)反饋信號或反饋檢測信號線纜短路，反饋輸出值為0，雙向校準(zhǔn)誤差均為-100%。

c)激勵信號與反饋信號線纜短路，傳感器在不受力時，根據(jù)圖1電橋測量原理，分路校準(zhǔn)值如下。

R1被短路，正激勵與正反饋短路：

(5)

R2被短路，負(fù)激勵與正反饋短路：

(6)

R3被短路，正激勵與負(fù)反饋短路：

(7)

R4被短路，負(fù)激勵與負(fù)反饋短路：

(8)

綜合上述四種情況可以得出，當(dāng)激勵與反饋短路時，分路校準(zhǔn)值約為激勵電壓的±1/2，即±5V。

d)激勵或反饋信號線纜與屏蔽線纜短路時，通過傳感器進(jìn)行屏蔽線纜短接測試，結(jié)合大量的工程試驗統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，激勵或激勵檢測與大小屏蔽、反饋或反饋檢測與小屏蔽短路時，校準(zhǔn)誤差基本和表3數(shù)據(jù)相近，但反饋或反饋檢測與大屏蔽短路時，校準(zhǔn)誤差為隨機(jī)值。

表3 激勵或反饋與屏蔽線纜短路

3.2.3 其他問題

當(dāng)傳感器出現(xiàn)反饋不穩(wěn)、零點(diǎn)漂移大等問題時，多為傳感器自身問題或控制系統(tǒng)采集板卡問題，此時力反饋測量不準(zhǔn)確，分路校準(zhǔn)不通過，分路校準(zhǔn)誤差為不確定值。

3.3 主要問題與校準(zhǔn)誤差關(guān)系

根據(jù)上述理論計算和試驗經(jīng)驗，歸納分路校準(zhǔn)誤差現(xiàn)象，可分析測力傳感器的問題來源：

(1)雙向分路校準(zhǔn)誤差均為-100%時，一般為傳感器未接、校準(zhǔn)電阻未插、激勵或激勵檢測線纜斷路、反饋或反饋檢測線纜斷路、激勵或激勵檢測短路、反饋或反饋檢測短路。

(2)單向分路校準(zhǔn)誤差為-100%、反向為0%時，一般為-100%誤差對應(yīng)的激勵檢測或反饋檢測線纜斷路。

(3)分路校準(zhǔn)誤差為±90%時，一般為激勵或激勵檢測與大小屏蔽斷路，反饋或反饋檢測與小屏蔽短路。

(4)分路校準(zhǔn)值為±5V時，一般為激勵或激勵檢測與反饋或反饋檢測短路。

(5)分路校準(zhǔn)誤差為隨機(jī)值時，一般為反饋或反饋檢測與大屏蔽斷路，屏蔽線纜斷路受到干擾。

(6)出現(xiàn)如表2所示的特殊分路校準(zhǔn)誤差時，一般為分路校準(zhǔn)電阻錯誤。

4 測力傳感器常見問題處理方法

飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗中，可以利用協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng)的激勵反饋檢測功能和分路校驗功能，根據(jù)控制系統(tǒng)錯誤信息和分路校準(zhǔn)誤差，快速定位測力傳感器在試驗使用中的主要問題來源。

根據(jù)文獻(xiàn)[3]的結(jié)論，按照表1的測力傳感器使用常見問題出現(xiàn)頻次由高到低進(jìn)行排查和處理，具體方法和過程如下：

(1)檢查參數(shù)配置問題，核對控制系統(tǒng)參數(shù)配置與測力傳感器，確認(rèn)傳感器與控制通道對應(yīng)，靈敏度、分路校準(zhǔn)值、校準(zhǔn)方式等參數(shù)與計量證書一致。

(2)若參數(shù)配置準(zhǔn)確，檢查傳感器是否接線，當(dāng)出現(xiàn)傳感器反饋超量程時，一般為傳感器未接或線纜斷路。

(3)檢查校準(zhǔn)電阻是否與計量證書一致，當(dāng)分路校準(zhǔn)誤差出現(xiàn)與表2數(shù)值相近值時，一般為校準(zhǔn)電阻問題。例如，當(dāng)校驗誤差約為-16.67%時，可能是標(biāo)準(zhǔn)電阻為50kΩ的傳感器實際插入60kΩ的電阻或者標(biāo)準(zhǔn)電阻為100kΩ的傳感器實際插入120kΩ的電阻。

(4)當(dāng)校準(zhǔn)誤差出現(xiàn)與表3接近或者隨機(jī)數(shù)值，一般歸結(jié)為線纜問題，通過分路校準(zhǔn)誤差與表3數(shù)值比對，可以基本判斷出具體線纜問題，及時更換或修理。

(5)檢查傳感器自身問題。若確定參數(shù)配置線纜均無問題，檢查傳感器問題；若出現(xiàn)零點(diǎn)漂移大、測量線性度差等問題，應(yīng)禁用該傳感器。校驗誤差較大超出試驗允許范圍時，一般使用另一只完好的同量程傳感器進(jìn)行比對。若新傳感器使用正常，則原傳感器存在問題禁用，及時更換新傳感器。

(6)檢查控制系統(tǒng)通道板卡問題，一般采用已通過正常使用確定的另一完好通道，接入傳感器和線纜，若傳感器使用正常，則原通道故障，更換新通道。

5 結(jié) 論

本文針對測力傳感器常見問題來源進(jìn)行深入分析研究，通過分路校準(zhǔn)原理得到部分問題與分路校準(zhǔn)誤差的理論關(guān)系，結(jié)合線纜問題測試與試驗統(tǒng)計，得到線纜問題與分路校準(zhǔn)誤差的關(guān)系，總結(jié)得到基于分路校準(zhǔn)誤差的測力傳感器常見問題分析和處理方法。利用該方法可快速確定測力傳感器問題來源，提高測力傳感器常見問題的處理效率。