鐵鳥測試系統(tǒng)在線校準技術(shù)研究與應(yīng)用

宋葵陽

【摘 要】鐵鳥試驗中大型的測試系統(tǒng)眾多，當前采用的校準方法存在較多缺陷，不能完全滿足鐵鳥試驗對測試系統(tǒng)校準的要求。本文主要介紹了在線校準技術(shù)的特點，并分析了在鐵鳥測試系統(tǒng)中進行在線校準的可行性以及應(yīng)用情況。

【關(guān)鍵詞】在線校準；鐵鳥；測試系統(tǒng)

Research and Application of Online Calibration Method For Iron Birds Test Systems

SONG Kui-yang

（COMAC Shanghai Aircraft Design and Reseach Institute）

【Abstract】Many large test systems are used for iron bird test. The current calibration methods of these systems have some defects， which can not meet the requirements of the iron bird test. This paper mainly introduces the characteristics of online calibration technology， and analyzes the feasibility and application of on-line calibration in iron bird test system.

【Key words】Online calibration； Iron bird； Test system

0 引言

鐵鳥試驗臺是飛機系統(tǒng)綜合、優(yōu)化設(shè)計、適航取證和交付運營、持續(xù)適航必不可少的關(guān)鍵試驗設(shè)施。鐵鳥試驗臺是按照真實飛機的狀態(tài)構(gòu)建各種試驗組件/系統(tǒng)，以求試驗狀態(tài)與真實的飛行狀態(tài)保持一致。當前的鐵鳥試驗臺綜合了飛機的飛控系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等，是一個復(fù)雜的試驗綜合平臺，能完成飛機系統(tǒng)級的大量試驗。鐵鳥試驗?zāi)軌驑O大程度上驗證飛機多個系統(tǒng)性能是否滿足要求和安全性是否滿足要求。每種型號的飛機只有通過了鐵鳥試驗才能進一步開展飛行試驗。[1]

鐵鳥試驗是飛機研制過程的重要環(huán)節(jié)，是提供設(shè)計依據(jù)，驗證設(shè)計效果的數(shù)據(jù)來源。鐵鳥試驗獲取的試驗數(shù)據(jù)，是開展飛行試驗的重要依據(jù)。對試驗效果的評價離不開對試驗數(shù)據(jù)的分析處理。對試驗數(shù)據(jù)來說，其是否有效不僅與試驗的技術(shù)方法有關(guān)，也涉及到測試設(shè)備所測參數(shù)的準確性、可靠性和溯源性。試驗數(shù)據(jù)的準確、可靠必須靠計量技術(shù)來保障。[2]

本文將從目前某型號飛機鐵鳥試驗中測試設(shè)備的校準情況著手分析，分析當前主要的校準手段及其存在的問題，對在線校準技術(shù)在鐵鳥試驗中的應(yīng)用進行探討。

1 鐵鳥測試設(shè)備校準現(xiàn)狀分析

鐵鳥試驗臺的測試設(shè)備主要測試對象為飛控、液壓、起落架等系統(tǒng)，其中飛控系統(tǒng)所需要測試的系統(tǒng)有副翼、升降舵、方向舵、擾流板、水平安定面、駕駛艙控制系統(tǒng)等，系統(tǒng)的組件分布于飛機各處，測試系統(tǒng)都是采用多類型的傳感器加多通道的數(shù)采分析系統(tǒng)組成。這種形式的測試系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于鐵鳥試驗臺各個系統(tǒng)的試驗中，是當前進行試驗測試的主流形式，提高此類測試系統(tǒng)的校準精度，確保測試系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)準確可靠是鐵鳥試驗計量保障工作一項重點，也是本文研究的出發(fā)點。

圖1 測量過程示意圖

通過對于當前鐵鳥上測試設(shè)備的統(tǒng)計分析，測試系統(tǒng)前端的測試傳感器和部分便攜的通用儀器儀表都屬于通用測試設(shè)備，幾乎都是從鐵鳥試驗臺架上拆取下送至對應(yīng)的校準實驗室，按照對應(yīng)的規(guī)范進行計量校準。而數(shù)采分析系統(tǒng)這類的設(shè)備一般都體積大、重量重、不便于搬遷，大多采用請計量校準人員攜帶校準設(shè)備到試驗現(xiàn)場進行計量校準的方法。

以上的方式大量地運用在鐵鳥試驗測試設(shè)備的計量校準中，保證了參與鐵鳥試驗的測試設(shè)備完全計量受控，但是現(xiàn)有的計量方式還存在著如下問題[3]：

其一，測試設(shè)備拆裝送檢效率低，經(jīng)濟時間成本高，存在一定風險。鐵鳥試驗臺包含了大量的傳感器和儀器儀表，拆卸送檢計量再安裝需要投入一定規(guī)模的人力時間成本，期間還可能存在諸如人員傷害和設(shè)備損壞的風險。

