結(jié)構(gòu)水平?jīng)_擊試驗系統(tǒng)校準(zhǔn)技術(shù)研究

鄧江流

摘要：本文立足于民機專向科研課題，以大型試驗系統(tǒng)計量測試技術(shù)的研究制定為指南，研制了一套針對結(jié)構(gòu)水平?jīng)_擊試驗系統(tǒng)的校準(zhǔn)技術(shù)，為該水平?jīng)_擊試驗系統(tǒng)試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠、試驗結(jié)論的正確性提供了量值溯源依據(jù)。本文首先根據(jù)該試驗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和工作原理設(shè)計了一種基于虛擬儀器的測試數(shù)據(jù)采集方案，并以最優(yōu)化的方案搭建了該水平?jīng)_擊臺校準(zhǔn)試驗系統(tǒng)的硬件。另外，為了在功能上滿足了整個水平?jīng)_擊試驗臺的測試要求，軟件部分我們利用LABVIEW設(shè)計了一種包含數(shù)據(jù)采集、存儲、時域分析處理、數(shù)值積分和數(shù)值微分為一體的程序。最后，對試驗臺的急推率指標(biāo)進行了量值校準(zhǔn)和不確定度評估。

關(guān)鍵詞：水平?jīng)_擊臺；校準(zhǔn)試驗系統(tǒng)；數(shù)據(jù)處理；不確定度評估

中圖分類號：TP393 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）03-0244-04

結(jié)構(gòu)水平?jīng)_擊試驗系統(tǒng)主要用于中國民用航空規(guī)章第25部運輸類飛機適航標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的應(yīng)急著陸情況下的結(jié)構(gòu)試驗，此類試驗通過檢驗飛機結(jié)構(gòu)和座椅及相關(guān)安全設(shè)備在飛機應(yīng)急著陸時對乘員的保護能力，驗證飛機的結(jié)構(gòu)設(shè)計是否能夠在輕度撞損著陸過程中給每一乘員提供以避免嚴(yán)重受傷的一切合理機會[1]。

目前，隨著國外模擬碰撞技術(shù)的發(fā)展，結(jié)構(gòu)沖擊試驗系統(tǒng)也越來越多地被各個實驗室用于仿真汽車、飛機和其他運輸形式所經(jīng)歷的撞擊試驗中，用于確定其結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能及其抗沖擊設(shè)計和分析計算，國外發(fā)達國家為了保證飛機撞擊試驗量值的準(zhǔn)確可靠及統(tǒng)一，對試驗設(shè)備的校準(zhǔn)結(jié)果及影響的各項因素進行考核，以獲得可靠的溯源性。但目前國內(nèi)飛機撞擊試驗采用這種模擬碰撞技術(shù)還較少，沒有公認(rèn)的校準(zhǔn)方法和專門的校準(zhǔn)規(guī)范技術(shù)，無法保證測量結(jié)果和試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠，因此需要對該試驗臺的校準(zhǔn)技術(shù)進行研究，以滿足試驗系統(tǒng)校準(zhǔn)要求，并為試驗驗證結(jié)論的正確性提供量值溯源依據(jù)。

1 結(jié)構(gòu)水平?jīng)_擊試驗系統(tǒng)

1.1結(jié)構(gòu)水平?jīng)_擊試驗系統(tǒng)的研究技術(shù)指標(biāo)

該試驗系統(tǒng)被設(shè)計用于模擬汽車、飛機、機載設(shè)備、艦載設(shè)備和車載設(shè)備等運輸形式所經(jīng)歷的沖擊試驗。本文主要是通過對試驗系統(tǒng)的急推率、人體頭部傷害指標(biāo)HIC等指標(biāo)進行校準(zhǔn)研究，根據(jù)美國Seattle Safety （SESA）公司對水平?jīng)_擊試驗臺制作材料的技術(shù)規(guī)定各個相應(yīng)量值指標(biāo)及其校準(zhǔn)范圍的具體要求如下：

