一種脈動(dòng)壓力比對校準(zhǔn)誤差修正數(shù)據(jù)處理方法

改造者：閻 玲

一種脈動(dòng)壓力比對校準(zhǔn)誤差修正數(shù)據(jù)處理方法

改造者：閻 玲

依據(jù)行業(yè)規(guī)程，為了滿足某型飛機(jī)垂尾抖振科目試飛測試要求，基于脈動(dòng)壓力傳感器測試中，針對產(chǎn)生的誤差原因分析，提出了飛行試驗(yàn)中比對校準(zhǔn)誤差修正數(shù)據(jù)處理方法。

隨著航空技術(shù)的不斷進(jìn)步，動(dòng)態(tài)壓力測量技術(shù)得到迅猛發(fā)展，使得動(dòng)態(tài)壓力測試技術(shù)在測試脈動(dòng)壓力時(shí)，可以獲得準(zhǔn)確結(jié)果。在被測量的物理量隨時(shí)間變化的情況下，傳感器的輸出能否良好地跟隨輸入量變化是一個(gè)很重要的問題，有時(shí)傳感器盡管其靜態(tài)性能非常好，但由于不能很好地跟隨輸入量變化而導(dǎo)致誤差。在脈動(dòng)壓力測試中，測量誤差大小直接影響飛行測試結(jié)果，如果不能保證脈動(dòng)壓力傳感器的精度，就無法滿足飛機(jī)垂尾抖振科目試飛測試要求。因此，對于飛行中所使用的脈動(dòng)壓力傳感器，必須定期對其各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)進(jìn)行校準(zhǔn)，以此來確定其靈敏度和誤差范圍，最終達(dá)到整個(gè)測試系統(tǒng)的可靠精度，如何保證飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，可靠的校準(zhǔn)方法和數(shù)據(jù)處理至關(guān)重要。

誤差原因分析

通常飛行試驗(yàn)中穩(wěn)態(tài)壓力傳感器測試用標(biāo)準(zhǔn)壓力源進(jìn)行內(nèi)場校準(zhǔn)，由于脈動(dòng)壓力傳感器安裝在垂尾壁面無法進(jìn)行內(nèi)場校準(zhǔn)，傳感器未裝機(jī)前由于傳感器結(jié)構(gòu)限制也不能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室內(nèi)場校準(zhǔn)。測試精度的主要部分是壓力傳感器校準(zhǔn)，傳統(tǒng)方法是沿用廠家出廠時(shí)標(biāo)定的傳感器靈敏度進(jìn)行計(jì)算給出校線， 這種方法在試飛試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)誤差較大，其誤差原因是：

（1）傳感器本身漂移使出廠后傳感器靈敏度有變化，使用出廠時(shí)的靈敏度已不可行。脈動(dòng)壓力傳感器測試中，橋壓的精確度直接決定了動(dòng)態(tài)壓力傳感器的信號(hào)輸出精度，由于動(dòng)態(tài)壓力傳感器的輸出信號(hào)較小，靈敏度大致為4 mv/psi，信號(hào)滿量程輸出也僅為100mV左右，橋壓的微小波動(dòng)，也會(huì)引起靈敏度的改變。

（2）傳感器制造中自身零位存在，傳感器的零位一致性差，變化范圍可達(dá)-12mv/psi ——12mv/psi，造成了誤差的存在。一直以來未能對壓力傳感器誤差提出相應(yīng)的改進(jìn)方法，測試精度就無法保證。不解決誤差的存在將導(dǎo)致測試系統(tǒng)測量不準(zhǔn)確，無法獲取可靠的飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

根據(jù)以上兩點(diǎn)導(dǎo)致的誤差原因分析，在無標(biāo)定方法借鑒的情況下，針對誤差的存在，在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，依據(jù)行業(yè)規(guī)范，提出了比對校準(zhǔn)誤差修正數(shù)據(jù)處理方法的研究，首次用于飛行試驗(yàn)中。

一般常用標(biāo)校方法

靜態(tài)校準(zhǔn)

依據(jù)測量和監(jiān)控裝置對比校準(zhǔn)規(guī)程（BMI.QEMS）

比對：是在規(guī)定條件下，對相同準(zhǔn)確度等級(jí)的同類基準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)或工作計(jì)量器具之間的量值進(jìn)行比較。

校準(zhǔn)：是指被校的計(jì)量器具與高一等級(jí)的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)相比較，以確定被校計(jì)量的示值誤差。

靜態(tài)校準(zhǔn)主要是利用壓力標(biāo)準(zhǔn)器按照傳感器的測量范圍，均勻地施加標(biāo)準(zhǔn)壓力來測量傳感器靈敏度，非線性以及重復(fù)性，遲滯等靜態(tài)誤差指標(biāo)。

動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)

動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)是建立在靜態(tài)校準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)主要是測出傳感器的上升時(shí)間，固有頻率等動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。在實(shí)際測試過程中，傳感器的上升時(shí)間是指其輸出從穩(wěn)態(tài)值的10％上升到所需的時(shí)間，傳感器動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)是在校準(zhǔn)激波管上進(jìn)行的。

