基于周期檢測(cè)應(yīng)變測(cè)量技術(shù)研究

高戰(zhàn)朋，張清勇

（中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所，陜西?西安?710065）

全機(jī)靜力試驗(yàn)是飛機(jī)研制過程中重要一環(huán)[1-2]，也是新研制飛機(jī)首飛的必要條件之一。在全機(jī)靜力試驗(yàn)中，通過測(cè)量飛機(jī)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變來確定飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布、傳力路徑，并為驗(yàn)證飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的計(jì)算方法以及結(jié)構(gòu)是否滿足設(shè)計(jì)要求提供必要的數(shù)據(jù)[2]。國(guó)內(nèi)外傳統(tǒng)上采用電阻應(yīng)變計(jì)結(jié)合惠斯通電橋進(jìn)行應(yīng)變測(cè)量。全機(jī)結(jié)構(gòu)靜力試驗(yàn)關(guān)鍵受力結(jié)構(gòu)較多，相應(yīng)布置的測(cè)量點(diǎn)也數(shù)量繁多，一般一架全機(jī)靜力試驗(yàn)機(jī)布置的應(yīng)變測(cè)量點(diǎn)數(shù)量在6000點(diǎn)以上，某型飛機(jī)布置應(yīng)變測(cè)量點(diǎn)折合單軸應(yīng)變計(jì)多達(dá)39000片，全機(jī)靜力試驗(yàn)要求最大應(yīng)變測(cè)量規(guī)模在12000～14000通道，實(shí)際最大測(cè)量規(guī)模超過20000通道，并且試驗(yàn)件尺寸普遍較大，應(yīng)變計(jì)引線長(zhǎng)度一般在7～10m，最長(zhǎng)可達(dá)60m，目前應(yīng)變主要采用電阻應(yīng)變計(jì)大多通過1/4橋三線制惠斯通電橋進(jìn)行測(cè)量。在試驗(yàn)準(zhǔn)備階段，應(yīng)變計(jì)接線、焊線工作量很大，同時(shí)人工進(jìn)行應(yīng)變計(jì)編號(hào)傳遞也容易出現(xiàn)錯(cuò)誤，而且現(xiàn)場(chǎng)布線量也規(guī)模龐大，給試驗(yàn)實(shí)施帶來很多困難和挑戰(zhàn)。為減少現(xiàn)場(chǎng)布線及提高試驗(yàn)應(yīng)變測(cè)量準(zhǔn)備效率，開展了分布式應(yīng)變測(cè)量技術(shù)研究。

1??分布式應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)原理及特點(diǎn)

一般意義上的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)[3]是指采用計(jì)算機(jī)控制，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化測(cè)試的系統(tǒng)，也就是對(duì)能自動(dòng)完成激勵(lì)、測(cè)量、數(shù)據(jù)處理并顯示或輸出測(cè)試結(jié)果的一類系統(tǒng)的統(tǒng)稱。飛機(jī)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)是飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度試驗(yàn)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)一部分，分為電阻應(yīng)變計(jì)以及基于惠斯通電橋的應(yīng)變數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般包括系統(tǒng)信號(hào)調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)采集與通信模塊以及數(shù)據(jù)管理與顯示模塊等。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，將信號(hào)調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)采集與通信模塊靠近測(cè)試對(duì)象，分布到現(xiàn)場(chǎng)，數(shù)字信號(hào)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給數(shù)據(jù)管理與顯示模塊，這樣的系統(tǒng)通常稱為分布式采集系統(tǒng)。分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分為3種：基于以太網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、基于LXI嵌入式分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和基于CAN總線[3]分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。前兩種分布式采集系統(tǒng)，需單獨(dú)配置電源及控制器，采用惠斯通電橋進(jìn)行應(yīng)變測(cè)量，前端調(diào)理電路及通信模塊、電源及風(fēng)冷模塊在現(xiàn)場(chǎng)，體積過大，無法有效減少現(xiàn)場(chǎng)電纜分布。基于現(xiàn)場(chǎng)CAN總線的分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)前端調(diào)理采集單元供電通過CAN總線提供，可以放置到飛機(jī)機(jī)體上，有效減少試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的布線量。而基于周期檢測(cè)的分布式應(yīng)變測(cè)量技術(shù)，從應(yīng)變測(cè)量方式及現(xiàn)場(chǎng)CAN總線的選擇減少現(xiàn)場(chǎng)的布線量。

