飞机结构强度试验应变测量误差分析

2021-10-08黄晓龙尧建平张伟逸李映朴

工程与试验 2021年3期

黄晓龙，尧建平，张伟逸，李映朴

(中国飞机强度研究所，陕西西安 710065)

1 引言

电测法采集应变信号主要由3个环节组成：应变片、导线、采集仪器。通过在试验件被测点粘贴电阻应变片，利用应变片的应变效应和惠斯顿电桥采集应变信号，是飞机结构强度试验最常用、最基础的方法。本文对应变片、测量桥路和数据采集系统等环节逐一分析，讨论影响应变量测量的各种因素，并有针对性地提出了一些合理化的建议，以减少测量工作给试验带来的误差。数采系统工作原理如图1所示。

图1 数采系统工作原理

2 应变片带来的误差分析

应变片即应力传感器，粘贴在试验件上的应变片是关乎试验准确度的最关键部件之一，其工作原理即金属导线的应变效应。应变片较好地实现了应变量到电量间的转换，正确使用时其准确度和灵敏系数都是较高的，但由于其自身又是一种精密、敏感的元器件，在选用、安装、使用不正确时会产生一定的误差。下面以常用的120Ω箔式应变片为例，具体分析其几项误差分量。箔式应变片结构简图见图2。

图2 箔式应变片结构简图

2.1 应变片电阻值偏差引入的误差

电阻值是应变片的主要参数之一。在飞机结构强度试验中，大量使用120Ω的应变片，然而实际生产出来的应变片阻值都会多少有些偏差。一般根据偏差的大小，将应变片分为A、B、C、D四个等级。A级允许电阻最大偏差为0.5%，即电阻值R应在(119.4～120.6)Ω范围内。

应变片阻值偏差对测量数据的影响一般在桥路平衡时就可消除，但过大的阻值偏差会使桥路无法平衡，从而影响测量结果。因此，新入场的应变片都应进行抽样测量，将阻值偏差控制在可控范围内。

2.2 粘结剂引入的误差

应变片粘贴到试验件上之后，理论上在应变片与试验件之间应该完全绝缘，但由于有些粘结剂绝缘性能不好，会使应变片和试验件之间产生一定的分流电流，从而影响测量结果。一般粘结剂固化后要进行绝缘电阻的测量，既测试引线与试件间的电阻。

当绝缘电阻从1000MΩ降到100MΩ时，电桥的输出相当于有1%的变化；当绝缘电阻从10MΩ降低到1MΩ时，电桥输出相当于10%的变化[1]。据此，对于静力试验，绝缘电阻应该在50MΩ以上即可，对于疲劳试验，绝缘电阻应该达到1000MΩ附近，此时粘结剂引入的误差可以忽略。

2.3 应变片粘贴方向偏差引入的误差

应变片粘贴应与应力方向一致，但在实际试验中，特别是在飞机静力试验中，所用应变片的数量庞大，应变片粘贴方向可能会与应力方向产生一定的偏差，使测量得到的结果产生误差。应变片粘贴角度发生偏差后测量结果产生的变化如图3所示。

图3 应变片粘贴方向与应力的关系图

如图所示，假设设计角度为α+β=45°,偏差角度β=5°，有：

Δε=(ε1-ε2) sin(2α+β) sinβ=0.087(ε1-ε2)

则相对误差：

(1)

从上面的计算可以看出，当实际贴片角度与试验所需角度存在偏差β时，测得的应变会有一定误差，且误差大小不光与偏角大小有关。相同偏角情况下，试验所需角度越大，误差越大。当设计角度和偏差角度确定时，误差与应力大小相关。从式(1)可以看出，ξ3可以无限趋近于0，也可以比较大，因此在试验设计时，应计算好应变片的粘贴方向，特别注意带有大偏角和大应变测量点处应变片的粘贴，将角度偏差降到最低。

2.4 其他误差

新投入使用的应变片会产生明显的机械滞后，预加载和间隔性加载的方式可以大大减小机械滞后对试验结果的影响，即在正式试验前预加载至少3次，并且在每次加载之间留有一定的时间间隔，使应变片适应所加载荷并有一定的时间恢复到初始状态，此时机械滞后引入的误差可以忽略。

此外，应变片中的敏感栅对环境变化比较敏感，温度、湿度、振动、电磁等环境都会对测量结果产生一定的影响。试验厂房应该具备环境基础检测设施，在符合应变片工作的环境条件下开展测量。

可见，应变片选择、粘贴工艺、环境条件等都会对测量带来一定影响，合理地选择、粘贴应变片，并做好试验环境控制，能将该部分误差引入降低到可以忽略的程度。

3 电桥的非线性误差

安装在试验件上的应变片在感受到形变时电阻会产生变化，连接在桥路上的电阻变化会使桥路产生输出电压，且输出电压与应变成一定数学关系。根据这一数学关系，能够看出电桥存在非线性误差。桥路的形式复杂多样，一般可分为四分之一桥、半桥和全桥等3种。

