基于铂电阻的机载测温系统校准方法改进

李铁林，黄　杨，丁腾欢

(中国飞行试验研究院，西安　710089)



基于铂电阻的机载测温系统校准方法改进

李铁林，黄杨，丁腾欢

(中国飞行试验研究院，西安710089)

为了解决机载铂电阻测温系统机上校准工作量大、实施难等问题，根据机载铂电阻测温原理和校准方法，分析了对于单个测温通道在实验室与机载环境下测量结果之间的差异，提出了一种对实验室校准曲线进行修正而替代机上校准曲线的方法，并通过实验对该方法进行验证；设计了根据机载测试系统的数据文件、系统配置文件，批量修正实验室校准曲线的软件;任意选择的8个参数进行工程验证，采用原方法和本文方法进行校准得到的两组校准曲线，分别对测试数据进行处理，得到测量结果的最大偏差与量程比不超过0.27%，证明修正后实验室校准曲线与机上校准曲线基本一致，可以用作数据处理；结果证明，改进后校准方法方便、高效，校准结果满足机载测试要求，为机载参数校准提供了新思路。

机载测试；铂电阻；校准；改进方法

0　引言

机载测试是飞行试验数据的主要来源，其中温度类参数是机载测试的重要研究对象，对飞机鉴定具有重要意义。Pt100铂电阻具有测量范围大，稳定性好，重复性好以及耐氧化等特点，常被用来作为-200～850 ℃范围的国际标准温度计[1-3]，因此，在飞行试验温度测试中，选用分度特性符合IEC751-1995标准的铂电阻传感器，测量温度范围包含在-55～650 ℃内的环控、液压及燃油系统温度参数。

根据机载铂电阻测温原理以及测量精度要求，试验机完成测试改装后，测试人员需要在机载环境下对每一路测温通道进行校准，随着大型、新型飞机试飞的密集开展，对校准工作提出新的挑战：1)工作量大，温度参数分布在机身各处且数以千计；2)实施不便，且至少需要两人配合；3)周期紧张，型号进度要求试验机测试改装在飞机总装时穿插进行，可利用的有效时间非常有限。目前，上述问题愈加突出，迫切的需要更加方便、高效的校准方法。

1　机载铂电阻测温原理及校准简述

1.1机载铂电阻测温的原理简述

机载铂电阻测温原理采用三线制单恒流源法，如图1所示，Rt为铂电阻值，r为连接阻值，I0为恒定电流大小。由图中可得基本关系式(1)、(2)、(3)，若认为连接电阻r1=r2=r3，可得式(4)：

图1　机载铂电阻测温原理

1.2机载铂电阻测温校准简述

机载环境下测温通校准工作方式如图2所示，按照试飞测试参数校准标准，在测量范围内较均匀地选取m(m≥7)个校准点，使用PT100铂电阻值校准箱模拟校准温度对应的电阻值，接入测试通道并记录测量结果，每个参数要求有效测量不少于4次；其次，计算各校准点测量结果的平均值，使用最小二乘法利用各平均值拟合校准曲线[4-5]。

图2　机载铂电阻测温校准工作方式

按照式(7)可根据N计算出Rt值，由工业铂电阻分度表插值或由电阻-温度特性直接计算可得到温度值[6]，但是工程中无法满足r1=r2=r3，式(7)不成立，我们采用校准的方法建立码值和温度的关系。校准过程如上文所述，具有以下优点：1)校准以一定周期重复，温度参数1年校准一次，可避免由于长期工作导致测试系统各特性改变对测试结果的影响[4]；2)可消除各个环节引入的系统误差，例如r1≠r2≠r3；3)利用校准曲线处理数据更方便。由式(2)、(7)可得式(8)，其中B=K(r2-r1)+b，可见N与Rt仍为线性关系，由于电阻-温度特性是非线性，应将校准曲线拟合为多项式[6]，但是为了便于数据处理，试飞测试中将校准曲线拟合为一条直线，对于精度要求较高的参数采取分段校准，以多条直线分段逼近实际曲线以满足精度要求。

(8)

2　机载铂电阻测温校准方法改进

2.1机载铂电阻测温实验室校准与修正

(9)

对上述假设进行验证，选择一个被测温度范围10-95℃的参数进行验证，设置测试系统测温范围0-100℃，设置I0为1.6 mA，选取10、20、40、50、70、80、90、100℃共8个校准点，使用同一校准箱进行校准，表1、表2所示为校准数据，表3所示两次校准的对比结果，可见在机载测温系统中式9成立。

表1　飞机上校准数据

表2　实验室校准数据

表3　两次校准数据对比

表4　两种校准方法结果对比

计算两次校准的校准曲线如图3所示，可见实验室校准曲线平移204.65个码值即为机上校准曲线，结合式(9)与表3可得一种新的铂电阻测温校准方法：对某温度参数进行实验室校准，任意选择一个校准点作为校准修正点，测试系统改装完成后，在机上对该点测量一组数据并求得平均值，按该点两次测量平均值之差修正实验室校准曲线后可作为机上校准曲线。按表3中N2x-N1x进行修正，得到的一组新校准曲线与机上校准结果最大相差13.85个码值，换算成温度为0.02℃，在环控、液压及燃油系统温度测量时可忽略，说明该方法满足机载测试要求。

