黃曉龍 堯建平 孫向麗 / 中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所；強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)完整性全國重點實驗室

0 引言

在飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗中，靜力、疲勞試驗為靜態(tài)測量，也有部分試驗項目需要動態(tài)測量，如結(jié)構(gòu)振動、聲學(xué)和沖擊等，該類試驗統(tǒng)稱為結(jié)構(gòu)動強(qiáng)度試驗。這類試驗大多使用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測量來自傳感器的應(yīng)變、電壓、電流等信號。在試驗中，不僅需要測量這些信號的準(zhǔn)確值，還需要分析信號的時頻響應(yīng)特性，因此，該類試驗使用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在計量檢定時不僅需要對系統(tǒng)的測量誤差、線性度、零漂誤差等靜態(tài)指標(biāo)進(jìn)行校準(zhǔn)，還需要對其動態(tài)參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)[1]。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的國家校準(zhǔn)規(guī)范中規(guī)定的校準(zhǔn)項目較多，適用范圍是以電壓量作為輸入信號的數(shù)采系統(tǒng)校準(zhǔn)。為切合使用需求，在實際計量校準(zhǔn)中一般根據(jù)使用情況選用電壓或應(yīng)變量校準(zhǔn)器進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)，如選用測應(yīng)變的標(biāo)準(zhǔn)模擬應(yīng)變量校準(zhǔn)器進(jìn)行計量，選用測量傳感器電壓輸出等的多功能校準(zhǔn)源進(jìn)行計量。在飛機(jī)結(jié)構(gòu)動強(qiáng)度試驗中使用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)多用于應(yīng)變信號測量，其使用場景類似于應(yīng)變儀[2]，但電阻應(yīng)變儀與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的檢定/校準(zhǔn)參照完全不同的國家規(guī)范開展，因此，一般自編內(nèi)部校準(zhǔn)方法。在自編內(nèi)部校準(zhǔn)方法時，需要綜合考慮使用要求、儀器特性等多個因素，確定該類數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的校準(zhǔn)項目。

1 國家規(guī)程中的校準(zhǔn)項目

梳理數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的國家校準(zhǔn)規(guī)范[3]中規(guī)定的校準(zhǔn)項目，有如下幾項。

1）誤差限：分為單通道采集誤差限和循環(huán)采集誤差限兩種，計量標(biāo)準(zhǔn)器是直流標(biāo)準(zhǔn)信號源。

2）線性度：計量標(biāo)準(zhǔn)器是直流標(biāo)準(zhǔn)信號源。

3）時間漂移：分為零點時間漂移和增益時間漂移，計量標(biāo)準(zhǔn)器是直流標(biāo)準(zhǔn)信號源配不平衡電阻，時間為4 h。

4）通道采集速率：分為單通道最高采集速率、循環(huán)最高采集速率，計量標(biāo)準(zhǔn)器是標(biāo)準(zhǔn)周期信號源。

5）通道間串?dāng)_：計量標(biāo)準(zhǔn)器是直流標(biāo)準(zhǔn)信號源。

此外，該規(guī)范規(guī)定的選校項目有如下幾項：輸入電阻、輸入通頻帶、動態(tài)有效位數(shù)、共模抑制比、串模抑制特性（采集系統(tǒng)對某頻率點附近的信號有特殊抑制要求時才執(zhí)行該規(guī)范）、溫度漂移（區(qū)分為零點溫度漂移、增益溫度漂移）。

