全自动应变采集系统校准器设计

黄晓龙，尧建平，郭宏民，李映朴

(中国飞机强度研究所 七室，陕西 西安 710065)

1 引 言

标准模拟应变量校准器可代替标准电阻应变计产生模拟标准应变信号，能够用于检定各种交流或直流供桥的静态电阻应变仪及应变量数据采集系统。目前，市面常见的标准模拟应变量校准器是中国计量院生产的DR系列单通道设备，其具有准确度高、量程宽、线性度好等特点，但其只有单通道输出，且为手动模式，工作效率低。

全自动多通道模拟应变量校准器是通过自动控制继电器开关实现多路模拟应变量同时输出，通过校准软件实现数据采集系统与标准器实时通信，进行数据采集并自动处理的计量标准器，其校准原理如图1所示。

图1 校准原理框图

2 设计方案

2.1 校准点设计

根据JJF 1048-1995《数据采集系统校准规范》，校准点的选取一般是在测量范围内选择11个校准点，因此计量标准器通常使用为固定的11个点。

表1 标准应变对应的桥臂电阻值

为精确实现标准器输出阻值，并控制误差在万分之五以内，本次设计采用并联电路搭建阻值，继电器切换输出点。通过多次迭代优化和评估，确定以126Ω电阻为基准，并联1344Ω固定电阻加变化电阻的模式，各校准点阻值分配如表2所示。

表2 各校准点阻值设计

2.2 控制方案设计

一般数据采集系统每个端口有4或8通道，在结构强度试验中，多使用DB50接头将多个端口进行转接，再通过线缆连接应变片，此时每个端口最多连接16个通道。为实现一次校准最少一个接线端，本校准器设计16通道并行输出。每通道制作一个线路板，每个校准器含16个线路板，电路设计如图2所示。

图2 电路设计图

为实现程序控制标准器自动输出，使用单片机控制继电器实现标准器的输出和校准点切换。以控制16通道、每通道11个校准点计算，单片机需要实现176个继电器的控制。因此，使用38译码器进行IO口扩展。为了实现半桥和全桥输出，需要控制多路协同输出，共需实现以下3种控制模式：

1/4桥模式：16个通道并行输出，单片机控制所有通道按序切换校准点。

半桥模式：8个通道并行输出，单片机控制相邻两路正负向校准点协同切换。

全桥模式：4个通道并行输出，单片机控制相邻4路正负向校准点协同切换。

控制原理如图3所示。

图3 输出控制原理框图

3 误差分析

校准器的误差来源主要有继电器、电阻和连接线。其中，电阻阻值的不准确和连接导线的线阻引入的误差属于系统误差，继电器接触电阻的波动属于随机误差。校准器误差来源如图4所示。

图4 误差来源分析

3.1 电阻不准确引入的误差分析

图5 并联电路误差模型

考虑r的误差Δr引起的应变误差：

式中：ΔR为阻值变化量，R0为标准120Ω电阻，r为并联电阻，ε为应变值，ε′为引入误差后的应变值，Δε为应变值变化量。可以看出，校准器由电阻引入的误差小于并联电阻的误差。定制电阻误差可做到0.01%，所以电阻不准确引入的误差小于0.01%。

3.2 继电器接触电阻阻值波动引入的误差分析

校准器按照0.05级指标要求进行设计，其最大允许误差为±(0.05%输出+0.2με)，通过等长布线消除线路阻值误差后，允许继电器引入的误差还有0.04%，据此计算继电器接触电阻阻值波动引入误差的允许值，计算结果如表3所示。本文仅列出了最关键的2000με点，可以看出，继电器接触电阻的阻值波动应不超过192μΩ。

表3 继电器接触电阻阻值波动允许值

一般继电器的接触电阻在50mΩ左右。水银继电器是通过水银导通触点，具有微小且稳定的接触电阻，本校准设计选用水银继电器，在使用前需要对继电器接触电阻进行测量。使用8508A高精度数字多用表对水银继电器进行筛选，用其测量50mΩ时绝对不确定度小于5μΩ，可以满足继电器筛选要求。

通过以上分析可以看出，使用单片机控制继电器，实现模拟应变量信号输出的校准器设计方案是可行的。

4 结束语

飞机结构强度试验，特别是全机强度试验，试验中动辄要进行成千上万的应变片粘贴，需要大量通道的数据采集系统进行测量。数据采集系统的计量校准关乎试验数据的准确可靠。在对手动式单通道模拟应变量校准器使用多年后，研究了多通道全自动校准器设计方案，开发专业软件程序控制该装置，可实现数据采集系统的全自动计量校准，极大地提升了计量检定的工作效率，为试验节省设备和时间成本，具有很高的使用价值。