图3　校准曲线对比图

2.2校准曲线批量修正软件设计

实验室校准便于实施、工作效率高，但需按图2方法在飞机上测量一个修正点，影响工作效率的提升，因此设计软件批量修正校准曲线。软件结构如图4所示，由测试数据处理、校准曲线处理、修正量计算三部分组成：1)测试数据处理的对象是机载测试系统采集、记录的数据，包含所有温度参数，在测试系统工作时接入校准箱并保持1～2秒，使测试数据中存在一组修正点测量值，处理结果是以参数名为列、采集时间为行的二维矩阵，矩阵中的一个点表示某参数在某时刻的码值，称作数据点；2)校准曲线以Excel格式存储，校准曲线处理部分批量获取校准曲线文件中的一些信息，例如参数名、各校准点平均码值、校准曲线的斜率及零位，并且创建一个Excel文件用以批量存储修正后的校准曲线，包括参数名、校准曲线的斜率、零位[7]；修正量计算是根据修正点在实验室、机上测量结果计算出修正量，程序流程如图5所示。强调两点：1)测试系统在未连接传感器或校准箱时测量结果为0或65535，地面连接传感器时测量结果一般为环境温度，为了保证程序有效执行修正点选取尽量远离当前环境温度；2)程序执行时在先批量获取校准曲线信息，然后为每一个参数人工选择一个修正点，飞机上测量修正点要严格等同于在软件上的选择的点。

图4　软件结构图

图5　修正量计算程序流程图

综合以上，本文给出一种机载铂电阻测温实验室校准方法：第一、在实验室对各测试通道进行校准，拟合出校准曲线；第二、使用软件根据机载测试数据批量修正校准曲线。

3　工程验证

在某试验机上随机选取分布在油箱、起落架液压、燃油泵的8个参数，分别采用本文方法、原方法进行校准，表4所示为两种方法分别得到的校准曲线对比，可以看出同一参数的两条校准曲线基本重合，分别采用两条校准曲线处理数据得到结果的最大偏差与量程比不超过0.27%，满足测试要求。

4　结论

本文基于理论分析与实验，给出了一种新的机载铂电阻测温校准方法，实验结果表明，采用该方法得到的校准曲线精度满足测试需求。该方法方便、高效，同时为试飞测试参数校准提供了新的思路。

[1] 刘少强,张靖,等.三线制铂电阻高精度测温方法[J].自动化仪表,2002,23(11)：20-23.

[2] 陶红.一种热电阻温度测量的全补偿方法[J].南京师范大学学报(工程技术版),2004,4(1)：70-72.

[3] 甘英俊,周宏平.基于三线制的高精度热电阻测量电路设计[J].电子设计工程,2010,18(12)：31-33.

[4] 姜宏伟,等.Q/FY.J02.52.1-2013,试飞参数测试系统校准总则[S].中国飞行试验研究院,2013.

[5] 姜宏伟,等.Q/FY.J02.52.7-2013,试飞参数测试系统校准温度[S].中国飞行试验研究院,2013.

[6] 石明江,张禾,等.基于LabVIEW的高精度铂电阻测温系统设计[J].计算机测量与控制,2012，20(4)：934-938.

[7] 刘如林.用VB程序实现对学生Excel作业的批量评分[J].软件导刊,2012，11(1)：10-12.

Improved Method for Calibration of Platinum Resistor-based Airborne Temperature Acquisition System

Li Tielin，Huang Yang,Ding Tenghuan

(Chinese Flight Test Establishment，Xi′an710089，China)

In airborne situation,the calibration of platinum resistor-based airborne temperature acquisition system is of big amount of labor,and hard to operate. Based on the measuring and calibration theory of the platinum resistor-based airborne temperature acquisition system,this paper analyzes the comparison of the calibration of one single test channel between in airborne and in lab. To replace the calibration curve obtained in airborne,a correction method of the calibration curve obtained in lab is given. And the experiment to verify is conducted. The software which is to correct the calibration curves in lab which depends on the data file and configuration file of the test system is designed. The data of 8 random engineering parameters are processed with the traditional and the correction calibration curves. The maximum error between the two results is no more than 0.27% to the measuring range. It is proved that the new calibration method is more convenient and more effective,which can meet the demands of the flight test. And this provides a new method to calibrate parameters in airborne.

airborne test; platinum resistor; calibration; improved method

1671-4598(2016)04-0019-03DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.04.006

TP274

A

2015-10-27；

2015-11-26。

李铁林(1987-)，男，陕西富平人，硕士，工程师，主要从事机载测试技术研究。