梳理電阻應(yīng)變的國家檢定規(guī)程[4]中對動態(tài)電阻應(yīng)變儀規(guī)定的檢定項目，有如下幾項。

1）示值誤差：計量標(biāo)準(zhǔn)器是標(biāo)準(zhǔn)模擬應(yīng)變量校準(zhǔn)器。

2）非線性誤差：計量標(biāo)準(zhǔn)器是標(biāo)準(zhǔn)模擬應(yīng)變量校準(zhǔn)器。

3）穩(wěn)定度：包括零位漂移和示值穩(wěn)定性，時間為2 h。

4）信噪比測試：計量標(biāo)準(zhǔn)器是標(biāo)準(zhǔn)模擬應(yīng)變量校準(zhǔn)器。

5）頻率響應(yīng)誤差：該項目分為交流供橋型和直流供橋型，直流供橋型需用信號發(fā)生器，交流供橋型需用應(yīng)變儀頻率響應(yīng)測量儀。

6）電阻/電容平衡范圍和電容平衡范圍測試。

7）標(biāo)定值誤差：當(dāng)應(yīng)變儀帶有內(nèi)部標(biāo)定器時要求檢定。

8）衰減（增益）誤差：當(dāng)應(yīng)變儀帶有衰減（增益）開關(guān)時要求檢定。

9）低通濾波特性：當(dāng)應(yīng)變儀帶有低通濾波器時要求檢定。

2 動強(qiáng)度試驗數(shù)采系統(tǒng)校準(zhǔn)項目分析

對比數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)校準(zhǔn)規(guī)范和電阻應(yīng)變儀檢定規(guī)程中對于校準(zhǔn)/檢定項目的要求可以看出，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)校準(zhǔn)規(guī)范中的誤差限、線性度、時間漂移和動態(tài)有效位數(shù)分別對應(yīng)于電阻應(yīng)變儀檢定規(guī)程中的示值誤差、非線性誤差、穩(wěn)定度和信噪比。所以這四項計量特性是兩個規(guī)程中均規(guī)定的計量項目，但依據(jù)調(diào)研實驗需求，結(jié)構(gòu)動強(qiáng)度試驗往往試驗時間短暫，更加關(guān)心瞬態(tài)特性，故時間漂移指標(biāo)對試驗結(jié)果沒有影響，因此，時間漂移項目可以不做校準(zhǔn)?；诖颂岢觯赫`差限、線性度和動態(tài)有效位數(shù)三項指標(biāo)應(yīng)作為結(jié)構(gòu)動強(qiáng)度試驗中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的校準(zhǔn)項目。

依據(jù)調(diào)研試驗需求，采集速率關(guān)乎試驗數(shù)據(jù)的完整性和有效性[5]，建議校準(zhǔn)。輸入通頻帶即數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的帶寬，是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的重要技術(shù)指標(biāo)，也是試驗測試的重要技術(shù)指標(biāo)，建議校準(zhǔn)。通道間串?dāng)_給試驗帶來的影響通過配置數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通道能夠排除[6]，同時對于大規(guī)模的數(shù)據(jù)采集通道，通道間串?dāng)_的計量檢定非常耗費時間和人力，因此，不建議校準(zhǔn)。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)校準(zhǔn)規(guī)范中規(guī)定的校準(zhǔn)項目除以上內(nèi)容外，還有共模抑制比、串模抑制特性、溫度漂移等，這些均為選校項目且面向具備特定要求的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，不會影響結(jié)構(gòu)動強(qiáng)度試驗測量數(shù)據(jù)，故可不做校準(zhǔn)。電阻應(yīng)變儀檢定規(guī)程中規(guī)定的檢定項目還有標(biāo)定值誤差、衰減（增益）誤差和低通濾波特性、頻率響應(yīng)誤差、電阻/電容平衡范圍測試。其中，標(biāo)定值誤差、衰減（增益）誤差和低通濾波特性分別是在應(yīng)變儀帶有內(nèi)部標(biāo)定器、增益開關(guān)和低通濾波器時要求檢定，頻率響應(yīng)誤差的計量檢定需要配備信號發(fā)生器[7]，電阻/電容平衡范圍僅要求作為測試項目，而且上述幾項雖然一些數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也有這些功能，但由于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)校準(zhǔn)規(guī)范中并無相關(guān)項目的要求，故對于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可不做校準(zhǔn)。

