用于智能蒙皮的集成化动静态测试系统设计＊

徐志伟， 陈 杰， 张 磊， 肖国焘

（南京航空航天大学机械结构力学与控制国家重点实验室 南京，210016）

1 问题的引出

当前，民用和军事领域都对飞行器的性能提出了更高的要求，而变体飞行器作为一种新型航空器，自20世纪70年代以来迅速成为国内外研究的重点。

在变体飞行器的研究中，智能蒙皮［1］是关键技术之一。智能蒙皮是指将传感元件、驱动元件以及控制芯片与飞行器蒙皮集成为一体，使其具有智能特性的结构，如图1所示。1985年，美国空军提出了智能蒙皮的概念，并于1994年对F－15的智能化前缘进行了飞行试验。美军正在研制的第六代战斗机也将大面积使用智能蒙皮结构。

智能蒙皮的研究，需要将各类传感器、驱动器及调理电路集成到一起，对智能蒙皮的各项性能参数（应力、应变、振动、温度等）进行全面测试。这样的测试系统要求小型化、集成化、低功耗、多变量及多通道等，传统测试系统显然无法满足这些要求［2］。

图1 智能蒙皮结构Fig.1 Smart skin of aircraft

笔者研究的对象是具有大变形能力的梯形结构智能蒙皮，针对其动、静态参数的测试要求，设计了一种小型化、多功能的多路测试系统。系统具有多功能模块、多输入通道，可实现结构参数的分布式测试，并能满足实验数据实时监测、准确处理和完整记录的要求。笔者完成了系统的软、硬件设计，并将硬件设备与市场上的产品进行了对比分析。该系统不仅能满足智能蒙皮的测试需求，还能依据不同的场合，对系统进行个性化设置，扩展系统的应用范围。

2 智能蒙皮集成测试系统的方案设计

2.1 测试系统总体方案设计

智能蒙皮测试系统的总体结构如图2所示，主要由传感器、集成调理电路和计算机三部分组成［3］。应变测试电路是静态参数测试的核心部分，要求测量的最小分辨率能够达到8με。该电路主要包括非线性校正、射频干扰（radio frequency interference，简称RFI）滤波、放大和低通滤波电路。振动测试电路则由电荷放大器、归一化电路、低通滤波电路和保护电路构成，测量的低频下限为0.001Hz，为准静态测量，最高测试信号频率为2 000Hz。为了实现信号的分布式测试及整体系统的小型化、集成化，笔者将多个通道及模块集成于单个PCB中，并对电路采取相应的多项抗干扰措施，提高系统的可靠性，并利用美国National Instrument公司的PXI（PCI eXtensions for instrumentation）实时测控平台将测试系统的软、硬件连成一体，形成完整的集成化测试系统。

图2 智能蒙皮多功能多路测试系统方案Fig.2 Multi－function measurement system of smart

2.2 蒙皮结构静态应变测试电路设计

笔者选用中航电测仪器的温度自补偿应变片BE120－3AA（11），利用电桥电路实现应变与电量的转换。考虑到桥臂的电流不恒定，将导致输出电压与待测量之间呈非线性关系，笔者采用可变电压源对电路进行非线性校正，消除了非线性误差。

放大电路输入端的信号为毫伏级，因此需设计相应的RFI滤波电路，用来抑制现实环境中的干扰信号。放大芯片采用TI的TLC2652，该芯片失真小，分辨率高，稳定性好。为了消除传感器输出信号中的共模电压，采用三块TLC2652组成三运放高共模抑制比电路结构［3］。放大电路后布置截止频率为1Hz四阶低通滤波器，用于滤除交流信号和放大电路中的尖峰噪声。电路原理如图3所示。

图3 静态应变测试电路原理图Fig.3 Schematic of static strain measurement circuit

2.3 蒙皮结构振动响应测试电路设计

电荷转换电路是振动响应测试电路的核心部分，其输出电压与输入电荷的数学关系近似为UO＝－Q／CF，可通过改变反馈电容值CF改变输出电压。为了使不同灵敏度下输出电压保持一致，设计了基于同相比例放大器的归一化电路［4］。滤波器采用二阶有源滤波，实现4种截止频率可调。电路的输出端，利用两个稳压管将输出电压钳位在±10V，保护后续电路。电路原理如图4所示。

图4 结构振动响应测试电路原理图Fig.4 Schematic of vibration measurement circuit

2.4 PXI测试系统设计

为实现数据的可视化与实时性，笔者利用NI的硬件设备和软件模块构建了多功能的虚拟仪器系统。硬件部分采用PXI实时操作系统平台和高速数据采集卡；软件则使用LabVIEW编程，采用基于共享变量的网络引擎，以实现应变、振动参数的实时和准确，并实现了多个通道的快速切换［5］。