其二，校準實驗室對環(huán)境有著嚴格的要求，和試驗現(xiàn)場存在一定差異，測試傳感器在校準實驗室的環(huán)境中進行校準不一定能還原其正常工作狀態(tài)，校準結(jié)果可能無法準確反映設(shè)備使用時的狀態(tài)。

其三，采用分步校準方法校準的設(shè)備只能分別得出前后端測試設(shè)備的校準結(jié)果，對于整個測試系統(tǒng)而言，其整體精度不僅和前后端的測試設(shè)備有關(guān)，其安裝聯(lián)接過程的環(huán)境因素，人為因素都會對其整體精度產(chǎn)生一定影響。

2 鐵鳥在線校準方案分析

相比于上述校準方法，在線校準方案在鐵鳥試驗中具有明顯的優(yōu)勢。

將標準設(shè)備帶至試驗現(xiàn)場，免除了對于測試儀器的拆卸送檢步驟，也保證了測試設(shè)備校準的環(huán)境與實際工作環(huán)境一致，校準結(jié)果更能反映設(shè)備在實際工作情況下的性能。將測試系統(tǒng)以整個測試通道作為一個校準單元，進行校準，其結(jié)果反映了整個測試通道的性能，直接反映了測試系統(tǒng)整體的性能是否滿足要求，減少了環(huán)境和人為因素引入誤差的可能。

測試系統(tǒng)的測量范圍及精度都是根據(jù)對應(yīng)參數(shù)的測量需求確定的，需要實現(xiàn)這些系統(tǒng)的在線整體校準，需滿足如下幾項條件[4]：

（1）標準裝置需滿足測量系統(tǒng)的溯源要求，其范圍覆蓋測試系統(tǒng)的測量范圍，精度須比測試系統(tǒng)高三至五倍以上；

（2）標準設(shè)備需能夠攜帶至試驗現(xiàn)場并且正常工作，方便接入測試系統(tǒng)進行校準，盡量少對測試系統(tǒng)進行改動；

（3）標準設(shè)備在校準過程中不引入干擾，不對現(xiàn)場產(chǎn)生過大影響；

（4）校準需要有參考規(guī)范以指導校準活動，給出合適的校準結(jié)果。

合理的在線校準方案需要從對應(yīng)測試參數(shù)的測量通道校準的需求出發(fā)，考慮以上的條件。鐵鳥試驗臺飛控系統(tǒng)液壓系統(tǒng)都包含了多個測試系統(tǒng)，每個系統(tǒng)都有大量的測試通道對應(yīng)位移、壓力、溫度、電學等參數(shù)的測量需求。根據(jù)鐵鳥試驗的重要程度分類，飛控系統(tǒng)的數(shù)采測試系統(tǒng)、飛控加載系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)的試驗數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)等都是關(guān)鍵測量系統(tǒng)，對在線整體校準需求較為迫切，測量關(guān)鍵參數(shù)歸類有線位移、角位移、壓力、流量等。

對于在線校準可以采取的方式如下圖所示：

圖2 在線校準方案

以上兩張表展示了兩種類型的在線校準方案。第一種方法是采用標準源替換掉原測參數(shù)點，提供一個標準參數(shù)，通過測量系統(tǒng)得出測量結(jié)果與標準源提供的標準參數(shù)對比得出校準結(jié)果。第二種方法主要采用的是將標準的測試系統(tǒng)接入測量通道中，其測量的結(jié)果作為參照標準，原測試系統(tǒng)測量結(jié)果與參照標準對比可獲得校準結(jié)果。這是主要的兩種校準方法，實際校準中構(gòu)建校準系統(tǒng)可能會有所變動，但其基本思路都與以上兩種方法類似。

從圖2中可以看出在線整體校準方案對于測試系統(tǒng)不進行破拆，保證測試系統(tǒng)的完整性，校準結(jié)果能比較好地反映測試系統(tǒng)的性能。但是需要將校準設(shè)備帶至試驗現(xiàn)場，對校準設(shè)備有一定要求。

3 鐵鳥測試設(shè)備在線校準應(yīng)用

鐵鳥試驗的測試設(shè)備開展在線整體校準研究，目前已經(jīng)在幾套測試系統(tǒng)的校準中獲得了應(yīng)用。以下將以一種已經(jīng)開展應(yīng)用的在線校準實例進行分析。

鐵鳥的飛控加載系統(tǒng)是飛機地面模擬試驗的一個重要的試驗系統(tǒng)。它把飛控仿真機或者位移傳感器送來的信號實時解算為相應(yīng)的力載荷譜信號，并實現(xiàn)控制面氣動鉸鏈力矩的模擬，從而對飛控靜、動態(tài)特性進行檢驗。飛控加載系統(tǒng)包含主控制面加載系統(tǒng)與襟縫翼控制面加載系統(tǒng)，兩套系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)類似，都是由加載控制器與液壓執(zhí)行機構(gòu)兩部分組成。加載控制器主要包括主計算機和相關(guān)控制器模板、信號處理器模板、網(wǎng)卡、信號轉(zhuǎn)接卡，其主要作用是監(jiān)控加載系統(tǒng)狀態(tài)、下達控制指令和實現(xiàn)人機交互。液壓執(zhí)行機構(gòu)是實際執(zhí)行控制指令的部件，除了液壓缸、伺服閥、保護閥塊外還有力傳感器和位移傳感器。[5]載荷傳感器和位移傳感器后端接對應(yīng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，接入主計算機。這套測量系統(tǒng)就是加載系統(tǒng)主要的校準對象。

