黃曉龍，堯建平，郭宏民，李映樸

(中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所 七室，陜西 西安 710065)

1 引 言

標(biāo)準(zhǔn)模擬應(yīng)變量校準(zhǔn)器可代替標(biāo)準(zhǔn)電阻應(yīng)變計(jì)產(chǎn)生模擬標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變信號(hào)，能夠用于檢定各種交流或直流供橋的靜態(tài)電阻應(yīng)變儀及應(yīng)變量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。目前，市面常見(jiàn)的標(biāo)準(zhǔn)模擬應(yīng)變量校準(zhǔn)器是中國(guó)計(jì)量院生產(chǎn)的DR系列單通道設(shè)備，其具有準(zhǔn)確度高、量程寬、線性度好等特點(diǎn)，但其只有單通道輸出，且為手動(dòng)模式，工作效率低。

全自動(dòng)多通道模擬應(yīng)變量校準(zhǔn)器是通過(guò)自動(dòng)控制繼電器開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)多路模擬應(yīng)變量同時(shí)輸出，通過(guò)校準(zhǔn)軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)器實(shí)時(shí)通信，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并自動(dòng)處理的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器，其校準(zhǔn)原理如圖1所示。

圖1 校準(zhǔn)原理框圖

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 校準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)計(jì)

根據(jù)JJF 1048-1995《數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)校準(zhǔn)規(guī)范》，校準(zhǔn)點(diǎn)的選取一般是在測(cè)量范圍內(nèi)選擇11個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)，因此計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器通常使用為固定的11個(gè)點(diǎn)。

表1 標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變對(duì)應(yīng)的橋臂電阻值

為精確實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)器輸出阻值，并控制誤差在萬(wàn)分之五以內(nèi)，本次設(shè)計(jì)采用并聯(lián)電路搭建阻值，繼電器切換輸出點(diǎn)。通過(guò)多次迭代優(yōu)化和評(píng)估，確定以126Ω電阻為基準(zhǔn)，并聯(lián)1344Ω固定電阻加變化電阻的模式，各校準(zhǔn)點(diǎn)阻值分配如表2所示。

表2 各校準(zhǔn)點(diǎn)阻值設(shè)計(jì)

2.2 控制方案設(shè)計(jì)

一般數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)每個(gè)端口有4或8通道，在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)中，多使用DB50接頭將多個(gè)端口進(jìn)行轉(zhuǎn)接，再通過(guò)線纜連接應(yīng)變片，此時(shí)每個(gè)端口最多連接16個(gè)通道。為實(shí)現(xiàn)一次校準(zhǔn)最少一個(gè)接線端，本校準(zhǔn)器設(shè)計(jì)16通道并行輸出。每通道制作一個(gè)線路板，每個(gè)校準(zhǔn)器含16個(gè)線路板，電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 電路設(shè)計(jì)圖

為實(shí)現(xiàn)程序控制標(biāo)準(zhǔn)器自動(dòng)輸出，使用單片機(jī)控制繼電器實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)器的輸出和校準(zhǔn)點(diǎn)切換。以控制16通道、每通道11個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)計(jì)算，單片機(jī)需要實(shí)現(xiàn)176個(gè)繼電器的控制。因此，使用38譯碼器進(jìn)行IO口擴(kuò)展。為了實(shí)現(xiàn)半橋和全橋輸出，需要控制多路協(xié)同輸出，共需實(shí)現(xiàn)以下3種控制模式：

1/4橋模式：16個(gè)通道并行輸出，單片機(jī)控制所有通道按序切換校準(zhǔn)點(diǎn)。

半橋模式：8個(gè)通道并行輸出，單片機(jī)控制相鄰兩路正負(fù)向校準(zhǔn)點(diǎn)協(xié)同切換。

全橋模式：4個(gè)通道并行輸出，單片機(jī)控制相鄰4路正負(fù)向校準(zhǔn)點(diǎn)協(xié)同切換。

控制原理如圖3所示。

圖3 輸出控制原理框圖

3 誤差分析

校準(zhǔn)器的誤差來(lái)源主要有繼電器、電阻和連接線。其中，電阻阻值的不準(zhǔn)確和連接導(dǎo)線的線阻引入的誤差屬于系統(tǒng)誤差，繼電器接觸電阻的波動(dòng)屬于隨機(jī)誤差。校準(zhǔn)器誤差來(lái)源如圖4所示。

圖4 誤差來(lái)源分析

3.1 電阻不準(zhǔn)確引入的誤差分析

圖5 并聯(lián)電路誤差模型

考慮r的誤差Δr引起的應(yīng)變誤差：

式中：ΔR為阻值變化量，R0為標(biāo)準(zhǔn)120Ω電阻，r為并聯(lián)電阻，ε為應(yīng)變值，ε′為引入誤差后的應(yīng)變值，Δε為應(yīng)變值變化量?？梢钥闯?，校準(zhǔn)器由電阻引入的誤差小于并聯(lián)電阻的誤差。定制電阻誤差可做到0.01%，所以電阻不準(zhǔn)確引入的誤差小于0.01%。

3.2 繼電器接觸電阻阻值波動(dòng)引入的誤差分析

校準(zhǔn)器按照0.05級(jí)指標(biāo)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，其最大允許誤差為±(0.05%輸出+0.2με)，通過(guò)等長(zhǎng)布線消除線路阻值誤差后，允許繼電器引入的誤差還有0.04%，據(jù)此計(jì)算繼電器接觸電阻阻值波動(dòng)引入誤差的允許值，計(jì)算結(jié)果如表3所示。本文僅列出了最關(guān)鍵的2000με點(diǎn)，可以看出，繼電器接觸電阻的阻值波動(dòng)應(yīng)不超過(guò)192μΩ。

表3 繼電器接觸電阻阻值波動(dòng)允許值

一般繼電器的接觸電阻在50mΩ左右。水銀繼電器是通過(guò)水銀導(dǎo)通觸點(diǎn)，具有微小且穩(wěn)定的接觸電阻，本校準(zhǔn)設(shè)計(jì)選用水銀繼電器，在使用前需要對(duì)繼電器接觸電阻進(jìn)行測(cè)量。使用8508A高精度數(shù)字多用表對(duì)水銀繼電器進(jìn)行篩選，用其測(cè)量50mΩ時(shí)絕對(duì)不確定度小于5μΩ，可以滿足繼電器篩選要求。

通過(guò)以上分析可以看出，使用單片機(jī)控制繼電器，實(shí)現(xiàn)模擬應(yīng)變量信號(hào)輸出的校準(zhǔn)器設(shè)計(jì)方案是可行的。

4 結(jié)束語(yǔ)

飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)，特別是全機(jī)強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)中動(dòng)輒要進(jìn)行成千上萬(wàn)的應(yīng)變片粘貼，需要大量通道的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的計(jì)量校準(zhǔn)關(guān)乎試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠。在對(duì)手動(dòng)式單通道模擬應(yīng)變量校準(zhǔn)器使用多年后，研究了多通道全自動(dòng)校準(zhǔn)器設(shè)計(jì)方案，開(kāi)發(fā)專業(yè)軟件程序控制該裝置，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的全自動(dòng)計(jì)量校準(zhǔn)，極大地提升了計(jì)量檢定的工作效率，為試驗(yàn)節(jié)省設(shè)備和時(shí)間成本，具有很高的使用價(jià)值。