1）沖擊試驗臺的加速度峰值：≤100g

2）沖擊試驗臺的急推率

①≤20000g/s，有效負(fù)載：250kg

②≤8000g/s，有效負(fù)載：3000kg

校準(zhǔn)裝置的主要測量參數(shù)為急推率，校準(zhǔn)結(jié)果應(yīng)滿足研究技術(shù)指標(biāo)的要求。

1.2結(jié)構(gòu)水平?jīng)_擊試驗系統(tǒng)的工作原理和結(jié)構(gòu)組成

該水平?jīng)_擊試驗系統(tǒng)的設(shè)計基于美國Seattle Safety Servolsed原理，采用了計算機控制的氣動—液壓伺服系統(tǒng)，氣動部分通過高壓氣室和低壓氣室的壓差推動活塞桿，為試車臺提供驅(qū)動力，伺服剎車系統(tǒng)則通過液壓裝置驅(qū)動剎車片在試車臺上施加反向的剎車力，試車臺在這兩個力的合力作用下完成了水平方向的沖擊試驗，其組成框圖如下：

實驗過程中，若安裝在試車臺面上的負(fù)載較大，將會給沖擊波形帶來嚴(yán)重的影響，因為該水平?jīng)_擊試驗系統(tǒng)的設(shè)計和相關(guān)物理量計算均是基于單自由度機械系統(tǒng)進行的，產(chǎn)生波形的脈寬、加速度幅值等參數(shù)均與氣缸驅(qū)動腔中氣體的壓力、氣缸背壓腔中氣體的壓力和伺服剎車系統(tǒng)特性等因素均有關(guān)系。因此，為了消除對整個試驗的模擬性、再現(xiàn)性帶來不良后果，正式試驗前必須用試驗樣品或模擬試件對系統(tǒng)進行預(yù)調(diào)整。

1.3結(jié)構(gòu)水平?jīng)_擊試驗系統(tǒng)的校準(zhǔn)原理

結(jié)構(gòu)水平?jīng)_擊試驗系統(tǒng)校準(zhǔn)原理框圖[2]如下：

結(jié)構(gòu)水平?jīng)_擊試驗臺的校準(zhǔn)采用沖擊測試臺校準(zhǔn)裝置直接對測試臺進行測量。沖擊測試臺校準(zhǔn)裝置一般是由加速度計（含三軸向加速度計）、橋路應(yīng)變放大器、同步數(shù)據(jù)采集卡和計算機等輔助設(shè)備組成。

2 結(jié)構(gòu)水平?jīng)_擊試驗系統(tǒng)的硬件搭建

結(jié)構(gòu)水平?jīng)_擊試驗臺校準(zhǔn)技術(shù)總體方案框架如下：

本課題采用沖擊加度測量系統(tǒng)實時采集沖擊加速度-時間信號，得到與加速度相關(guān)的峰值、脈寬、上升時間等技術(shù)參數(shù)，本文的校準(zhǔn)技術(shù)總體方案采用了虛擬儀器技術(shù)研制的便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)顯示，通過數(shù)據(jù)處理后得到相應(yīng)的校準(zhǔn)結(jié)果。試驗臺測量系統(tǒng)包含了加速度等多項參數(shù)，并分別對試驗系統(tǒng)的整體性能指標(biāo)進行檢驗，完成對數(shù)據(jù)的采集、分析、判斷、顯示、存儲及生成。

在水平?jīng)_擊試驗系統(tǒng)的工作原理和實驗要求基礎(chǔ)之上，本文結(jié)合信號及數(shù)據(jù)采集方面的原理，給出了一種基于虛擬儀器的測試數(shù)據(jù)采集方案，并且對實現(xiàn)這一方案的硬件進行了最優(yōu)化的選擇，配以ENDEVCO-2262型壓阻式加速度傳感器、ENDEVCO—136型橋路應(yīng)變放大器、PCI-6251數(shù)據(jù)采集卡等搭建了該水平?jīng)_擊臺校準(zhǔn)試驗系統(tǒng)的硬件，結(jié)構(gòu)框圖如下：

3 結(jié)構(gòu)水平?jīng)_擊試驗系統(tǒng)的算法研究和軟件設(shè)計

校準(zhǔn)系統(tǒng)的軟件設(shè)計是整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心，也是整個校準(zhǔn)系統(tǒng)重要組成部分[3]。系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用模塊化和層次化的思想，由上至下設(shè)計，根據(jù)系統(tǒng)的總體要求和性能參數(shù)，將系統(tǒng)劃分為各個功能模塊，如：采集、數(shù)據(jù)分析、儲存和顯示等，再將各個模塊逐步劃分為更小的子模塊。系統(tǒng)可以實現(xiàn)對輸入數(shù)據(jù)進行采集、分析、顯示、儲存、打印和歷史數(shù)據(jù)回放等功能，并且具有良好的人機交互界面，易于維護和系統(tǒng)擴展。

