毛 爽,米 征,張永興
(中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所,陜西?西安?710065)
在飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)中,由于經(jīng)常使用測(cè)力傳感器來測(cè)量對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)施加的力載荷,因此測(cè)力傳感器的準(zhǔn)確性和可靠性直接關(guān)系到試驗(yàn)載荷施加是否準(zhǔn)確,以及試驗(yàn)運(yùn)行是否安全可靠[1-2]。文獻(xiàn)[3]證明了測(cè)力傳感器分路校準(zhǔn)方法在飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)中校準(zhǔn)精度更高。文獻(xiàn)[4]從計(jì)量檢定、試驗(yàn)應(yīng)用角度出發(fā),結(jié)合單臂電橋分路校準(zhǔn)原理和試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證得到校準(zhǔn)電阻與分路校準(zhǔn)值之間的近似反比例關(guān)系,進(jìn)而提出了一種可以使用固定校準(zhǔn)電阻來匹配不同測(cè)力傳感器的分路校準(zhǔn)改進(jìn)方法,并在飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)中得到驗(yàn)證,減少了試驗(yàn)更換電阻帶來的工作量,同時(shí)減少了校準(zhǔn)電阻的種類,提高試驗(yàn)運(yùn)行效率。
本文采用八線制接法[5],忽略線纜故障等影響[6],針對(duì)文獻(xiàn)[4]提出的測(cè)力傳感器分路校準(zhǔn)改進(jìn)方法,對(duì)分路校準(zhǔn)誤差進(jìn)行深入研究,以單臂惠斯通電橋?yàn)槔碚撏茖?dǎo)得到校準(zhǔn)電阻與校準(zhǔn)誤差的關(guān)系,分析得到不同的校準(zhǔn)電阻對(duì)校準(zhǔn)誤差的影響,以及校準(zhǔn)誤差變換趨勢(shì)和范圍,并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析結(jié)論的正確,為驗(yàn)證該改進(jìn)方法的準(zhǔn)確性和可行性提供了重要理論依據(jù),對(duì)該改進(jìn)方法在飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)中的應(yīng)用有參考指導(dǎo)意義。
本文以簡單的單臂電橋?yàn)槔?,其分路校?zhǔn)原理如圖1所示,惠斯通電橋的輸出電壓如公式(1)所示[7-8]。
圖1 ??惠斯通電橋分路校準(zhǔn)圖
當(dāng)電橋接入校準(zhǔn)電阻時(shí),電壓輸出就是分路校準(zhǔn)值,由分路校準(zhǔn)的支路分流原理推導(dǎo)可得分路校準(zhǔn)值U0校準(zhǔn)為:
其中,R校準(zhǔn)為校準(zhǔn)電阻,R為電橋電阻,Ui為激勵(lì)電壓。
根據(jù)文獻(xiàn)[4]的結(jié)論,可以得到校準(zhǔn)電阻與分路校準(zhǔn)值的反比例關(guān)系,即如下公式:
基于上述的測(cè)力傳感器分路校準(zhǔn)改進(jìn)方法,本文主要針對(duì)分路校準(zhǔn)誤差進(jìn)行研究,理論分析不同校準(zhǔn)電阻與校準(zhǔn)誤差之間的關(guān)系,分析更換校準(zhǔn)電阻導(dǎo)致的校準(zhǔn)誤差變化的趨勢(shì)和范圍,為證明該方法的準(zhǔn)確性和可行性提供理論依據(jù)。
在飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)中,測(cè)力傳感器的分路校準(zhǔn)誤差E是指在試驗(yàn)加載協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中使用與計(jì)量檢定相同阻值的校準(zhǔn)電阻進(jìn)行分路校準(zhǔn),得到實(shí)際分路校準(zhǔn)值U0實(shí)際與計(jì)量檢定期望值U0期望之間的相對(duì)誤差,該誤差是由校準(zhǔn)電阻精度差異導(dǎo)致的。因此,分路校準(zhǔn)誤差E可以表示為:
根據(jù)測(cè)力傳感器的計(jì)量檢定結(jié)果,假設(shè)計(jì)量檢定中使用的校準(zhǔn)電阻為R校準(zhǔn)=R0,R0為高精度電阻,得到分路校準(zhǔn)期望值U0校準(zhǔn)=U0期望。
在飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)中,使用相同阻值的校準(zhǔn)電阻R1=R0,得到試驗(yàn)的實(shí)際分路校準(zhǔn)值為U0校準(zhǔn)=U01。
