FDS測壓系統(tǒng)校準及不確定度評定

白 雪 孫娟萍

FDS測壓系統(tǒng)校準及不確定度評定

白 雪 孫娟萍

針對飛行試驗壓力測試設(shè)備安裝空間有限，待測壓力點多，精度要求高的問題，機載測試首次引入以壓力掃描閥為核心的FDS（Flight Data System）測壓系統(tǒng)。為了保證FDS系統(tǒng)在飛行試驗中的測試精度，提高校準效率，本文提出一種多通道的系統(tǒng)校準方案，根據(jù)方案進行比對校準試驗，由校準實驗結(jié)果分析FDS系統(tǒng)精度，對實驗數(shù)據(jù)進行不確定度評定。

飛行試驗壓力測試具有待測點多，精度要求高的特點。傳統(tǒng)的壓力傳感器具有一定的局限性。FDS（Flight Data System）飛行測壓系統(tǒng)，是以DTC系列ESP掃描閥為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)在飛行試驗中實時采集飛機管路氣體壓力，并將測試數(shù)據(jù)傳輸?shù)接涗浧鞔鎯ΑＥc同類型產(chǎn)品相比，本系統(tǒng)具有測試通道多、體積小、精度高、可靠性高、使用方便等優(yōu)點，可以滿足飛行試驗中日益增長的壓力測試需求。FDS測壓系統(tǒng)的校準精度直接影響飛行試驗壓力測試的精度，由于FDS測壓系統(tǒng)在飛行試驗研究中尚沒有使用的先例，本文介紹FDS系統(tǒng)的基本組成和工作原理，在熟悉了系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)后，提出一種多通道的FDS系統(tǒng)校準方法，提高了系統(tǒng)校準效率，縮短了飛行試驗的校準周期。

FDS飛行測壓系統(tǒng)介紹

FDS是功能強大的雙處理器試飛數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。如圖1所示，F(xiàn)DS主機與DTC（Digital Temperature compensation）ESP（Electronic Pressure Scanners）電子壓力掃描閥是構(gòu)成飛行測壓系統(tǒng)的主要部件，它們配套使用，在飛行試驗研究中提供精度優(yōu)于±0.05%的多通道高速高精度機載壓力測試。

FDS主機

FDS主機是全集成式堅固設(shè)計的儀器，由基于雙處理器板的數(shù)據(jù)采集單元和系統(tǒng)控制單元組成。FDS主機結(jié)構(gòu)如圖2所示，它可兼容8個32通道或者64通道的DTC ESP掃描閥，提供多達512通道的壓力測試。多個FDS主機可以通過通用的以太網(wǎng)連接在一起，構(gòu)成規(guī)模更大的壓力測試系統(tǒng)。

在機載測試過程中，F(xiàn)DS主機采用單一非穩(wěn)壓18～36VDC直流供電，F(xiàn)DS主機提供最大速率為650 次/s/通道的掃描速度完成全部測試通道的壓力數(shù)據(jù)采集工作，包括實時非線性補償、實時數(shù)字溫度補償計算、實時工程單位轉(zhuǎn)換輸出。FDS主機支持軟件觸發(fā)和硬件觸發(fā)采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包帶ID戳來表示相對時間，傳輸?shù)街鳈C的工程單位數(shù)據(jù)吞吐率最高可達1200Hz/每通道。FDS主機將校準系數(shù)保存在DTC ESP掃描閥內(nèi)部的存儲器中，用于自動修正非線性、溫度漂移和靈敏度漂移（斜率），可以在線調(diào)零校準。FDS主機支持DTC ESP掃描閥的所有功能特性，包括壓力傳感器溫度讀出、內(nèi)部推閥控制、可編程降量程功能和內(nèi)部閥位檢測。

在Windows?系統(tǒng)下采用VB語言為FDS主機編寫控制軟件，該軟件可以采集與FDS主機連接的掃描閥的所有通道測試壓力數(shù)據(jù)，并且允許用戶配置系統(tǒng)采集參數(shù)，如采樣率、AD平均次數(shù)、溫度補償刷新速率等，還提供診斷工具如精度檢查，通道串擾檢查、泄漏檢查等。

