王文健,王建強
(航空工業(yè)北京長城計量測試技術研究所,北京 100095)
飛機供電系統(tǒng)的品質(zhì)是評估飛機性能的重要指標之一。飛機供電特性參數(shù)主要描述機載用電設備電源輸入端供電參數(shù)的品質(zhì),其中針對穩(wěn)態(tài)參數(shù)、調(diào)制參數(shù)、畸變參數(shù)、瞬態(tài)參數(shù)和非正常工作極限參數(shù)的評價,是飛機供電質(zhì)量評價工作的核心,其指標的優(yōu)劣直接關系到飛機供電系統(tǒng)和機載用電設備是否符合設計要求,因而也是飛機供電特性測試系統(tǒng)測試的重點和關鍵參數(shù)。
飛機供電特性測試系統(tǒng)用于對供電系統(tǒng)的電壓和電流參數(shù)進行實時準確的記錄與分析,進而對供電品質(zhì)進行評價。為保證飛機供電特性測試系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)的準確可靠,相應的校準工作必不可少。飛機供電特性測試系統(tǒng)校準裝置的核心是可程控的多功能高準確度校準信號源,可實現(xiàn)計算機程序控制,產(chǎn)生并仿真高壓直流供電系統(tǒng)各種供電情況下的電氣信號,其中包括直流電壓的畸變頻譜信號。
全文詳細介紹了飛機供電特性測試系統(tǒng)校準裝置直流電壓畸變信號的產(chǎn)生方法,并對校準結果的不確定度進行了評價。
直流電壓畸變信號由直流電壓(飛機直流供電系統(tǒng)電壓為28 V或270 V)疊加寬帶交流小信號構成,其產(chǎn)生原理為計算機的虛擬儀器平臺控制任意波形發(fā)生器產(chǎn)生寬帶交流小信號,輸入寬帶功率放大器進行調(diào)理以達到標準要求之后,將信號偏置到所需直流電壓(28 V或270 V)進行輸出。采用寬帶分壓器加數(shù)據(jù)采集器對輸出信號進行采集,對采集得到的數(shù)據(jù)進行加窗和傅里葉變換等處理得到輸出信號的標準值,原理如圖1所示。
圖1 直流電壓畸變信號的產(chǎn)生原理
高壓直流供電特性測試系統(tǒng)校準裝置的硬件組成主要分為主控計算機、任意波發(fā)生器模塊、高速高精度A/D模塊、寬帶功率放大模塊及分壓器。
校準信號源各頻率點畸變頻譜幅值如圖2所示,符合GJB181B-2012,MIL-STD-704系列的相關規(guī)定。
圖2 直流電壓畸變頻譜特征頻點的幅度
直流電壓畸變頻譜信號由直流信號疊加寬帶交流小信號構成,由于無法預知兩種信號疊加過程中產(chǎn)生的誤差,因此,為了保證輸出信號的精度,利用分壓器和高速高精度A/D模塊對功放輸出端信號進行數(shù)據(jù)采集,采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)計算機的加窗截斷和傅里葉變換等分析計算,得到實際輸出信號的各頻點的幅值,并以此作為標準值。
整個校準信號的輸出和采集以及數(shù)據(jù)處理過程均由校準程序自動完成。校準程序的開發(fā)由圖形化語言LabVIEW完成,校準程序流程如圖3所示。
圖3 校準程序流程圖
直流電壓畸變頻譜輸出信號經(jīng)過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集,再進行加窗和傅里葉變換等處理得到標準值。因此,不確定度來源主要為分壓器的分壓比誤差、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的量化誤差以及算法對數(shù)據(jù)進行處理時產(chǎn)生的誤差。
依據(jù)JJF 1059.1-2012《測量不確定度評定與表示》對飛機直流供電特性測試系統(tǒng)校準裝置直流電壓畸變頻譜進行不確定度評定。
根據(jù)前文所述的直流電壓畸變頻譜生成原理可知,校準信號源輸出的某頻點fk的幅度顯示值設為Yk,則
Yk=Kk·Xk
(1)
式中:Yk為頻點fk處的幅度顯示值;Kk為頻點fk處的分壓器分壓比;Xk為由數(shù)據(jù)采集模塊采集后經(jīng)FFT算法分析得到頻點fk處的幅度值。
