大规模应变采集系统的现场计量

黄晓龙

(中国飞机强度研究所计量中心，陕西西安710065)

0 引言

随着我国大飞机研制工作全面开展，飞机结构强度验证试验(简称强度试验)所用应变量数据采集通道规模越来越庞大。单从ARJ21全机静力/疲劳验证试验来看，使用的应变采集通道已有上万通道，今后C919等大型民机强度试验使用的应变采集通道规模会更庞大。再加上同时进行多种其他型号飞机试验，使得近几年强度试验所需数据采集系统增长迅速，据不完全统计，现每年需要计量的各种数据采集系统近百台套，总计6万多通道。这样的规模在国内少有，并且暂无系统性介绍此项工作的著作和规定，要确保在实验中数采系统测量的准确可靠，计量工作任务艰巨并责任重大。

1 相关说明

1.1 校准方法

在结构强度试验中，数据采集系统主要用来测量应变信号。由于强度试验的需求和市场现状，本单位同时拥有进口和自研的多种应变量数采系统来满足各种试验工况下的数据采集工作。并且经与数采系统使用方讨论，根据试验特点，研究决定对设备的最大允差、线性度和零点漂移三项技术指标进行校准，即可满足实验要求。

据此，参照JJF 1048-1995《数据采集系统校准规范》(以下简称《规范》)的要求，根据强度试验对数采系统实际使用情况，特制定两套适合本单位计量校准工作的校准方法:《结构强度试验数据采集系统校准方法》和《动强度试验数据采集系统校准方法》。该方法适用于本单位结构强度试验中用于应变、电压、温度等物理量测量的各类数据采集系统的校准，并针对现有不同型号的数据采集系统比较详细地列出了需要计量的项目及技术指标。

1.2 所用桥路

电阻应变片的工作原理是基于导体的“应变-电阻效应”［1］来测量应变，一般采用直流电桥法，这种方法叫做应变电测法。应变电测法具有精度高、应用方便等优点，对于静态应变测量这一优势更为明显。这是应变采集系统测量数据的基本原理［2］，也是应变校准仪模拟输出应变量的基本原理。

直流电桥一般有单臂电桥、半桥和全桥3种桥路形式，本单位的强度试验中大规模采用单臂电桥，故本文介绍的校准工作以单臂桥路形式举例，如图1。

图1 单臂电桥

这样的桥式电路可以灵敏测量极微小的电阻变化。当弹性体受力时产生弹性形变，粘在其表面的电阻应变片则随其同步变形，因而应变片的电阻值改变。由于测量前电阻应变片组成的桥式电路是平衡的，而电阻应变片的电阻变化会引起电桥的不平衡，因而有电压信号输出，该信号与应变片受力成正比，因此可以用来测量试件的载荷。

2 采集系统的校准

数万通道的数据采集系统的校准工作量是巨大的，而现阶段只能按照规定进行抽检，因此，如何准确高效地完成这项校准工作成为业内亟待解决的问题。对所抽检的通道选择一些校准点和实验所用桥路进行校准，这样既能满足使用需求又能提高工作效率。当然对于新购(研)系统的校准，需在通道和桥路方式上进行全面验收。

2.1 校准标准

目前，本单位应变量数采的校准采用中国计量院的DR系列标准模拟应变量校准仪作为标准，原理是旋转波段开关调制内部电阻的并联方式从而改变内部电桥桥臂电阻，模拟应变量输出。其技术指标为:量程范围0.1με～111110με，精度等级0.05，能够完全满足进口或国产数采系统的校准要求。该校准标准器的优点是精度高、稳定性好、体积小便于携带，缺点是只能进行单通道数据采集系统的校准，且手动操作，不方便更换桥路形式和正反向时，效率低。

2.2 线路连接

数采系统与应变校准仪的连接可按连接形式分为3种:单臂电桥连接、半桥连接和全桥连接，根据设备使用情况，将双绞屏蔽线制作成相应桥路所需特殊输入线，通过更换特殊输入线实现多桥路的校准。图2是本单位使用最多的单臂电桥校准连接法示意图。

图2所示为HBM MGC上2个25针座上的8个通道，这8个通道公用一个放大器。以连接1/5通道为例，将1与14针短接接应变仪B口，2与15针短接接应变仪C口即可。全桥和半桥与单臂电桥相似，只是全桥要将应变校准仪A，B，C，D四口全部接入，半桥将A，B，C三端口接入。

