应变片动态校准数据处理系统设计

徐春柳 孙浩琳

航空工业北京长城计量测试技术研究所，北京 100095

0 前言

应变在国防工程上应用极为广泛，涉及武器装备从设计、装配、实验到故障监测和诊断的全过程。机载应变监测系统是结构健康监测的关键，飞机结构关键部位的应变检测对于保障飞机的结构安全、可靠性具有重要作用[1-2]；直升机桨叶疲劳寿命试验、发动机疲劳试验等也是对动态载荷进行监测[3-5]。在装备运行过程中，结构应变主要以动态应变的形式存在，因此，动态应变的测量越来越重要。目前，应变量计量中“静标动用”的问题一直存在，对快速变化应变量测量结果的准确度不能保证[6]。因此，开展应变的动态校准，对数据进行正确的处理分析，以期最终解决其在真实应用环境下的计量问题。南京航空航天大学振动工程研究所基于LabVIEW软件对动态应变测试系统数据进行采集与数据分析[7]；中国飞机强度研究所结合动态应变测试原理对WaveBook/516A数字式高速应变测试系统进行了分析，利用DASYLab搭建了具有测试、记录和分析模块的动态应变测试系统[8]；西北工业大学结构强度研究所利用霍普金森杆（Hopkinson bar）和应变片对高g值加速度传感器进行校准[9]；贵州航天计量测试技术研究所提出了以霍普金森杆为动态应变激励装置的应变片动态校准激光绝对法冲击校准装置[10]。

本文提出一种以外差差动式激光测振仪为应变激光干涉测量系统的高幅值动态应变激光绝对法校准装置，实现应变片的动态校准。针对实际应用中采集的电压信号可能受到多方面干扰，从而影响应变片灵敏系数准确性的问题，本文重点研究动态应变校准装置的数据处理系统，排除干扰，保证采集的激光和应变片电压准确性，应变片灵敏系数分析的可靠性。

1 动态应变激光绝对法校准

动态应变激光绝对法校准装置如图1所示，包含脉冲应变激励装置——霍普金森杆、激光测量系统、应变片测量和数据采集处理系统。将应变片贴在霍普金森杆的中间位置测量应变变化，激光测振仪在加载杆末端测量应力波的波速，子弹撞击霍普金森杆，产生脉冲激励，应力波在霍普金森杆中传递，激光测振

仪将测量的光信号变化转化为电信号，应变片测量感知的应变变化，利用激光测振仪得到的标准应变值实现对应变片灵敏系数的校准，计算公式为：

其中，k——应变校准后得到的应变片实际灵敏系数；

k0——应变放大器中默认设置的应变片灵敏系数；

εc——应变片测得的应变值；

εp——实际应变值。

1.1 动态应变激光测量原理

激光多普勒信号解调如图2所示，多普勒信号fd通过Hilbert变换解调出正交信号I(t)、Q(t)，对I(t)、Q(t)信号进行计数、细分可以实现位移解调，对位移信号进行微分处理可以实现速度解调[11-14]。

首先对多普勒频移信号进行A/D变换与Hilbert变换后，得到两路离散的序列I(t)、Q(t)；对两路信号进行除法运算，然后对所得的商进行反正切运算，可以得到相位序列φ(t)[15]：

其中，φ(t)——离散的相位序列；

I(t)、Q(t)——多普勒信号经过Hilbert变换后的正交离散信号；

由于反正切函数是一个多值且不连续的函数，为了获得确定的值，要采用“位相展开”的算法来进行处理，使所获得的相位值连续。φ(t)经过位相展开和适当计算以后可以得到相位值连续的离散序列s(t)：

其中，s(t)——霍普金森杆端面的位移信号；

λ——激光的波长；

k——通过位相展开算法得到的各个值。

对位移进行微分处理即可得到速度信号：

其中，v(t)——霍普金森杆端面的速度信号。

根据经典的霍普金森杆理论，在单端冲击作用下，冲击速度量值与霍普金森杆的应变量值存在确定的线性关系。校准装置测量应变值的计算公式为：

其中，vj——校准装置测得的加载杆端面的速度，即v(t)的最大值；

c——加载杆材料的弹性波速。

其中，E——弹性模量；

ρ——加载杆材料密度。直接以激光干涉法进行应变测量，需要对激光多普勒信号进行快速解调，软件方式需要人工干预，较难实现自动化快速解调。本装置使用硬件解调实现，包含激光干涉信号的倍频、非线性补偿、整形、计数等信号解调技术，输出为速度电压信号。

1.2 应变片测量原理

应变片的应变计算公式为[16]：

其中，Eout——应变放大器的输出电压；

K——应变片灵敏系数；

Ein——应变放大器桥路供电电压，有用桥臂数为工作片数量（不含补偿片），增益为应变放大器的电压放大倍数。

在实际工作中，应变放大器中默认设置的应变片灵敏系数k0=2.00，根据公式（1）计算出的k即为校准后的应变片实际灵敏系数。

2 数据处理与校准软件设计

2.1 数据处理

在实际应变校准工作中，激光测振仪与应变放大器输出的电压信号存在一定的零漂（本文零漂是指输入为零时采集到的输出电压非零）。图3（a）为激光测振仪输出电压绘制的波形图，图3（b）为图3（a）中红色标注部分的局部放大波形。从图3可以看出，电压波形起点不是从水平零线开始，存在一定的正向偏移，且零漂电压在一定范围内波动，非某一固定值。