信號顯示與控制部分通過截斷觸發(fā)點所對應(yīng)序號（在采集模式下，序號為0）以前數(shù)據(jù)的方法，將觸發(fā)點以后的信號數(shù)據(jù)顯示在顯示屏上，從而實現(xiàn)了單點觸發(fā)功能。并可以通過修改顯示組件（Waveform Graph）的屬性節(jié)點，實時調(diào)整顯示時基。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主界面設(shè)計如下：

這是多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的界面，實驗時可以對輸入終端、采集通道、數(shù)據(jù)采集卡的量程范圍、傳感器的極性、容差標(biāo)準(zhǔn)、觸發(fā)沿和采集參數(shù)等等進行設(shè)置，還可以自由選擇采集通道，點擊前面板上運行按鈕便可開始采集PCI-6251采集卡的九個通道的采集信號，若點擊停止采集，那么從開始到停止這段時間內(nèi)的數(shù)據(jù)將會自動保存[4]。

3.1原始信號的頻譜分析和濾波處理

利用上述搭建的校準(zhǔn)試驗平臺和DAQ數(shù)據(jù)采集程序從水平?jīng)_擊實驗中采集到峰值為100g，脈寬6ms的半正弦波如下，為了對信號進行準(zhǔn)確測量和控制，我們將時域信號轉(zhuǎn)換到頻率域，對信號進行頻譜分析以了解信號的頻譜組成，進而對信號進行識別。從放大對比后可以看到，原始信號的頻譜主要集中在200Hz附近，在1300Hz、2000Hz等幾處有雜波分布。其中大約1500Hz以下、1Hz以上信號是我們所要保留的信號。

根據(jù)上述對原始信號的頻譜分析可知，我們需要的實際信號處于某一個通頻帶內(nèi)，為了能夠得到相對平滑的波形曲線，將采集得到的數(shù)字信號應(yīng)用于工程實際，我們采用巴特沃斯帶通濾波器對采集到的數(shù)據(jù)進行濾波，巴特沃斯濾波器擁有最平坦的頻率響應(yīng)，在截止頻率以外，頻率響應(yīng)單調(diào)下降，在通帶中是理想的單位響應(yīng)，在阻帶中響應(yīng)為零。對于半正弦脈沖，我們將巴特沃斯帶通濾波器的截至頻率上、下限分別設(shè)置為0.008/T、10/T，其中T表示半正弦脈脈沖在高于10%AP（AP加速度脈沖的峰值）之間的持續(xù)時間，即波形的脈寬，從圖中可以計算出在高于10%AP之間，半正弦脈沖的持續(xù)時間為0.006781s，故截至頻率的上、下限分別為1.1799Hz、1474.9Hz，于是，我們重新調(diào)用以上程序?qū)Σ蓸有蛄羞M行帶通濾波，并根據(jù)濾波前后的散點數(shù)據(jù)，將其繪制于同一坐標(biāo)系中，并通過局部放大進行對比，從對比圖不難看出，濾波后的沖擊波形圖比濾波前平滑很多，這樣不僅讓采集到的加速度幅值信號經(jīng)過數(shù)字化處理后去掉其他高頻和低頻信號的干擾，而且通頻帶內(nèi)的頻率響應(yīng)曲線能最大限度平坦，對于后面指標(biāo)的校準(zhǔn)實施提供了極大的方便。

3.2急推率的算法研究和校準(zhǔn)

該試驗系統(tǒng)校準(zhǔn)技術(shù)指標(biāo)中的急推率是指試驗臺輸出的加速度的時間變化率，急推率反映了試驗臺輸出的加速度對時間的變化快慢，實際就是對加速度時域信號的再次微分，可通過軟件設(shè)計來實現(xiàn)，即對實時測量的加速度-時間歷程進行微分，其微分方程：

急推率曲線圖9所示：

上述數(shù)值算法實驗表明：本文運用的中心差分算法在處理光滑數(shù)據(jù)的能力很強，但由于局部導(dǎo)數(shù)有間斷點，導(dǎo)致急推率曲線是凹凸不平滑的，不能滿足實際工程的要求，因此必須利用數(shù)字濾波器濾波后才能使原來的微分信號的發(fā)散狀態(tài)有較大改善、信號品質(zhì)得到進一步提高，將一個純凈的微分信號從很強的噪聲背景中提取出來，從圖10可看出濾波后得到的急推率曲線相對平滑。通過以上實驗分析，可以得到以下幾點結(jié)論：