變量由自變量之積所表示時,用相對不確定度進行計算較為方便,由于Kk和Xk相互獨立,則三者的關系為
(2)
1)Kk的相對不確定度
2)Xk的相對不確定度
Xk的不確定度由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的量化誤差引入的不確定度u1k和數(shù)據(jù)被加窗截斷時引入的不確定度u2k組成。二者相互獨立得
(3)
(4)
數(shù)據(jù)處理過程包括加窗截斷和傅里葉變換,對多個單頻信號的疊加信號在時域進行加窗截斷時,在頻域相當于將窗函數(shù)的頻譜搬移至各個單頻信號的頻點處并疊加。
窗函數(shù)的頻譜分為主瓣和旁瓣,主瓣對應我們需要的信號,旁瓣對應泄露到無用頻帶中的信號的能量,旁瓣相對于主瓣的衰減越快越好,說明泄露的能量少,泄露的能量即加窗過程中產(chǎn)生的誤差,數(shù)據(jù)被加窗截斷時引入的不確定度便由這個誤差來評價。
圖4所示為算法使用的布萊克曼窗函數(shù)的頻譜,觀察可知,窗函數(shù)的旁瓣隨著頻率的升高而衰減,計算誤差時,只需考慮對結果影響顯著的那些旁瓣,根據(jù)分貝值與幅度比值之間的換算關系可知,當分貝值相差20 dB時,幅度比值相差了10倍,這時的影響相差了一個數(shù)量級,便可以忽略,因此,計算時考慮的最小旁瓣為與第一旁瓣相差20 dB的旁瓣,如圖4所示,幅度為-57.8 dB的旁瓣與第一旁瓣的幅度-35.8 dB相差22 dB,計算布萊克曼窗函數(shù)的頻譜泄露誤差時,只考慮這一旁瓣與第一旁瓣之間的能量。
圖4 布萊克曼窗函數(shù)頻譜
具體計算過程為:
1)首先計算第一旁瓣的幅度,假設第一旁瓣相對于主瓣幅值的衰減值為B;主瓣的幅度為VX,第一旁瓣的幅度為VY1,則B與二者的關系為
(5)
B值根據(jù)窗函數(shù)的類型能夠查詢到,Vx作為被測設備的設置值是已知的,根據(jù)上式能夠計算得到VY1,該值即第一旁瓣的幅度。
2)重復第一步的過程,計算其他旁瓣的幅度VY2,…,VYk,k={1,…,K},其中第K個旁瓣相對于第一旁瓣衰減20 dB。
驗證實例選擇270 V高壓直流供電特性測試系統(tǒng)直流電壓畸變頻譜校準系統(tǒng),其寬帶分壓器分壓比為40∶1。
表1 分壓比誤差引入的相對不確定度
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對疊加了畸變頻譜信號的高壓(270 V)直流信號進行采集,采樣頻率為1 MHz,采樣時間設為1 s。對采集數(shù)據(jù)加布萊克曼窗并作FFT運算得到各頻率點的信號幅值如表2所示。
表2 畸變頻譜信號各頻率正弦波信號幅值校準結果
由圖4可知,包含第一旁瓣在內(nèi)共有8個旁瓣需要參與計算,這8個旁瓣相對于主瓣的衰減值如表3所示。
表3 各旁瓣相對于主瓣的衰減值
根據(jù)表2所測得主瓣值,按照前文所述步驟計算得頻譜泄露誤差如表4所示。
表4 畸變頻譜信號各頻率點的頻譜泄露誤差
按照均勻分布計算不確定度如表5所示。
表5 畸變頻譜信號各頻率點的頻譜泄露誤差引入的不確定度
表6 Xk的相對不確定度
表7 Yk的相對不確定度
換算成以方均根值1.0 V為基礎的分貝數(shù)的不確定度如表8所示。
表8 畸變頻譜的擴展不確定度
根據(jù)GJB 5189-2003《飛機供電特性參數(shù)測試方法》的規(guī)定,直流電壓畸變頻譜測試設備的最大允許誤差(以方均根值1 V為基準的分貝數(shù))需滿足:①頻率小于或等于50 kHz時,±2 dB范圍內(nèi);②頻率大于50 kHz時,±5 dB范圍內(nèi)。由此校準裝置的測量結果不確定度至少應滿足:①頻率小于或等于50 kHz時,0.5 dB(k=2);②頻率大于50 kHz時,1 dB(k=2)。由表8得到的不確定度可知,校準裝置的直流電壓畸變頻譜參數(shù)滿足溯源要求。
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