飞机动强度试验数据采集系统校准方法

黄晓龙 尧建平 孙向丽 / 中国飞机强度研究所；强度与结构完整性全国重点实验室

0 引言

在飞机结构强度试验中，静力、疲劳试验为静态测量，也有部分试验项目需要动态测量，如结构振动、声学和冲击等，该类试验统称为结构动强度试验。这类试验大多使用数据采集系统测量来自传感器的应变、电压、电流等信号。在试验中，不仅需要测量这些信号的准确值，还需要分析信号的时频响应特性，因此，该类试验使用的数据采集系统在计量检定时不仅需要对系统的测量误差、线性度、零漂误差等静态指标进行校准，还需要对其动态参数进行校准[1]。

数据采集系统的国家校准规范中规定的校准项目较多，适用范围是以电压量作为输入信号的数采系统校准。为切合使用需求，在实际计量校准中一般根据使用情况选用电压或应变量校准器进行系统校准，如选用测应变的标准模拟应变量校准器进行计量，选用测量传感器电压输出等的多功能校准源进行计量。在飞机结构动强度试验中使用的数据采集系统多用于应变信号测量，其使用场景类似于应变仪[2]，但电阻应变仪与数据采集系统的检定/校准参照完全不同的国家规范开展，因此，一般自编内部校准方法。在自编内部校准方法时，需要综合考虑使用要求、仪器特性等多个因素，确定该类数据采集系统的校准项目。

1 国家规程中的校准项目

梳理数据采集系统的国家校准规范[3]中规定的校准项目，有如下几项。

1）误差限：分为单通道采集误差限和循环采集误差限两种，计量标准器是直流标准信号源。

2）线性度：计量标准器是直流标准信号源。

3）时间漂移：分为零点时间漂移和增益时间漂移，计量标准器是直流标准信号源配不平衡电阻，时间为4 h。

4）通道采集速率：分为单通道最高采集速率、循环最高采集速率，计量标准器是标准周期信号源。

5）通道间串扰：计量标准器是直流标准信号源。

此外，该规范规定的选校项目有如下几项：输入电阻、输入通频带、动态有效位数、共模抑制比、串模抑制特性（采集系统对某频率点附近的信号有特殊抑制要求时才执行该规范）、温度漂移（区分为零点温度漂移、增益温度漂移）。

梳理电阻应变的国家检定规程[4]中对动态电阻应变仪规定的检定项目，有如下几项。

1）示值误差：计量标准器是标准模拟应变量校准器。

2）非线性误差：计量标准器是标准模拟应变量校准器。

3）稳定度：包括零位漂移和示值稳定性，时间为2 h。

4）信噪比测试：计量标准器是标准模拟应变量校准器。

5）频率响应误差：该项目分为交流供桥型和直流供桥型，直流供桥型需用信号发生器，交流供桥型需用应变仪频率响应测量仪。

6）电阻/电容平衡范围和电容平衡范围测试。

7）标定值误差：当应变仪带有内部标定器时要求检定。

8）衰减（增益）误差：当应变仪带有衰减（增益）开关时要求检定。

9）低通滤波特性：当应变仪带有低通滤波器时要求检定。

2 动强度试验数采系统校准项目分析

对比数据采集系统校准规范和电阻应变仪检定规程中对于校准/检定项目的要求可以看出，数据采集系统校准规范中的误差限、线性度、时间漂移和动态有效位数分别对应于电阻应变仪检定规程中的示值误差、非线性误差、稳定度和信噪比。所以这四项计量特性是两个规程中均规定的计量项目，但依据调研实验需求，结构动强度试验往往试验时间短暂，更加关心瞬态特性，故时间漂移指标对试验结果没有影响，因此，时间漂移项目可以不做校准。基于此提出：误差限、线性度和动态有效位数三项指标应作为结构动强度试验中数据采集系统的校准项目。

依据调研试验需求，采集速率关乎试验数据的完整性和有效性[5]，建议校准。输入通频带即数据采集系统的带宽，是数据采集系统的重要技术指标，也是试验测试的重要技术指标，建议校准。通道间串扰给试验带来的影响通过配置数据采集系统通道能够排除[6]，同时对于大规模的数据采集通道，通道间串扰的计量检定非常耗费时间和人力，因此，不建议校准。

数据采集系统校准规范中规定的校准项目除以上内容外，还有共模抑制比、串模抑制特性、温度漂移等，这些均为选校项目且面向具备特定要求的数据采集系统，不会影响结构动强度试验测量数据，故可不做校准。电阻应变仪检定规程中规定的检定项目还有标定值误差、衰减（增益）误差和低通滤波特性、频率响应误差、电阻/电容平衡范围测试。其中，标定值误差、衰减（增益）误差和低通滤波特性分别是在应变仪带有内部标定器、增益开关和低通滤波器时要求检定，频率响应误差的计量检定需要配备信号发生器[7]，电阻/电容平衡范围仅要求作为测试项目，而且上述几项虽然一些数据采集系统也有这些功能，但由于数据采集系统校准规范中并无相关项目的要求，故对于数据采集系统可不做校准。