1）急推率反映了在沖擊過程中試車臺加速度對時間變化的快慢，對于水平?jīng)_擊臺而言，由于臺面較大，會使各處受力不均勻，從而九個通道的急推率波形有所不同，另外，試驗臺的厚度、材料、諧振頻率等因素也會影響急推率曲線的峰值和平滑程度；

2）由于存在各種干擾，致使采用數(shù)值微分得到的信號一般不能直接使用，需要采取各種可行方法進行數(shù)字微分信號的提取和降躁處理，選取一定形式和階次的數(shù)字濾波器對數(shù)字微分信號進行濾波，可以較好的改善數(shù)字微分信號的品質(zhì)。

3）若數(shù)字微分信號在經(jīng)過數(shù)字濾波器濾波后，如果還不能達到工程要求，可以在此基礎(chǔ)上施加死區(qū)、慣性等非線性環(huán)節(jié)，可進一步改善信號品質(zhì)。

以上我們利用水平?jīng)_擊模擬試驗中采集到的波形，編寫微分算法求解了急推率，并對其進行校準(zhǔn)，但在實際試驗中，由于受到試車臺面上負(fù)載大小的影響，會導(dǎo)致急推率曲線的峰值有所不同，簡單來說，負(fù)載小的話，加速度峰值會較大，急推率峰值較小，反之，若負(fù)載較大，加速度峰值較小，急推率峰值會偏大；另外，臺面上負(fù)載分布的方式也會導(dǎo)致九個通道的急推率的不同，從動力學(xué)的角度來分析，臺面上負(fù)載分布相對集中的位置加速度峰值較小，但急推率峰值較大，而負(fù)載分布相對稀疏的位置加速度峰值較小，急推率較小。

綜上所述，為了能過綜合評定和反映整個試車臺的急推率，實際試驗時我們需對九個通道的急推率的峰值數(shù)據(jù)按照如下方法來處理：即

1）當(dāng)試車臺面負(fù)載分布均勻的情況下，我們可以對九個通道波形的急推率峰值取平均值來當(dāng)作整個臺面的急推率；

2）當(dāng)試車臺面負(fù)載分布不均勻的情況下，我們可以對各種波形的急推率峰值取加權(quán)平均值來當(dāng)作整個臺面的急推率，其中權(quán)重因子按如下方法設(shè)定，[λi=wiW]，[i]可以取一至九，wi表示每個區(qū)域內(nèi)負(fù)載的質(zhì)量，W表示臺面上總的負(fù)載質(zhì)量，且[i=19λi=1]；

3）當(dāng)試車臺面的負(fù)載為零時，我們可對取九個通道波形中最大的急推率峰值來做為整個臺面的急推率。

4 不確定度的評估

試車臺的急推率是通過對加速度時域信號的再次微分而求得，上一節(jié)運用中心差分算法做了詳細(xì)的推導(dǎo)，即

[H=-ai+8ai+1-8ai-1+ai-212Δt] （7）

由上述公式易知，在進行數(shù)值微分求解計算的過程中，引入了微分算法的不確定度，所以急推率的不確定度來源主要包括以下幾項：加速度a引起的不確定度分量uc（a）、微分算法引入的不確定度分量u1和時間t引起的不確定度分量，但由于時間的測量不確定度很小，因此急推率的不確定度主要是由加速度和算法的不確定度分量引起的，為了簡化描述，這里我們忽略時間的影響分量[6]。

在加速度為38g的校準(zhǔn)點，急推率峰值參量的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度如下表所示：

參考文獻：

[1]. 吳溪浚，孟建軍，祁文哲.中國民用航空法律法規(guī)匯總.中國民航總局，1992.

[2].杜小軍.連續(xù)沖擊實驗控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究[D].西北工業(yè)大學(xué)，2007.

[3].孫春龍.基于LABVIEW多通道數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)開發(fā)[D].武漢大學(xué)，2004.

[4]. 高品賢.測試信號分析處理方法與程序[J]..成都：西南交通大學(xué)出版社， 1999，54-60.

[5]. 曲東才.MATLAB平臺下數(shù)字微分信號提取研究[J].控制系統(tǒng)仿真學(xué)報，14 （8）.

[6]. 李榮鋒，譚伯聰.沖擊試驗測量不確定度實例分析[J].武鋼技術(shù)學(xué)報，2004，42（2）.