根據(jù)公式(1)可以得到:
根據(jù)公式(3)可以得到分路校準(zhǔn)誤差E1為:
當(dāng)使用改進(jìn)方法時(shí),校準(zhǔn)電阻R2≠R0,同理可以得到分路校準(zhǔn)值U02和校準(zhǔn)誤差E2為:
根據(jù)分路校準(zhǔn)改進(jìn)方法原理,即公式(2),還可以得到:
聯(lián)立公式(4)~(8),可以得到改進(jìn)方法更換校準(zhǔn)電阻后的誤差E2為:
或者校準(zhǔn)誤差變化值ΔE可以表示為:
在飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)中,通過分析公式(10)可以得到改進(jìn)方法使用前后的校準(zhǔn)誤差變化值與校準(zhǔn)電阻變化值的關(guān)系,取E1=±1.0%,R=350 kΩ,如表1、表2所示。
表1 ??校準(zhǔn)誤差變化ΔE理論值(E1=1.0%)
表2 ??校準(zhǔn)誤差變化ΔE理論值(E1=-1.0%)
根據(jù)公式(10)和表1、表2,可以得出如下結(jié)論:
(1)ΔR校準(zhǔn)與ΔE之間存在正相關(guān)關(guān)系:
當(dāng) ΔR校準(zhǔn)>0時(shí),ΔE>0;
當(dāng) ΔR校準(zhǔn)<0時(shí),ΔE<0;
當(dāng) ΔR校準(zhǔn)=0時(shí),ΔE=0;
且ΔR校準(zhǔn)增大,ΔE也隨之增大,反之,ΔR校準(zhǔn)減小,ΔE也隨之減小。
(3)根據(jù)試驗(yàn)要求的測(cè)力傳感器分路校準(zhǔn)誤差在±1%以內(nèi)的要求,則由結(jié)論(2)可得到,使用改進(jìn)方法后的校準(zhǔn)誤差可能會(huì)變成±1.51%以內(nèi)。
為驗(yàn)證上述結(jié)論,選取某量程為40 kN的測(cè)力傳感器,其計(jì)量標(biāo)定中使用的校準(zhǔn)電阻R0為80 kΩ,分路校準(zhǔn)期望值為7.698 V,換算工程力期望值為30792 N[4]。在試驗(yàn)中得到實(shí)際分路校準(zhǔn)值為30595 N,校準(zhǔn)誤差為-0.64%。
在試驗(yàn)中,使用改進(jìn)方法進(jìn)行分路校準(zhǔn),根據(jù)公式(2)和公式(10)可以得到更換電阻后的分路校準(zhǔn)期望值U02期望和校準(zhǔn)誤差變化ΔE理論值,如表3所示。
表3 ??校準(zhǔn)誤差變化ΔE理論值
根據(jù)測(cè)力傳感器分路校準(zhǔn)改進(jìn)方法,通過試驗(yàn)更換不同的校準(zhǔn)電阻,得到實(shí)際的分路校準(zhǔn)誤差E2和校準(zhǔn)誤差變化ΔE實(shí)際值,如表4所示。
表4 ??校準(zhǔn)誤差變化ΔE實(shí)際值
由表4可知,采用改進(jìn)方法得到的分路校準(zhǔn)誤差ΔE變化趨勢(shì)符合理論分析結(jié)論(1)。ΔE的實(shí)際值均小于理論值,符合理論分析結(jié)論(2),這充分證明該改進(jìn)方法的準(zhǔn)確。通過大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),改進(jìn)方法會(huì)導(dǎo)致校準(zhǔn)誤差超過1%,但從未超過1.51%,可以證明滿足結(jié)論(3)的理論分析結(jié)果。上述結(jié)論可以證明,該改進(jìn)方法理論分析結(jié)論與試驗(yàn)結(jié)論一致,充分證明了該方法的準(zhǔn)確,滿足飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)對(duì)測(cè)力傳感器分路校準(zhǔn)的使用要求。
本文以飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)中的測(cè)力傳感器分路校準(zhǔn)改進(jìn)方法為研究對(duì)象,對(duì)分路校準(zhǔn)誤差進(jìn)行深入研究?;趩伪刍菟雇姌虻姆致沸?zhǔn)原理,分析不同校準(zhǔn)電阻對(duì)校準(zhǔn)誤差的影響,理論分析得出校準(zhǔn)誤差變化值與校準(zhǔn)電阻變化值的正相關(guān)關(guān)系。進(jìn)而得到改進(jìn)方法變更電阻導(dǎo)致的校準(zhǔn)誤差變化趨勢(shì)和變化范圍,并通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了理論分析結(jié)論,證實(shí)了該改進(jìn)方法的誤差變化值均小于理論值,為驗(yàn)證該改進(jìn)方法的準(zhǔn)確性和可行性提供了重要理論依據(jù)。更換校準(zhǔn)電阻導(dǎo)致校準(zhǔn)誤差的變化趨勢(shì)和范圍的確定,對(duì)該改進(jìn)方法在飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)中的應(yīng)用有參考指導(dǎo)意義。