3 电路的抗干扰设计

3.1 PCB的抗干扰措施

PCB电路设计时采用一点接地法，保证地线有统一的地电位，同时消除电路中的公共阻抗耦合。电源线和地线尽可能靠近，避免环状、直角走线。制作PCB时，为了预防通道间的串音干扰，利用地线将各通道隔离开来［6］。

3.2 单通道、多通道电路的噪声对比

设计中包含多通道集成电路，必须考虑各个通道之间产生的串扰。笔者对各级电路信号的噪声做了对比分析，发现滤波电路对噪声的抑制起到了很大作用。

笔者分别测量了单通道、多通道电路在各级电路中包含的噪声。实验时，选择一个外界电磁干扰较少、环境参数变化较小的测试环境，并做好相应的屏蔽和保护措施。利用泰克示波器，依次测出单通道、双通道以及三通道电路中各级电路输出端的噪声大小，结果如图5所示。根据测得的数据可知，静态应变测试实验中，单通道、双通道和三通道放大电路后的噪声幅值约为40，40和50mV，经过滤波，电路的噪声明显下降，分别降低至32，28和40mV。对电荷放大电路进行分析，单通道、双通道、三通道的电荷转换电路之后的噪声分别为8，10和10mV。同样，经过滤波后电路中的噪声略有降低，约为10，15和15mV。

图5 多通道测试电路噪声对比Fig.5 Noise analysis of multi－channel measurement circuit

进一步分析可知，单通道电路由于电路规模较小，PCB走线长度较短，所以电路本身引起的干扰较小［7］；当电路为两通道时，增加了干扰因素，比如通道之间的相互窜扰、电磁辐射等；当电路为三通道时，通道数的增加对测试电路的影响降低，信号噪声相对两通道电路，并没有明显增加。

振动测试电路中包含放大电路模块，前级的噪声会随之放大。四阶低通滤波器的加入去除了1Hz以上的高频噪声，对噪声有一定的抑制作用。

3.3 仪器封装及通风设计

测试系统工作过程中，不可避免地会受到外界干扰和内部电子器件之间的串扰。为了提高系统的抗干扰能力，设计了能够屏蔽外界干扰信号的外壳，该外壳还要具有高强度、散热佳、易于加工等特性。应变测试电路和电荷放大电路分别装配在上下面板，侧板安装直流稳压电源模块。在屏蔽盒的一端接出引线与电源地相连，起到屏蔽保护的作用。仪器封装后的结构如图6所示。

图6 仪器整体封装Fig.6 Encapsulated strain measurement and charge amplifier instrument

4 测试系统实验及结果分析

4.1 蒙皮应变测量实验

笔者以梯形蒙皮作为被测对象，使用环氧树脂将应变片粘贴在蒙皮一侧的凸面。被测蒙皮一端固定，另一端处于自由状态。实验时，对蒙皮的自由端施加静态载荷，每次50g，并测出每次施加载荷所对应的应变。数据处理后可知，被测蒙皮凸面的应变与自由端的载荷大小呈良好的线性关系。与Vishay的P－3500系列应变仪进行对比后证明，自制应变仪效果良好，应变最大偏差在8με之内。标定后各通道与P－3500的对比如表1所示。

4.2 蒙皮动态参数测量实验

梯形蒙皮的一端固定在夹具上，另一端连接激振器，同时将压电传感器粘贴在蒙皮的一侧，如图7所示。实验时，利用激振器对蒙皮的自由端施加激励，压电传感器产生的电荷输入至自制电荷放大器和电荷放大器YE5852A中进行对比（见图8），显示自制电荷放大器与YE5852A在各个频率的信号下输出电压基本一致。当零输入状态下时，YE5852A的噪声比较大，且零点漂移严重，约为80mV，而自制电荷放大器噪声较小，零点漂移可以忽略。

表1 标定后各通道与Vishay的应变值对比Tab.1 Strain values of measurement system and vishay strain gauge

图7 蒙皮动态参数测量实验Fig.7 Test system of vibration response of skin

图8 零输入时两种仪器输出波形图Fig.8 Output waves of two intruments

5 结束语

笔者研究了用于智能蒙皮的集成化测试系统。针对蒙皮结构的动静态参数，设计并制作了一种多功能、多通道、小型化的测试仪器，并根据课题需要配置了相应的软件系统，可实现对测试数据的实时监测和处理。该系统对于简化蒙皮测试系统、提高结构测试效率具有一定的价值。

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