为动态应变激光绝对法校准装置提供激励，以激光测振仪输出电压为例进行多次采集，汇总数据如表1所示。

表1 激光测振仪输出电压

从图3和表1可以看出，激光测振仪输出的电压波形起点在15 mV左右，零线电压波动最大值为5.4 mV，零线位置存在偏移，对后续应变的计算产生最大约0.15%的影响。为提高应变片灵敏系数校准的准确度，需要对零漂进行处理。考虑到实际中应变放大器输出早于激光测振仪输出，因此以应变放大器输出的电压波形为依据，确定零线选取范围，计算零漂值。零线自动选取算法具体步骤如下：

（1）对激光测振仪和应变放大器输出信号进行低通滤波处理；

（2）计算应变放大器输出电压的峰值，以10%峰值电压的所在位置作为零线终点，计算零线终点与2.5的比值，并以该比值作为零线起点；

（3）判断零线终点与零线起点位置是否合理，如果合理则进入步骤（4），若不合理，根据实际情况人为指定零线起点与零线终点位置；

（4）根据选定的零线范围计算零线平均值，作为零线偏移值。

根据上述零线自动选取算法，可以计算出激光测振仪和应变放大器输出电压的零漂量，低通滤波处理后的激光和应变电压值分别与对应的零漂值相减，并按上述相关公式（1）、公式（5）、公式（7）进行计算，最终可实现对应变片灵敏系数的校准。

2.2 校准软件设计

霍普金森杆动态应变激光绝对法校准装置软件总体结构图如图4所示，包含采样设置、数据处理和文件的打开保存。参数设置与采样用于在开始采样前对通道、采样率、采样点数等参数进行设置；数据处理是指可以根据直接采样到的数据计算零漂值、低通滤波处理以及应变值、校准后应变片灵敏度系数；文件功能是指软件可以对采集和计算的结果以.txt格式进行保存，前面板内容以.jpg格式保存，并可以对已保存的历史记录进行查看。

AD采样选用NI公司的USB-6366采集卡实现激光测振仪输出速度信号与应变放大器输出电压的采集。通过DAQmx参考触发（模拟边沿）模块对触发边沿、触发电平、触发前采样点数进行设置，采集程序设计如图5所示。

对USB-6366采集卡的两路输入信号进行低通滤波处理，以避免高频噪声的干扰。滤波部分选用巴特沃斯滤波器实现低通滤波功能，根据实际需求确定滤波频率。数据处理软件流程图如图6所示。

3 试验结果及分析

将中航工业电测仪器公司生产的应变片（型号：BA120-4AA（23）N6）贴在霍普金森杆的中间位置，配套使用KYOWA应变放大器（型号：CDV-900）测量应变片的应变变化，以Polytec激光测振仪为激光应变测量装置，测量霍普金森杆中应力波的波速变化。激光测振仪输出的速度信号和应变放大器输出的电压信号分别连接到USB-6366的IO 0和IO 1通道，设置采样率为2 MHz，触发电压为0.2 V，滤波频率为80 kHz，应变放大器默认灵敏系数为2.0，桥路供电电压为2 V，放大倍数为2,000，激光测振仪速度挡位为4.9 m/s/V，霍普金森杆的弹性波速为5,200 m/s，材料密度为7,850 kg/m3。

3.1 零漂处理

对表1实验中采集的5组激光测振仪输出电压数据分别进行零漂处理，记录零漂处理后激光测量的应变值零线波动范围与应变峰值的百分比，5次试验结果汇总如表2所示。

对比表1和表2中零线波动与峰值的百分比发现：经零漂处理后，零线波动与峰值的比值明显下降，降幅约为50%（零漂处理后百分比/零漂处理前百分比）。试验表明，零漂处理提高了激光测振仪和应变放大器输出电压的可靠性，为后续应变片灵敏系数校准的准确性提供了基础。

表2 零漂处理后激光测量应变量

3.2 校准试验

对应变片进行多次校准试验，记录零漂处理前后激光、应变片测量的应变值和应变片校准后灵敏系数，试验数据记录如表3和表4所示。

表3 零漂处理前应变

表4 零漂处理后应变

表3为零漂处理前，激光、应变片测量的应变值和校准后应变片灵敏系数；表4为零漂处理后，激光、应变片的应变值和校准后应变片灵敏系数。表3和表4中应变值按下述公式（8）计算应变相对偏差，所得结果绘制相对偏差波形图，如图7所示。

其中，kb——应变片标称灵敏系数，本文为2.15±1%。

根据图7可以看出，激光测振仪和应变放大器的输出电压经零漂处理后，最大应变相对偏差减小，相对偏差更加稳定。

4 结束语

本文针对动态应变激光绝对法校准中采集电压存在零漂的问题，提出了基于零线自动选取算法的数据处理方法，编制了数据处理软件。经试验表明，零漂处理提高了应变片灵敏系数校准的可靠性与准确性，降低了应变最大相对偏差，为后续动态应变校准工作提供了一定的参考。