圖1　比對校準(zhǔn)框圖

比對校準(zhǔn)誤差修正方法

測量和監(jiān)控裝置對比校準(zhǔn)規(guī)程（BMI.QEMS），是實(shí)驗(yàn)方法依據(jù)。實(shí)驗(yàn)中具體做法：

比對校準(zhǔn)框圖如下圖1。

標(biāo)定傳感器做標(biāo)準(zhǔn)：

在實(shí)驗(yàn)室選一個(gè)同量程范圍的傳感器對其進(jìn)行標(biāo)定，給出輸入--輸出關(guān)系。（Y：物理量--- X： 碼值），由于最小二乘法是數(shù)學(xué)優(yōu)化技術(shù)，它通過最小化誤差的平方和尋找數(shù)據(jù)的最佳函數(shù)匹配，所以選用最小二乘方法做數(shù)據(jù)量值傳遞。最小二乘法可以簡便地求得未知的數(shù)據(jù)，并使得這些求得的數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)之間誤差的平方和為最小。通過給出標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定傳感器標(biāo)準(zhǔn)公式（1）由實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定數(shù)據(jù)得出：y = 0.00795715 x -10.50409437 ---- （1） 可已知輸入與輸出關(guān)系。

標(biāo)準(zhǔn)傳感器與實(shí)測傳感器進(jìn)行比對

1）用在實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)傳感器給出的輸入輸出關(guān)系式（1），將綜合采集測試系統(tǒng)實(shí)際測出參數(shù)碼值帶入公式（1）中計(jì)算出物理量。

2）用在實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定的原始傳感器給出的輸入輸出關(guān)系式（2），將綜合采集測試系統(tǒng)實(shí)際測出參數(shù)碼值帶入公式（2）中計(jì)算出物理量。

進(jìn)行實(shí)測系統(tǒng)測試參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)傳感器物理量比對。通過比對計(jì)算出物理量

偏差值。

其應(yīng)用方法如下：

原始數(shù)據(jù)輸入（X）---輸出（Y）

Y： kPa X： 碼 值6.895 1050 68.950 12435 137.900 25091 206.850 37728 275.800 50381 344.750 63013

由數(shù)據(jù)得出：y = 0.00545229 x + 1.14269762 -----（2）

綜合采集測試系統(tǒng)實(shí)際測出參數(shù)碼值為：13450，將碼值分別帶入式（1）（2）中，經(jīng)計(jì)算得到96.519 kPa和74.48kPa。

通過公式（1）與公式（2）實(shí)際測量數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，找出標(biāo)準(zhǔn)傳感器與實(shí)際測試參數(shù)傳感器偏差值，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

數(shù)據(jù)處理

由于傳感器自身零位存在，在數(shù)據(jù)處理時(shí)必須根據(jù)各個(gè)不同的傳感器特性，通過比對方法分別計(jì)算出每個(gè)測量點(diǎn)修正量后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并對零位逐一進(jìn)行數(shù)據(jù)修正，最終給出校準(zhǔn)數(shù)據(jù)校線。

修正后的數(shù)據(jù)輸入（X）---輸出（Y）

Y： kPa X： 碼 值28.954 1050 91.009 12435 159.959 25091 228.909 37728 297.859 50381 366.809 63013

由數(shù)據(jù)得出：y = 0.00545229 x + 23.20169762 -----（3）

用標(biāo)準(zhǔn)壓力儀器驗(yàn)證：

用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)壓力儀器，精度（0.02％）進(jìn)行現(xiàn)場測試場壓96.15kPa，對所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證分析如下。

公式（Y：kPaX：碼值）計(jì)算物理量誤差（％）標(biāo)準(zhǔn)傳感器y=0.00795715x-10.50409437 96.519kPa 0.109原始數(shù)據(jù)y=0.00545229x+1.14269762 74.48kPa 6.37修正后y=0.00545229x+23.20169762 96.535kPa 0.113

通過以上測試結(jié)果分析得出：如果按傳統(tǒng)方法校準(zhǔn)將帶來6.37％的相對誤差，通過比對和數(shù)據(jù)處理修正方法后相對誤差為0.113％，滿足測試的要求。經(jīng)過最小二乘法數(shù)據(jù)計(jì)算后，斜率并未改變，只是常數(shù)改變了，通過標(biāo)準(zhǔn)壓力儀器驗(yàn)證，進(jìn)行脈動(dòng)壓力校準(zhǔn)時(shí)采用比對校準(zhǔn)誤差修正數(shù)據(jù)處理方法可行。

結(jié)束語

實(shí)踐證明，比對校準(zhǔn)方法解決了脈動(dòng)壓力傳感器校準(zhǔn)精度誤差的問題。比對校準(zhǔn)方法誤差小 精度高，是行之有效的一種方法，目前此方法已在科研試飛中得到應(yīng)用，在飛行測試數(shù)據(jù)中得到了滿意的結(jié)果，滿足了測試的要求，此方法可以為后續(xù)制定脈動(dòng)壓力傳感器校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)提供借鑒。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.15.038