圖1　FDS飛行測壓系統(tǒng)示意圖

圖2　FDS主機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

DTC系列ESP壓力掃描閥

DTC ESP掃描閥是多通道高精度微型電子掃描器，其內(nèi)部原理如圖3所示，它是由64或32個硅壓阻式壓力傳感器陣列和一個溫度傳感器組成的微型差壓測量模塊。所有的傳感器安裝在公用混合玻璃基板上，因而提供了最佳的長期穩(wěn)定性。傳感器的輸出信號通過多路復(fù)用電路和板載放大器放大后輸出給主機進行AD轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)采集，最大尋址速率70kHz。

DTC ESP掃描閥可在-25～80℃（加保溫套 -55～ +80℃）的環(huán)境溫度范圍內(nèi)正常工作。掃描閥將先進的模擬電路設(shè)計與數(shù)字溫度補償（DTC）技術(shù)集成起來，使得不需要在線校準壓力傳感器就可以保持最佳精度。將硅壓阻壓力傳感器安裝在DTC掃描閥內(nèi)，通過精確的測量橋路電阻，采用存儲在內(nèi)部的EEPROM中的特殊補償算法實時消除熱誤差。這樣，只需對電子壓力掃描閥進行簡單的初始化調(diào)零，就可以使傳感器在整個工作溫度范圍內(nèi)獲得最高的精度。其內(nèi)置鎳箔RTD溫度傳感器輸出，用來監(jiān)視傳感器內(nèi)部溫度，實現(xiàn)數(shù)字溫度補償功能。

圖3　ESP掃描閥原理框圖

FDS系統(tǒng)地面比對校準實驗

壓力掃描閥集成了32路甚至多達64路的硅壓阻式壓力傳感器。在測試狀態(tài)下，內(nèi)部集成的多路傳感器分別連接對應(yīng)的測量壓力輸入端，可按照普通壓力傳感器的校準方法，對32路或者64路的測量壓力輸入端分別加壓，進行單通道校準。

在飛行試驗型號任務(wù)繁多，時間緊迫的形勢下，單通道校準的低效率不能滿足飛行試驗的要求，基于對掃描閥內(nèi)部閥位的深入研究，探索出了一種多通道的校準方法。

ESP系列壓力掃描閥的氣路輸入端包含推閥控制輸入端C1，C2，校準輸入端CAL，校準參考輸入端C/ REF，測量參考輸入端R/REF以及32或者64個測試壓力輸入端。ESP壓力掃描閥內(nèi)部包含了一個氣動校準閥。如圖4所示，C1和C2端是掃描閥內(nèi)部閥門的推閥控制端，當C1端輸入80～125Psi的壓力時，將內(nèi)部閥推到CAL校準位置，此時掃描閥所有壓力傳感器均連接到公用的校準壓力輸入端口CAL上，；當C2端輸入80～125Psi的壓力時，將內(nèi)部閥推到RUN位置，此時掃描閥內(nèi)各路壓力傳感器通過細尼龍管連接到各個測量點上。C/REF校準參考輸入端和R/REF測量參考輸入端分別在校準和測量時接壓力參考點，如外部大氣或者標準氣壓源等。

本實驗采用多通道校準的方法實現(xiàn)壓力掃描閥的校準工作，其校準配置圖如圖5所示，在實驗室規(guī)定的傳感器檢定溫度，濕度以及大氣環(huán)境下，配置性能優(yōu)秀的壓力控制器APC600， 用外部氣壓源對掃描閥C1端加氣推閥，將其內(nèi)部閥門推至校準位置，此時掃描閥內(nèi)部集成的所有傳感器均通過閥體連接到一個共同的CAL端口，所有傳感器的參考輸入端連接到CAL REF端口，我們以測量范圍為30PSi的32通道壓力掃描閥為例，在測量范圍內(nèi)等間距的選取7個壓力點，通過壓力控制器對掃描閥CAL端施加壓力，待校準點壓力穩(wěn)定后，通過數(shù)據(jù)采集軟件采集壓力掃描閥的輸出并記錄。