綜上評估分析，可以給出飛機(jī)結(jié)構(gòu)動強(qiáng)度試驗中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的計量校準(zhǔn)項目為以下五項：誤差限、線性度、通道采集速率、輸入通頻帶、動態(tài)有效位數(shù)。其中誤差限和線性度的校準(zhǔn)信號為直流標(biāo)準(zhǔn)信號，可按照試驗需求進(jìn)行電壓量或應(yīng)變量的校準(zhǔn)。動態(tài)有效位數(shù)的校準(zhǔn)信號為標(biāo)準(zhǔn)周期信號，通道采集速率的校準(zhǔn)信號為標(biāo)準(zhǔn)周期信號，輸入通頻帶的標(biāo)準(zhǔn)器為正弦交流標(biāo)準(zhǔn)源，因此，這三項可進(jìn)行電壓量校準(zhǔn)。

3 校準(zhǔn)方法

校準(zhǔn)方法參照相關(guān)國家規(guī)范進(jìn)行，主要考慮可操作性、工作效率和經(jīng)濟(jì)適用性。

3.1 測量誤差、線性度校準(zhǔn)

1）校準(zhǔn)連線如圖1 所示，信號源為直流或應(yīng)變信號，選擇11 個校準(zhǔn)點。

圖1 校準(zhǔn)接線

2）按自定的抽檢原則（或全檢），選擇一個測量通道接到標(biāo)準(zhǔn)器上。

3）加載標(biāo)準(zhǔn)信號，啟動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，記錄采集數(shù)據(jù)，每個校準(zhǔn)點分別記錄4 次輸出值Xi。

4）更換通道，重復(fù)上述操作，直至完成所有抽檢通道校準(zhǔn)。

5）系統(tǒng)測量誤差按下列公式計算：

式中：Xi—— 系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)值；

n—— 每個校準(zhǔn)點采集數(shù)據(jù)個數(shù)；

E—— 系統(tǒng)輸入標(biāo)準(zhǔn)信號的幅度；

Er—— 通道的量程；

σ—— 采集數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差

按式（1）分別求出各校準(zhǔn)點的測量誤差，以其中絕對值最大的測量誤差作為該通道的測量誤差；以所有抽檢通道和巡檢通道絕對值最大的測量誤差作為系統(tǒng)測量誤差。

6）系統(tǒng)線性度按式（4）計算：

按式（4）分別求出各點的線性度，以其中最大值作為該通道線性度；以所有抽檢通道線性度最大值作為系統(tǒng)線性度。

3.2 通道采集速率校準(zhǔn)

1）校準(zhǔn)連線如圖1 所示，信號源是標(biāo)準(zhǔn)周期信號源。選擇一個測量通道接到信號源上。

2）設(shè)置系統(tǒng)為單通道最高采集速率狀態(tài)。

3）選擇通道采集數(shù)據(jù)個數(shù)n（≥1 000）。

4）設(shè)置系統(tǒng)通道量程。

5）選擇信號源信號峰峰值（一般為對應(yīng)通道量程的50%～100%），按式（5）選擇信號頻率f：

式中：υid—— 單通道最高采集速率的標(biāo)稱值；

n—— 被測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)每個通道采集數(shù)據(jù)個數(shù)

6）加載信號，啟動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，記錄采集數(shù)據(jù)。

7）按式（6）計算出單通道最高采集速率υd：

式中：N—— 采集數(shù)據(jù)的信號周期個數(shù)；

nN—— 采集數(shù)據(jù)個數(shù)

8）對于具有不同最高采集速率的量程，應(yīng)分別進(jìn)行校準(zhǔn)。

3.3 動態(tài)有效位數(shù)校準(zhǔn)

該項校準(zhǔn)一般在基本量程下進(jìn)行，校準(zhǔn)連線如圖1 所示，信號源為低失真正弦交流標(biāo)準(zhǔn)源[8]，選擇一個測量通道接到信號源上。