综上评估分析，可以给出飞机结构动强度试验中数据采集系统的计量校准项目为以下五项：误差限、线性度、通道采集速率、输入通频带、动态有效位数。其中误差限和线性度的校准信号为直流标准信号，可按照试验需求进行电压量或应变量的校准。动态有效位数的校准信号为标准周期信号，通道采集速率的校准信号为标准周期信号，输入通频带的标准器为正弦交流标准源，因此，这三项可进行电压量校准。

3 校准方法

校准方法参照相关国家规范进行，主要考虑可操作性、工作效率和经济适用性。

3.1 测量误差、线性度校准

1）校准连线如图1 所示，信号源为直流或应变信号，选择11 个校准点。

图1 校准接线

2）按自定的抽检原则（或全检），选择一个测量通道接到标准器上。

3）加载标准信号，启动数据采集系统，记录采集数据，每个校准点分别记录4 次输出值Xi。

4）更换通道，重复上述操作，直至完成所有抽检通道校准。

5）系统测量误差按下列公式计算：

式中：Xi—— 系统采集数据值；

n—— 每个校准点采集数据个数；

E—— 系统输入标准信号的幅度；

Er—— 通道的量程；

σ—— 采集数据的标准差

按式（1）分别求出各校准点的测量误差，以其中绝对值最大的测量误差作为该通道的测量误差；以所有抽检通道和巡检通道绝对值最大的测量误差作为系统测量误差。

6）系统线性度按式（4）计算：

按式（4）分别求出各点的线性度，以其中最大值作为该通道线性度；以所有抽检通道线性度最大值作为系统线性度。

3.2 通道采集速率校准

1）校准连线如图1 所示，信号源是标准周期信号源。选择一个测量通道接到信号源上。

2）设置系统为单通道最高采集速率状态。

3）选择通道采集数据个数n（≥1 000）。

4）设置系统通道量程。

5）选择信号源信号峰峰值（一般为对应通道量程的50%～100%），按式（5）选择信号频率f：

式中：υid—— 单通道最高采集速率的标称值；

n—— 被测数据采集系统每个通道采集数据个数

6）加载信号，启动数据采集系统，记录采集数据。

7）按式（6）计算出单通道最高采集速率υd：

式中：N—— 采集数据的信号周期个数；

nN—— 采集数据个数

8）对于具有不同最高采集速率的量程，应分别进行校准。

3.3 动态有效位数校准

该项校准一般在基本量程下进行，校准连线如图1 所示，信号源为低失真正弦交流标准源[8]，选择一个测量通道接到信号源上。

1）设置采集方式（单通道）及系统最高采集速率状态。

2）设置每个通道采集数据个数n（≥1 000），并选择设置量程。

3）按式（7）选取低失真正弦信号的频率，按式（8）选取低失真正弦信号的峰值：

式中：υ—— 通道采集速率

4）加载信号，启动数据采集系统，记录折合到通道输入端的（2 个以上信号周期的）采集数据Xi，(i= 1，…，n）。

5）按最小二乘法找出最佳拟合正弦信号：

式中：a(t) —— 拟合信号的瞬态值；

E—— 拟合正弦信号的幅度；

f—— 拟合正弦信号的频率值，Hz；

θ—— 拟合正弦信号的初相位，rad；

d—— 拟合信号的直流分量值

6）按式（10）计算实际有效值误差：

式中：ti—— 第i个测量点的时刻；

Xi——ti时刻折合到通道输入端的采集数据（i= 1，…，n）

7）被测数据采集系统的理想有效值误差Pi由式（11）计算：

式中：b—— 被测数据采集系统的模数转换器位数

8）按式（12）计算被测系统的动态有效位数EB，单位为dB：

3.4 带宽校准

1）校准接线如图1 所示，标准源为交流标准源。

2）设置通道采集速率为最高。

3）选择标准源信号峰峰值2E在对应通道量程的50%～100%之间的单频正弦波信号，设置测量通道于相应的量程。

4）选定校准频率f，f取值满足式（7）。

5）按选定校准频率f和幅值2E给系统输入信号，启动数据采集系统，采集数据个数应足够多（≥1 000），记录通道采集数据xmi（i= 1，2，…，n）。

7）以f为参考点，增加信号频率至上限频率fH。在其他条件不变的情况下，给系统输入信号，启动数据采集系统，记录通道采集数据。

8）求出测得的正弦波信号幅度UH，计算出新的幅度比。计算，若，则频率fH满足上限频率。

9）以f为参考点，降低信号频率至下限频率fL（可采集直流信号的数据采集系统，其通道下限频率fL= 0）。在其他条件不变的情况下，给系统输入信号，启动采集，记录通道采集数据。

10）求出测得的正弦波信号幅度UL，计算出新的幅度比。计算，若，则频率fL满足下限频率。

11）切换通道和量程，重复执行上述操作。

12）对于可进行有效值测量的数据采集系统，直接测量其Um、UH、UL，并计算，判断符合性。

4 结语

本文基于相关国家规范，结合飞机结构动强度试验中的需求对数据采集系统的计量校准项目进行了研究分析，并给出了结构动强度试验数据采集系统计量校准的项目和对应的校准方法。在实际计量工作中，同一种设备在不同的场景中往往会有不同的计量需求，但在同类使用场景的设备，可按本文思路进行校准项目梳理，进而编制内部校准方法，相较于完全参照国家规范能够科学而合规地节省大量资源。