圖4　掃描閥內(nèi)部推閥控制原理圖

圖5　FDS地面校準配置圖

不確定度分析

概述

a）校準依據(jù)：JJG860-2015《壓力傳感器靜態(tài)檢定規(guī)程》以及JJF1059.1-2012《測量不確定度評定與表示》

b）測量環(huán)境條件：室溫20±2℃，濕度＜80%，大氣壓力86kPa～106kPa。

圖6　掃描閥數(shù)據(jù)采集子樣本

c）測量標準器：APC600標準壓力控制器

d）校準方法： 采用直接比對法將壓力掃描閥的輸出與APC600標準壓力源的輸出進行比較，掃描閥的每一個通道在其校準壓力點正反行程各采集500次數(shù)據(jù)，將采集到的1000個數(shù)據(jù)取平均值作為示值輸出，其與標準壓力源輸出值之差即為該通道的示值誤差。

數(shù)學(xué)模型

不確定度來源

（1）被測壓力掃描閥由于測量的重復(fù)性引入的標準不確定度（A類不確定度）

在壓力掃描閥的校準過程中，量程為30Psi的壓力掃描閥被我們選取0psi、5psi、10psi、15psi、20psi、25psi、30psi七個壓力校準點，每個校準點正反行程各校準一次，每個通道每次采集500個數(shù)據(jù)。

在壓力掃描閥的224000個比對校準數(shù)據(jù)中，我們發(fā)現(xiàn)31通道的硅壓阻傳感器在25psi的壓力點處出現(xiàn)了整個壓力掃描閥測試過程中的最大偏差。所以我們抽取31通道的1000個校準數(shù)據(jù)子樣本（如圖6所示）來確定由測量的重復(fù)性引入的不確定度。

先求得該子樣本的平均值：

用貝賽爾公式計算單次測量的不確定度為（n=1000）：

n 次測量取平均值的標準不確定度為：

自由度：v1=1000-1=999

（2）由APC600標準壓力控制器引入的誤差不確定度（B類不確定度）

對掃描閥進行比對校準實驗中使用的APC600標準壓力控制器，其由中航工業(yè)北京長城計量測試技術(shù)研究所給出的校準證書中得出，在0～30psi的范圍內(nèi)，包含因子k=2時的擴展不確定度U=0.0003MPa，則該標準器引入的不確定為：

（3）由FDS主機測量分辨率引入的不確定度（B類不確定度）

FDS主機測量分辨率為0.003%，其引入的不確定度分布視為均勻分布，半寬a=0.0009psi ，包含因子，則由FDS主機測量分辨率引入的不確定度為：

估計該不確定的可靠程度為85%，它的自由度為：

合成不確定度

由于上述不確定度是不相關(guān)的，合成標準不確定度的為：

該合成標準不確定度的自由度為：

擴展不確定

取置信概率p=95%，在服從t分布的條件下，其包含因子為1.96，拓展不確定度為：U=k×u=0.00439 psi

結(jié)語

FDS飛行測壓系統(tǒng)解決了飛行試驗中狹小空間內(nèi)多測試點高精度的測試需求，是飛行試驗壓力測試的一次變革。本文提出C1端加氣推閥，公共端CAL加壓的多通道校準方案解決了單路校準費時費力的難題，大大提高了以DTC ESP系列掃描閥為核心的FDS飛行測壓系統(tǒng)的校準效率。經(jīng)過校準后的FDS測壓系統(tǒng)具有優(yōu)秀的測量準確度與穩(wěn)定度，實現(xiàn)了飛行試驗壓力參數(shù)的高精度實時測量。

白 雪 孫娟萍

中國飛行試驗研究院

白雪，女，2014年3月畢業(yè)于西安電子科技大學(xué)，碩士學(xué)位，2014年4月至今就職于中國飛行試驗研究院測試技術(shù)研究所。

DOI：10.3969/j.issn.1001-8972.2016.08.008