3.1 四分之一桥非线性误差分析

图4所示为单臂桥路连接形式，Ui为桥压，Uo为桥路输出电压，R为应变片电阻，ΔR为形变电阻。

图4 单臂电桥

对此，部分自研的数据采集系统直接对采集结果做出了修正，而HBM、VTI等进口数采中没有对采集结果进行修正。HBM系统测量的四分之一桥20000με以内各校准点的测量值和修正值如表1所示，可以看出，在两万微应变时误差已经很大。

表1 测量值与修正值比对

3.2 半桥、全桥非线性误差分析

半桥测量时连接图如图5所示，有两个相邻的工作片接入，且一个为拉向一个为压向。

图5 半桥桥路及贴片方式

全桥测量时连接图如图6所示，4个桥臂均接入工作片，且两个拉向两个压向，同向在相对桥臂上。

图6 全桥桥路及贴片方式

从上面的计算可以看出，半桥和全桥电路中由于桥臂的互相抵消，不存在这样的非线性误差。但是，当贴片方式发生改变后，情况有所不同，如图7所示。

图7 半桥贴片方式二

同样：

可以看出，同样的半桥桥路方式，应变片粘贴方式的改变引入了非线性误差，全桥情况也是一样[2]。不同的贴片方式具有不同的测量功能，但需要提醒试验设计人员，必须考虑由此引入的误差及误差的消除。

4 接触电阻及导线电阻引入的误差

4.1 接触电阻引入的误差

在应变片与电缆、电缆与数据采集系统的连接处会产生一定的接触电阻，根据经验，一般接触良好时接触电阻可达10-4数量级以下，接触不好时会有10-2数量级的接触电阻。

可以看出，当接触良好时，接触电阻对应变测量的影响量很小，可以忽略。但当接触不好，接触电阻对应变测量的影响可达几十微应变，这对小应变的测量影响极大。因此，应该注意连接件部位，保证接插件牢靠。在实际的计量工作中，经常出现电缆太重或者拆卸过程造成的接插件松动，引起测量数据异常的现象。此外，注意焊点的焊接情况，杜绝虚焊的产生。

4.2 导线电阻引入的误差

导线电阻的影响如图8所示。

图8 长导线影响示意图

ε′=(1+2r/R)ε

一般当r大于0.5%R时，对测量值需要修正，且应尽量降低导线电阻，每组应变片的连线长度也应相等。

5 采集系统引入的误差

5.1 采集系统工作原理

应变采集在实验室多用应变仪，而在大规模应变采集中多选用具有应变采集功能的数据采集系统。采集系统按照测量频率的变化可分为静态和动态两种，一般采用两种电路，其中一种是电位计式电路，这种电路比较简单，电路中的电阻元件数量很少，通常用来测量动态分量(冲击、振动)。飞机结构强度试验常用的是惠斯顿电桥，简称电桥电路，其输入应变与放大器输出电压的对应关系为：

式中，Eg为电桥电压，Uo为放大器输出电压，KF为放大器增益，K为应变片灵敏度系数，ε为输入微应变。

5.2 采集系统测量误差

采集系统主要由调理电路、A/D转换电路组成。调理电路对来自传感器的小信号进行滤波、放大、抑制干扰，其由前置放大器、缓冲放大器、滤波放大器组成。前置放大器是决定系统准确度的关键器件之一，其必须具有非线性小、共模抑制比高、输入和输出温漂小、输入阻抗高以及频率响应高等综合性能[3]。

飞机结构强度试验中会组合成千上万的采集通道，每个采集通道通过长导线连接到试验现场试验件上的应变片，每个采集系统通过交换机连接上位机进行采集。部分国产数采系统测量误差一般在±(0.1%～1%)，进口数采系统测量误差一般在±(0.1%～0.5%)。根据使用经验，建议数采系统在使用前进行一些“规定动作”，以使系统达到最佳状态。

(1)确定桥压。对于经常使用的120Ω应变计电桥的测量，建议使用2V桥压。过大的桥压使流过应变计的电流增加，温度的升高对测量结果的影响将增加，过小的桥压则会降低灵敏度。

(2)校准。数采系统一般都带有自校准程序，计算机能够自动完成桥路平衡、初始值调零、长导线、灵敏度系数的修正。进行测量前必须先使电桥平衡，对于直流电桥只考虑电阻平衡即可。对于交流电桥，不仅对电阻进行平衡，还需对电抗分量进行平衡(连接导线和应变片的分布电容进行平衡)。对于不带有自校准的系统，需要试验人员提前配置好相关参数，手动调整系统。初始值是由环境、应变片导线等多种因素的影响而产生的，一般通过软件拉回零点。

(3)接地。测量小信号和动态信号时，一定要将整个系统构成一个完整的屏蔽体，并保证各部分良好的单点接地。接地不好将产生一定的漂移，稳定度也会受到影响。