风洞天平校准装置的技术特性和评定方法研究

罗天保，沈景鹏，黄 健，王作全

（中国空气动力研究与发展中心校准测试实验室，四川 绵阳 621000）

0 引 言

风洞天平是一种力和力矩传感器，是用于航空航天飞行器研制做风洞测力试验最重要的测量装置，它对空气动力载荷测量的准确度和可靠性不仅取决于其本身的性能，而且取决于对其校准的准确度和可靠性[1]。因此，国内外空气动力试验机构都重视风洞天平校准工作，在风洞天平校准方法研究和应用以及校准装置的研制方面取得了一系列成果[2-3]；但业界对于如何评定风洞天平校准装置性能还没有统一的标准和规范，尤其是如何从计量角度定量考核评定风洞天平校准装置的技术水平和校准能力还很少。

1 校准设备的计量现状

目前国家和军队还没有专门的风洞天平校准规范，风洞天平校准主要依据GJB 2244-1994《风洞应变天平规范》和GJB 4232-2001《激波风洞压电天平设计准则》，仅有部分内容分别涉及到风洞应变天平校准和风洞压电天平校准，仅对力源提出了要求，没有对其他校准设备的技术特性提出控制要求[4-5]，主要的校准设备技术特性均未得到有效的计量控制。

风洞天平校准设备主要有校准架、加载台（架）、传力件（滑轮、连索等）、力源（砝码、力发生器等）、调整装置和控制系统、信号传输和数据采集系统，另外还有游标卡尺、水平仪、光学倾斜仪等部分量具[1]。为确保校准质量，所有需要使用的校准设备和测量器具都应该按照相关计量规程经检定合格或校准符合要求才能使用。风洞天平校准过程可以看作是载荷量（力与力矩）的输入和电信号输出的过程，因此可以把天平校准装置划分为载荷量传递通道和电信号传递通道，两条通道并行汇集到计算处理程序构成整个校准装置，见图1。电信号传递通道涉及到的各设备均有现成的计量规程和方法，而载荷量传递通道涉及到的各设备除力源以外，其他设备还没有现成的计量规程和计量方法。

图1 风洞天平校准装置组成原理图

因为个体技术特性不能代表系统的技术特性，仅对校准设备逐个（台）进行计量检定还不足以控制整套风洞天平校准装置（系统）的技术特性以达到控制校准质量的效果。本文所指的风洞天平校准装置是指由加载装置（包括力源、校准架和加载台等天平工作状态模拟装置）、调整装置（包括角度和位移测量系统及控制系统）、信号传输和数据采集以及计算处理程序软件所组成的一套完整的校准系统，见图1。为确保量值传递和校准结果准确可靠，任何一套传感器校准装置（系统）是否具备校准某传感器的能力，其校准能力和技术水平如何，这些都需要依据相关计量规程考核评定[6]。同样，作为风洞天平这样一种测力传感器的校准装置，风洞天平校准装置的校准能力和技术水平也有必要考核评定。

2 校准装置的考核评定

2.1 校准装置的技术特性

因为目前国家和军队还没有制定风洞天平校准装置的校准规范，采用哪些技术特性来评定风洞天平校准装置的技术水平和校准能力，在天平专业和计量专业都还没有明确统一的标准和规范，本文从确保校准质量出发，通过分析校准装置的功能，提出代表校准装置技术水平和校准能力的5个技术特性指标供考核评定参考。

无论是采用体轴系坐标还是地轴系坐标，无论是采用单元校准方法还是多元校准方法，风洞天平校准装置的基本功能就是按照校准流程把载荷表给出的载荷分布（载荷组合）施加在被校天平上，测量天平的输出信号，根据载荷表与对应的天平输出信号计算系数拟合天平公式，见图2。

图2 风洞天平校准装置功能原理图

天平公式是最重要的校准结果，它给出天平在一定的供桥电源下所承受载荷（载荷组合）与天平输出信号值之间的关系，目前国内通用的天平公式[1]为

式中：F——施加的标准载荷；

ΔV——天平输出信号值增量。式（1）中各项系数含义及来源见图3，校准的主要目的就是求取图3所示的各项系数。

图3 风洞天平公式系数来源说明图

一套绝对理想的校准装置校准天平给出的天平公式，其各项系数应该完全来源于天平自身技术性能，即校准装置引入的干扰量为零。由此提出“附加干扰”这一代表校准装置准确度的技术特性，用它评定校准装置对校准结果可能引入的干扰。

其次需要考核校准装置的重复性，其意义在于为评定校准装置技术水平的可靠性提供依据。重复性用来评定校准装置在比较短的时间内，在相同环境条件、相同实验室场所，由相同的校准人员采用相同的校准方法对同一台天平（相同的供桥电源）校准给出相近校准结果的能力[7-8]。

对于校准装置的技术水平除了要求“准”，还要求“稳”，即考核其稳定性。稳定性用来评定校准装置的技术特性在一定期限内保持恒定的能力[7-8]。

上述3个技术特性是表征校准装置准确度和稳定性的指标，用于评定校准装置的技术水平。校准装置的校准能力还需要采用另外2个指标来评定：（1）校准载荷范围，相当于一般测量仪器的测量范围，它决定了校准装置所能校准多大载荷范围内的天平。（2）天平公式系数组成项，主要考察公式系数中干扰项的组成，它与校准装置对天平工作状态的模拟能力有关，比如能不能给出纵横向交叉干扰系数，反映了校准装置是否具备做纵横向交叉校准的能力。一般情况下，给出的公式系数项越完善，天平测量的准确度越高，同时也表明校准装置的校准能力越强。