图2 单臂电桥校准连接示意图

另外在进行单臂桥路零漂测试时连接方式为:1与14短接，2与15短接，2与14接120 Ω(350 Ω)电阻，使达到桥路平衡，进行零点模拟测试。其他通道相同。

2.3 通道的抽取原则和校准点的选取

通道的抽取以抽检到每个放大器为原则，一般情况下一个放大器有4个或8个通道，每个放大器抽检1或2个通道，且通道的选择遵循隔年轮换选取、抽检不重复等原则进行。以每8通道公用一个放大器并只抽检一个通道计算，抽检比例为12.5%，放大器校准比例为100%，能够比较全面地检验数采系统，零漂测试时选取的通道习惯上与应变测试时所选通道一致。

每个通道校准点的选取按照《规范》中的选择方法进行，一般在测量范围内选择不少于11个校准点，可根据设备使用方要求灵活变更校准点和范围，但益取整数。

以HBM MGC PLUS数据采集系统为例，每个机柜有4个模块，每个模块有16个放大器，每个放大器8个通道，故每个柜子共抽检16×4个通道。通道量程为±20000 με，校准点根据实际使用情况选取，如表1所示。

2.4 最大允差、线性度和零漂的计算

通道选好后按需要检定的桥路连接应变校准仪和数采系统。给系统输入信号Ei(i=1，…，11)，启动采集，记录采集软件显示出来的采集数据xij(j=1，…，n)，如表1所示。

但在实际工作中完成一台采集系统的校准工作，采集的数据量是非常庞大的，我们将EXCEL格式的采集数据导入专用的数据处理软件，它能帮我们按照预先设置对无用数据进行自动剔除，将有用数据顺序排列并放入带有计算公式的EXCEL表格中进行计算，计算公式严格按照《规范》中规定设置。

表1 某通道校准点及测量数据

将表1数据代入计算可得每个校准点的最大允差、线性度，如表2所示。

表2 各校准点的最大允差和线性度 με

零漂的测试按照2.2中所述接好定值电阻(120/350 Ω)，调零后，根据校准规范规定每半小时记录一次数据，连续观察4 h以上即可，测试结果见表3。

表3 某通道的零漂测试

其中最大零漂误差为通道零点每次记录值与第一次记录值之差绝对值的最大值。

以校准点中最大值分别为通道的最大允差、线性度，则该通道最大允差为0.14，线性度为0.06。以各通道中的最大指标作为系统的技术指标，对于超出该系统技术指标的规定值的通道要给予限用，并在校准证书上写明限用通道，设备粘贴限用证。对于全部通道合格的系统给予合格证书，设备粘贴合格证。

3 结束语

由于数据采集柜体积大，无法在计量实验室进行校准，所以一般都在试验现场进行校准。试验现场同时进行的其他测试或动力设备运行都会对校准工作带来一定的干扰，同时温湿度等自然条件的不可控也会给计量测试结果带来影响，为此，我们一般采取对可疑数据进行多次测试尽量减少随机误差，对与超差通道同一放大器下的其他通道全部校准做到严格控制。同时特殊输入线在使用过程中容易由于操作原因产生接触不良且无法完全屏蔽，这会造成采集数据时信号不稳定、数据采集不准确的现象，导致误判为数据采集系统不准确，因此在可疑情况下应更换不同的输入线连接标准源和数据采集系统重复测试。

面对如此大规模应变数据采集设备，目前还只能使用单通道校准标准器来完成，如果按照20%的概率抽检，总共按60000的通道计算也需要抽检12000多通道，每个通道需要11个点的手动操作，费时费力效率低下，同时会有海量的校准原始数据生成。

很明显，在数据处理方面已经做到了相对较高的自动化，减少了人为误差，但在现场计量由于上述等原因极易出现错误，同时由于校准标准器的限制每台标准器只能一次校准一个通道，这严重影响着我们的工作效率，为此我提出一种全新的标准器改进思想。

通过改进模拟应变校准仪内部构造，将半桥、全桥和单臂桥路三种连线方式集成到标准内部，使其可以手动切换，再通过一个多层多刀多位的波段开关在校准标准仪内部构造一个能够同时调换的多路模拟应变校准仪［3］，这种集成式的校准标准器不仅可以大幅提高工作效率还能实现线路的良好屏蔽，减少外界干扰和操作失误对校准工作的影响，提高校准准确性。

［1］张从和.强辐射条件下应变测量的抗干扰技术研究［J］.流体力学与实验测量，2011，15(1):54-56.

［2］蒲建熊.利用电桥特性优化应变电测法［J］.凿岩机械气动工具，2010(3):44-46.

［3］张宇，常艳.数据采集系统的校准研究［J］.电子测量技术，2012，35(8):98-102.