1）設(shè)置采集方式（單通道）及系統(tǒng)最高采集速率狀態(tài)。

2）設(shè)置每個通道采集數(shù)據(jù)個數(shù)n（≥1 000），并選擇設(shè)置量程。

3）按式（7）選取低失真正弦信號的頻率，按式（8）選取低失真正弦信號的峰值：

式中：υ—— 通道采集速率

4）加載信號，啟動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，記錄折合到通道輸入端的（2 個以上信號周期的）采集數(shù)據(jù)Xi，(i= 1，…，n）。

5）按最小二乘法找出最佳擬合正弦信號：

式中：a(t) —— 擬合信號的瞬態(tài)值；

E—— 擬合正弦信號的幅度；

f—— 擬合正弦信號的頻率值，Hz；

θ—— 擬合正弦信號的初相位，rad；

d—— 擬合信號的直流分量值

6）按式（10）計算實際有效值誤差：

式中：ti—— 第i個測量點的時刻；

Xi——ti時刻折合到通道輸入端的采集數(shù)據(jù)（i= 1，…，n）

7）被測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的理想有效值誤差Pi由式（11）計算：

式中：b—— 被測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器位數(shù)

8）按式（12）計算被測系統(tǒng)的動態(tài)有效位數(shù)EB，單位為dB：

3.4 帶寬校準(zhǔn)

1）校準(zhǔn)接線如圖1 所示，標(biāo)準(zhǔn)源為交流標(biāo)準(zhǔn)源。

2）設(shè)置通道采集速率為最高。

3）選擇標(biāo)準(zhǔn)源信號峰峰值2E在對應(yīng)通道量程的50%～100%之間的單頻正弦波信號，設(shè)置測量通道于相應(yīng)的量程。

4）選定校準(zhǔn)頻率f，f取值滿足式（7）。

5）按選定校準(zhǔn)頻率f和幅值2E給系統(tǒng)輸入信號，啟動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采集數(shù)據(jù)個數(shù)應(yīng)足夠多（≥1 000），記錄通道采集數(shù)據(jù)xmi（i= 1，2，…，n）。

7）以f為參考點，增加信號頻率至上限頻率fH。在其他條件不變的情況下，給系統(tǒng)輸入信號，啟動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，記錄通道采集數(shù)據(jù)。

8）求出測得的正弦波信號幅度UH，計算出新的幅度比。計算，若，則頻率fH滿足上限頻率。

9）以f為參考點，降低信號頻率至下限頻率fL（可采集直流信號的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其通道下限頻率fL= 0）。在其他條件不變的情況下，給系統(tǒng)輸入信號，啟動采集，記錄通道采集數(shù)據(jù)。

10）求出測得的正弦波信號幅度UL，計算出新的幅度比。計算，若，則頻率fL滿足下限頻率。

11）切換通道和量程，重復(fù)執(zhí)行上述操作。

12）對于可進(jìn)行有效值測量的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，直接測量其Um、UH、UL，并計算，判斷符合性。

4 結(jié)語

本文基于相關(guān)國家規(guī)范，結(jié)合飛機(jī)結(jié)構(gòu)動強(qiáng)度試驗中的需求對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的計量校準(zhǔn)項目進(jìn)行了研究分析，并給出了結(jié)構(gòu)動強(qiáng)度試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)計量校準(zhǔn)的項目和對應(yīng)的校準(zhǔn)方法。在實際計量工作中，同一種設(shè)備在不同的場景中往往會有不同的計量需求，但在同類使用場景的設(shè)備，可按本文思路進(jìn)行校準(zhǔn)項目梳理，進(jìn)而編制內(nèi)部校準(zhǔn)方法，相較于完全參照國家規(guī)范能夠科學(xué)而合規(guī)地節(jié)省大量資源。