2.2 评定方法研究思路

对风洞天平校准装置的技术水平和校准能力考核采用什么方法既能全面、准确、有效地评定又具有可操作性，一直是个难题。本文提出2条思路供参考。第1条方法思路可称为“直接考核”，即借鉴一般的测量仪器特性考核方法[7-8]，建立“标准天平”和“标准校准装置”，用被评定的风洞天平校准装置来校准“标准天平”，其校准结果与用“标准校准装置”对“标准天平”的校准结果进行比较。比如考核校准装置的“附加干扰”这一技术特性，先用被评定校准装置来校准“标准天平”，得到天平公式，然后在“标准校准装置”上对“标准天平”施加多组载荷（组合），把“标准天平”输出信号带入天平公式得出的计算值与实际施加的标准载荷值比较，可以量化为

式中：n——在“标准校准装置”上对“标准天平”施加载荷组数；

x′——施加的标准载荷值；

xi——把“标准天平”输出信号带入天平公式得出的计算值。

这种方法优点是容易实现量化考核，而且因为有了“标准天平”作为共同的测试标准，对于考核评定不同单位、不同坐标轴系（无论地轴系还是体轴系）和不同校准方法（无论单元校还是多元校）的各类风洞天平校准装置具有统一性和客观公正性。缺点是这种方法对“标准天平”和“标准校准装置”的技术特性和性能要求相对较高，这对天平设计和生产加工技术提出了很高的要求，另外要根据不同校准架的校准载荷范围以及不同的接口制作多台“标准天平”和接口转接件。

第2条方法思路可称为“间接评定”，即分析影响校准装置技术特性的来源，通过考核校准装置各组件的技术性能来间接评定校准装置的技术特性。举例说明，根据图2对校准装置功能的分析，从校准结果来看，“载荷量”、“电信号”以及计算处理程序算法是决定校准装置“附加干扰”这一技术特性的3个要素。

（1）分析天平实际承受的载荷分布（值）与对应载荷表给出的载荷分布（值）的偏差。因为计算处理程序是根据载荷表给出的载荷分布（值）来计算系数拟合天平公式的，所以该载荷量偏差是校准装置引入干扰的来源之一。根据图1对校准装置组成的划分，载荷量传递通道的设备组件的技术性能决定了该偏差量的大小。首先是力源、砝码或力发生器与测量传感器决定标准载荷的准确度；然后是校准架和加载台因刚度不足在承载状态下的变形，以及因生产加工尺寸偏差导致与天平接口安装偏差和定位不够牢固，滑轮的静不平衡、摩擦力矩、椭圆度与轮心下垂等传力件的误差，以及调整装置对校准姿态的角度位移测量和复位不准确等因素都会造成施加在天平各测量分量上的载荷分布与对应载荷表的载荷分布存在差异。所以逐一考核载荷量传递通道的设备组件的技术性能是间接评定校准装置“附加干扰”的1个方面。

（2）分析采集到的信号数据与天平在对应载荷下的真实输出信号的偏差。因为计算处理程序是根据采集到的信号数据来计算系数拟合天平公式，所以该电信号偏差同样是校准装置引入干扰的来源之一。根据图1对校准装置组成的划分，电信号传递通道的设备组件的技术性能决定了该偏差量的大小。供桥电源不稳定、信号传输通道衰减和附加噪声、数据采集设备的模数转换和信号调理误差等都是形成该电信号偏差的原因。所以逐一考核电信号传递通道的设备组件的技术性能是间接评定校准装置“附加干扰”的第2个方面。

（3）即使载荷量和电信号的传递都很准确，如果计算处理程序计算系数有问题，拟合公式算法不合理，同样会直接影响校准结果。因此考核计算处理程序是间接评定校准装置“附加干扰”的第3个方面。

综上所述，考核校准装置组成设备的性能可以间接评定校准装置的技术特性。第2条方法思路相比第1条方法思路，在技术上更容易实现，经济成本也相对低，缺点是其评定结果在可信度和客观公正方面不如第1条方法思路，但是对风洞天平校准装置的技术水平和校准能力考核以及相互比对也是有效的依据。

3 结束语

考核评定风洞天平校准装置性能水平是为了提高风洞天平校准技术水平和确保校准质量，本文提出了“附加干扰”、“重复性”、“稳定性”、“校准载荷范围”和“公式系数组成项”等考核风洞天平校准装置技术水平和校准能力的技术特性以及“直接评定”和“间接考核”2条评定方法研究思路，希望能填补定量考核评定风洞天平校准装置这项计量空白。

[1]贺德馨.风洞天平[M].北京：国防工业出版社，2001.

[2]何瑾.高准确度风洞天平静态校验台[J].计量学报，2003，24（4）：307-309.

[3]王金印.应变天平地轴校、体轴校对比的一些问题[J].流体力学实验与测量，2005，19（2）：103-109.

[4]GJB 2244—1994风洞应变天平规范[S].北京：军标出版社，1994.

[5]GJB 4232—2001激波风洞压电天平设计准则[S].北京：军标出版社，2001.

[6]鲁绍曾.现代计量学概论[M].北京：中国计量出版社，1988.

[7]JJF 1094—2002测量仪器特性评定[S].北京：中国计量出版社，2003.

[8]国家质量监督检验检疫总局计量司组编.测量仪器特性评定指南[M].北京：中国计量出版社，2003.