飞行试验应变参数自动校准系统的设计

2011-10-26张玉琴李盘文中航工业飞行试验研究院测试技术研究所

中国科技信息 2011年8期

张玉琴李盘文中航工业飞行试验研究院测试技术研究所

飞行试验应变参数自动校准系统的设计

张玉琴李盘文中航工业飞行试验研究院测试技术研究所

针对目前机上应变参数校准采用手动单通道效率较低，易出现人为误差的现状，应变参数自动校准系统在C++ Builder平台上开发，采用Pickering公司的6通道40-265可编程应变模拟卡，通过以太网将KAM500采集器的数据传输，最终实现应变量的自动加载、校线自动生成、存储等。

自动校准；应变；UDP；C++ Builder

1.概述

应变参数用于飞机，是飞行试验中结构强度和载荷课题所需测试的重要参数之一，为了全面的检查飞机在受载情况下结构及附件的承载能力，在飞行试验中需要测试大量的结构应变参数，一架试验机的应变参数有几百甚至上千个，对于这几百上千个应变参数的校准，传统的方法是采用手动单通道操作，校准过程中人为误差不可避免，而且效率低下，因此，为了飞行试验测试数据的可靠性、准确性、高效性，需在现有校准设备的基础上建设自动化校准系统。

应变参数自动化校准系统是一个闭环的控制系统，通过Pickering公司的40-265板卡加载信号，经过采集器后的PCM数据实时传输，校准结果以数字、曲线及报告形式输出。此系统提高了应变参数校准的效率与准确度，在一定程度上为试飞工作的可靠性及及时性提供了保证。

2.应变参数校准原理

应变测量电路有1/4桥、半桥和全桥。校准中一般以1/4桥应变模拟器对测试通道进行校准，它的测量电路如图1所示，经

图1 1/4应变电桥测量电路

根据金属电阻的应变效应，电阻值的变化和应变之间的公式关系为：

k为金属应变灵敏度，它的取值范围为1.7～3.6[1]。

3.应变参数自动校准系统构成

应变参数自动校准系统是由程控应变模拟器、校准计算机、数据采集器（KAM500等）、PCM检查计算机构成，组成示意图见图2。

程控应变模拟器通过一个3U4槽cPCI机箱来实现，主要由Pickering公司的型号为 40-265的6通道应变模拟卡、桥接板和220V的电源模块组成。40-265卡包含6路独立的应变电桥块，激励电压可选外部或内部激励，电桥回路包含三个350Ω的固定电阻和一个变化范围为±1%的可编程电阻，通过可控开关可实现1/4桥、半桥和全桥回路。板卡的用户校准通过一个外部的DMM连接到校准端口——即一个UUT接口来实现。校准计算机通过一个PCM express卡和40-265板卡连接，实现对板卡的控制。

40-265 应变模拟卡的输出电压经过机上测试电缆后由KAM/KAM4000/770采集器实现A/D转换，转换后的PCM 数据经过SAM/007卡的上传到检查计算机，再经过以太网发送到校准笔记本，形成闭环链路，将应变物理量和PCM码值自动录入Excel表格，生成校线。

4. 软件设计方案

应变测试多通道自动校准软件基于C++ Builder 6.0平台开发，它由四个模块组成：任务准备、现场校准、调试计量、帮助，实现对应变模拟卡的控制、PCM数据的接收、校线的生成、板卡计量等功能。校准流程图如图3所示。

4.1 任务准备模块

任务准备模块的功能为：任务描述、校准参数录入等。校准任务描述信息的主要内容包括校准文件中的基本信息如飞机型号、机号、校准人员等，以及经由采集器发送的数据包的帧定义信息。校准参数在任务准备阶段可以动态地添加和删减，并在参数列表中显示，参数信息中数据包的帧地址、字地址是为了正确的取回各参数对应的采集后的数据，根据校准值的上下限、校准点数可以计算出各个校准点的应变值，再依据公式（1）可计算出可变电阻的阻值。任务准备模块可在校准前实验室提前准备，所有信息以工程文件的形式保存，现场可直接调用，软件界面如图4所示。

图2 应变自动校准系统组成示意图

图3 校准流程图

图4 任务准备模块界面

图5 现场校准模块界面

4.2 现场校准模块

现场校准模块主要包括对应变电桥模拟板卡的控制、PCM数据通讯、数据结果的保存、校准结果精度的计算等。

（1）应变电桥模拟板卡的控制部分

对应变电桥模拟板卡40-265的控制是通过其面向Borland C++的动态链接库来实现，控制指令实现板卡的开启关闭、通道的设置、可变电阻值的写入等。通道的设置包括激励端方式（外部激励或者内部激励）和全桥或半桥电路的选择。板卡的EEPROM中提供了标定后电桥的固定电阻R的阻值，同时可变电阻设置后的值可以返回，这使得应变信号的加载更加准确。

DWORD PIL_WriteSub（DWORD CardNum，DWORD OutSub，DWORD*Data）； //电桥设置

DWORD PIL_ReadCalFP(DWORD CardNum，DWORD OutSub，DWORD Store，DWORD Offset，DWORD NumValue，double *Data）； //读取固定电阻的阻值

DWORD PIL_ResSetResistamce（DWORD CardNum，DWORD OutSub，DWORD Mode，double *Data）； //设置可变电阻阻值

DWORD PIL_ResGetResistamce（DWORD CardNum，DWORD OutSub，double *Data）； //返回设置的可变电阻阻值，以检验实际的电阻设置

（2）PCM数据通讯

采集器输出的PCM数据到校准计算机的传输采用的协议为UDP 协议。在TCP/IP网络体系结构中，有TCP (传输控制协议,Transport Control Protocol)、UDP (用户数据报协议, User Data Protocol) 两种传输层最重要的协议。TCP协议是面向连接的、可靠的数据传输协议，在正式通信前必须通过三次握手建立起连接，具有超时和重传机制。而UDP协议是非面向连接的不可靠的传输机制，在通信前不需要先建立连接，不提供报文的确认，传输速度块。根据校准数据传输的特点，客户端（PCM检查计算机）和主机端（校准计算机）之间并不需要事先连接，客户端可以在采集器打开后就开始发送数据包，主机端只在需要时将PCM数据包取回即可，而且单个校准点在一定时间内会发送N个数据包，几个数据包出现坏包情况只需丢掉即可，不需重发，所以在本系统中选用了UDP传输协议。

在C++ Builder 6.0 平台上，基于UDP的数据传输开发方式有两种，一种是通过Windows API函数，另一种是利用开发组件即NMUDP控件，本文采用了后者。在控件属性中设置IP地址，端口号等信息，当收到数据包时触发函数NMUDP1DataReceived（）。

（3）基于OLE的数据结果保存

根据校准规范，校准结果最终需要以Excel格式存储，利用C++ Builder6.0具备的OLE Server功能，可在其平台上创建控制端应用程序来驱动EXCEL软件，主要实现Excel校准模板文件的导入、单元格中数据的的输入、文件的保存等。

ExcelWorkBook1->ConnectTo()； //导入模板文件

ExcelWorkBook1->GetRange()->cells->SetValues()； //写入单元格

ExcelWorkBook1->SaveAs()； //保存文件

（4）校准精度的计算

根据国军标1692，运用回归分析法处理试验数据，对测试仪器校准试验得到的N组校准数据（xi,yi）（1，2，…，N）,利用最小二乘法，通过逐次回归确定出描述变量Y（输出两）与X（输入量）之间相关关系的回归多项式。