表1 飛控加載系統(tǒng)分步校準情況

表1列舉了加載系統(tǒng)中以各個測量儀器為單位進行校準對應(yīng)的校準設(shè)備，其中傳感器直接從測試點采集參數(shù)信息，輸出一般都是電信號，以往校準都是拆卸之后送至相應(yīng)的校準試驗室進行校準利用標準源提供一個標準信號，被傳感器采集輸出信號與標準電信號比對得出校準結(jié)果。后端數(shù)采分析系統(tǒng)采集傳感器輸出電信號處理計算得出測試結(jié)果，其計量方法是利用校準源提供標準電信號，通過數(shù)采分析系統(tǒng)采集得出測試結(jié)果，與標準源提供信號的理論結(jié)果對比得到校準結(jié)果。

根據(jù)圖2中所提供的方案，在本例中，前端提供標準源主要是標準位移信號和標準力值信號，能夠提供高精度的位移信號標準有很多種，量塊就是最簡單的一種，使用靈活性高。將量塊安置于前端，借助特定加持件，用位移傳感器測量多種量塊的長度，與量塊溯源過的標準長度對比即可獲得校準結(jié)果。標準力信號一般都由力標準機產(chǎn)生，該設(shè)備較大，不便于帶至試驗現(xiàn)場，更難以實現(xiàn)安置于鐵鳥臺架的飛控加載系統(tǒng)上，因此轉(zhuǎn)而采用了標準表法，將一個標準的力傳感器與原力值傳感器連在一起接入測力通道，其系統(tǒng)連接圖如圖3所示。

圖3中力傳感器與標準力傳感器串聯(lián)在測試通道中，相同的力作用下其測得的力大小相同，通過原測試通道反饋的參考力值信號控制加載系統(tǒng)產(chǎn)生該力值的力，標準力傳感器和標準測試儀表測得當前力的實際值，與力傳感器的參考值比較就能得到校準結(jié)果。

鐵鳥加載系統(tǒng)的在線校準應(yīng)用并未完全意義上的在線校準，由于飛控加載系統(tǒng)設(shè)計安裝過程中未考慮在線校準的需求，沒有對應(yīng)的接口。后期進行在線校準難免對系統(tǒng)進行拆解，需要將傳感器前端與待測設(shè)備分開，然后前端接上標準設(shè)備或者將標準傳感器接入系統(tǒng)中。但是測試系統(tǒng)本身測試通道仍然完整，滿足在線的基本要求。

圖3 測力通道校準方式圖

在線校準的最理想狀態(tài)是保持測試通道完整，校準能夠完全體現(xiàn)測試系統(tǒng)工作時的性能。對于需要在線校準的測試系統(tǒng)，最理想的情況是在該測試系統(tǒng)制造或者設(shè)計環(huán)節(jié)就在系統(tǒng)中預(yù)留校準接口，以便與標準設(shè)備連接進行校準。對于鐵鳥中已經(jīng)投入使用但未留有校準接口的測試設(shè)備，通過盡量保持通道完整，對測試系統(tǒng)進行有限更改更具可行性。隨著測試技術(shù)的日益發(fā)展，利用聲光電磁等場信號進行測量的方法也來越多地應(yīng)用到計量校準中，這類非接觸式的測量方法能夠在系統(tǒng)正常工作狀態(tài)下對測量設(shè)備進行校準，對系統(tǒng)要求較小不不會對系統(tǒng)產(chǎn)生實質(zhì)影響。當前激光跟蹤儀作為一種以激光為媒介的非接觸式測量方法，已經(jīng)成為一種較為常用的長度計量工具，對于線位移角位移參數(shù)的校準可以探索采用激光跟蹤儀進行校準。

4 總結(jié)

本文主要介紹了鐵鳥試驗臺測試設(shè)備的校準情況，分析在線校準的特點和在鐵鳥試驗臺測試系統(tǒng)中的采用的可行性，借助當前已經(jīng)應(yīng)用的情況分析了在線校準方法的可行性。鐵鳥測試系統(tǒng)眾多，對在線校準的需求較高，目前在線校準手段并不完善，需要進一步研究鐵鳥測試系統(tǒng)的在線校準方法。

【參考文獻】

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[5]陳建國，司冀，白鈞生，王靖，聶高攀，李鵬剛，郝旭峰，王宏利.飛機鐵鳥舵面加載系統(tǒng)[J].兵工自動化，2015（01）：71-75.

[責任編輯：朱麗娜]