基于周期检测应变测量技术研究

高战朋，张清勇

（中国飞机强度研究所，陕西 西安 710065）

全机静力试验是飞机研制过程中重要一环[1-2]，也是新研制飞机首飞的必要条件之一。在全机静力试验中，通过测量飞机结构的应变来确定飞机机体结构的应力分布、传力路径，并为验证飞机结构强度的计算方法以及结构是否满足设计要求提供必要的数据[2]。国内外传统上采用电阻应变计结合惠斯通电桥进行应变测量。全机结构静力试验关键受力结构较多，相应布置的测量点也数量繁多，一般一架全机静力试验机布置的应变测量点数量在6000点以上，某型飞机布置应变测量点折合单轴应变计多达39000片，全机静力试验要求最大应变测量规模在12000～14000通道，实际最大测量规模超过20000通道，并且试验件尺寸普遍较大，应变计引线长度一般在7～10m，最长可达60m，目前应变主要采用电阻应变计大多通过1/4桥三线制惠斯通电桥进行测量。在试验准备阶段，应变计接线、焊线工作量很大，同时人工进行应变计编号传递也容易出现错误，而且现场布线量也规模庞大，给试验实施带来很多困难和挑战。为减少现场布线及提高试验应变测量准备效率，开展了分布式应变测量技术研究。

1  分布式应变测量系统原理及特点

一般意义上的自动测试系统[3]是指采用计算机控制，能够实现自动化测试的系统，也就是对能自动完成激励、测量、数据处理并显示或输出测试结果的一类系统的统称。飞机应变测量系统是飞机结构静强度试验自动测试系统一部分，分为电阻应变计以及基于惠斯通电桥的应变数据采集系统。数据采集系统一般包括系统信号调理、A/D转换、数据采集与通信模块以及数据管理与显示模块等。随着网络技术的发展，将信号调理、A/D转换、数据采集与通信模块靠近测试对象，分布到现场，数字信号通过网络传输给数据管理与显示模块，这样的系统通常称为分布式采集系统。分布式数据采集系统分为3种：基于以太网数据采集系统、基于LXI嵌入式分布式数据采集系统和基于CAN总线[3]分布式数据采集系统。前两种分布式采集系统，需单独配置电源及控制器，采用惠斯通电桥进行应变测量，前端调理电路及通信模块、电源及风冷模块在现场，体积过大，无法有效减少现场电缆分布。基于现场CAN总线的分布式数据采集系统前端调理采集单元供电通过CAN总线提供，可以放置到飞机机体上，有效减少试验现场测量的布线量。而基于周期检测的分布式应变测量技术，从应变测量方式及现场CAN总线的选择减少现场的布线量。

2   基于周期检测分布式应变测量技术原理及系统  组成

基于周期检测的分布式应变测量技术原理及系统组成原理框图见图1。

如图1所示，现场采集单元通过CAN服务器提供电源和通信链路。应用服务器位于控制中心，通过以太网与CAN服务器组通信，汇集实时应变数据，并实时显示和管理试验过程。

图1 系统组成原理框图

2.1  基于周期检测应变测量技术

基于周期检测的应变测量单元与传统电桥应变测量不同。现场采集单元使用了电压-频率转换（V-F，Voltage-Frequency）测量方式间接检测应变计电阻的变化，采用高频的计时脉冲（ps级），对信号周期进行测量，使测量有很高的精度（万分之一）。对电阻应变计应变测量方式开展了创新的研究，增加了前端调理电路的集成度，每个采集单元可以测量16通道的应变数据。采集单元集成方便，可以形成采集单元阵列，如图2所示。

第1级：现场级

图2 现场采集单元阵列

2.2  电压 - 频率转换（V-F）技术原理

单稳态的电压-频率转换电路主要由电压-频率转换芯片、外接电阻Rt、电容Ct和定时比较器、复零晶体管、R-S触发器以及负载RL、CL构成。原理图见图3。

图3 基于LM331电压-频率转换原理

设CL充电时间为t1，放电时间为t2，R为定时比较器电阻，则输出频率f0=1/（t1+t2）f0=Uri/（RL/R×t1），T=t1+t2=（RL/R×t1）/Ui。当电压发生变化时，周期/频率发生变化，通过检测周期变化实现对电压及电阻测量，实际是对电阻及电容组成的自振荡电路的周期特性的测量。

2.3  现场 CAN 总线管理技术

将现场CAN总线技术与互联网技术结合，组成智能化、模块化、大规模的CAN总线管理服务器。将CAN总线网络节点分为管理节点及数据采集节点进行综合管理，大大提高了CAN总线管理效率和规模。

从以上技术研究中可以看出，通过对周期检测进行应变测量，建立在阻容振荡电路基础上的动态测量，在试验现场及引线过程中，容易受到现场电磁环境影响，以及应变计测量过程中引线的分布电容及分布电阻的影响，对周期检测带来干扰。同时，由于应变测量方式的改变，使得系统校准/检定方法也要进行相应的改变。针对以上问题，提出了以定长带屏蔽的引线进行消除分布电容影响，采用以标准电阻变化为基准的检定方式进行检定方案，为此开展了相关验证。

3  验证研究试验

验证研究试验采用模拟的机翼假件作为试验件，粘贴应变计，使用采集系统的原理样机进行验证试验，采用多通道协调加载系统进行加载。试验件及试验安装情况见图4、图5。采用5m和20m的带屏蔽引线和不带屏蔽引线进行接线测试，由测试结果可以看出：带屏蔽的线缆引线可以有效地减少分布电容和分布电阻的影响；引线越长，引起分布电容及分布电阻带来干扰的振幅越大。

图4 机翼模拟件示意图

 图5 现场安装情况示意

3.1  验证试验数据对比结果

采用5m、20m不带屏蔽引线先进行测试，然后接屏蔽再进行测试，通过对比测量，测试结果分析可以得出：不带屏蔽测量结果应变纹波最大达到±1000με，接屏蔽后，应变纹波在±30με以内。

3.2  检定 /校准方法验证及结果

传统应变采集系统使用电桥进行测量，通过电阻应变仪进行计量/检定。根据基于周期检测的分布式应变测量系统原理及系统校准/检定要求，提出了采用电阻相对变化量直接进行系统校准/检定方法，进行了系统校准/检定，检定/校准结果数据见表1。

表1 部分检定验证结果数据

3.3  数据分析

验证试验结果表明：在不加屏蔽的情况下，应变计引线长度与分布电容及分布电阻引起干扰幅度正相关，从测试结果分析可知，引线进行屏蔽可以有效地减小分布电容及分布电阻引起的干扰。

从检定结果数据可以看出，采用标准电阻变化对基于周期检测的分布式应变测量技术的系统进行计量校准/检定是可行的。

4  结论

采用基于周期检测分布应变测量技术，可以减少传统应变测量的现场布线的工作量，用来进行飞机静力试验应变测试是可行的，但在使用过程中，必须坚持以下方案及原则：

（1）应变计到采集单元到电阻应变计的引线采用两线制且必须是带屏蔽的；

（2）应变计引线不超过5m。

基于周期检测的分布式应变测量技术是针对传统电阻应变计-惠斯通电桥测量模式一种创新，提高了电阻应变计前端采集单元的集成度，可以形成应变计采集单元阵列。采用该方案可以减少应变计的现场引线长度和数量，可以有效提高大规模应变测量准备的效率，也为应变计应变测量提供了一种新的思路，可在其他结构试验应变测量中进行推广。