2???基于周期檢測(cè)分布式應(yīng)變測(cè)量技術(shù)原理及系統(tǒng)??組成

基于周期檢測(cè)的分布式應(yīng)變測(cè)量技術(shù)原理及系統(tǒng)組成原理框圖見圖1。

如圖1所示，現(xiàn)場(chǎng)采集單元通過CAN服務(wù)器提供電源和通信鏈路。應(yīng)用服務(wù)器位于控制中心，通過以太網(wǎng)與CAN服務(wù)器組通信，匯集實(shí)時(shí)應(yīng)變數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)顯示和管理試驗(yàn)過程。

圖1 系統(tǒng)組成原理框圖

2.1??基于周期檢測(cè)應(yīng)變測(cè)量技術(shù)

基于周期檢測(cè)的應(yīng)變測(cè)量單元與傳統(tǒng)電橋應(yīng)變測(cè)量不同?，F(xiàn)場(chǎng)采集單元使用了電壓-頻率轉(zhuǎn)換（V-F，Voltage-Frequency）測(cè)量方式間接檢測(cè)應(yīng)變計(jì)電阻的變化，采用高頻的計(jì)時(shí)脈沖（ps級(jí)），對(duì)信號(hào)周期進(jìn)行測(cè)量，使測(cè)量有很高的精度（萬分之一）。對(duì)電阻應(yīng)變計(jì)應(yīng)變測(cè)量方式開展了創(chuàng)新的研究，增加了前端調(diào)理電路的集成度，每個(gè)采集單元可以測(cè)量16通道的應(yīng)變數(shù)據(jù)。采集單元集成方便，可以形成采集單元陣列，如圖2所示。

第1級(jí)：現(xiàn)場(chǎng)級(jí)

圖2 現(xiàn)場(chǎng)采集單元陣列

2.2??電壓 - 頻率轉(zhuǎn)換（V-F）技術(shù)原理

單穩(wěn)態(tài)的電壓-頻率轉(zhuǎn)換電路主要由電壓-頻率轉(zhuǎn)換芯片、外接電阻Rt、電容Ct和定時(shí)比較器、復(fù)零晶體管、R-S觸發(fā)器以及負(fù)載RL、CL構(gòu)成。原理圖見圖3。

圖3 基于LM331電壓-頻率轉(zhuǎn)換原理

設(shè)CL充電時(shí)間為t1，放電時(shí)間為t2，R為定時(shí)比較器電阻，則輸出頻率f0=1/（t1+t2）f0=Uri/（RL/R×t1），T=t1+t2=（RL/R×t1）/Ui。當(dāng)電壓發(fā)生變化時(shí)，周期/頻率發(fā)生變化，通過檢測(cè)周期變化實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓及電阻測(cè)量，實(shí)際是對(duì)電阻及電容組成的自振蕩電路的周期特性的測(cè)量。

2.3??現(xiàn)場(chǎng) CAN 總線管理技術(shù)

將現(xiàn)場(chǎng)CAN總線技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合，組成智能化、模塊化、大規(guī)模的CAN總線管理服務(wù)器。將CAN總線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分為管理節(jié)點(diǎn)及數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)進(jìn)行綜合管理，大大提高了CAN總線管理效率和規(guī)模。

從以上技術(shù)研究中可以看出，通過對(duì)周期檢測(cè)進(jìn)行應(yīng)變測(cè)量，建立在阻容振蕩電路基礎(chǔ)上的動(dòng)態(tài)測(cè)量，在試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)及引線過程中，容易受到現(xiàn)場(chǎng)電磁環(huán)境影響，以及應(yīng)變計(jì)測(cè)量過程中引線的分布電容及分布電阻的影響，對(duì)周期檢測(cè)帶來干擾。同時(shí)，由于應(yīng)變測(cè)量方式的改變，使得系統(tǒng)校準(zhǔn)/檢定方法也要進(jìn)行相應(yīng)的改變。針對(duì)以上問題，提出了以定長(zhǎng)帶屏蔽的引線進(jìn)行消除分布電容影響，采用以標(biāo)準(zhǔn)電阻變化為基準(zhǔn)的檢定方式進(jìn)行檢定方案，為此開展了相關(guān)驗(yàn)證。

3??驗(yàn)證研究試驗(yàn)

驗(yàn)證研究試驗(yàn)采用模擬的機(jī)翼假件作為試驗(yàn)件，粘貼應(yīng)變計(jì)，使用采集系統(tǒng)的原理樣機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，采用多通道協(xié)調(diào)加載系統(tǒng)進(jìn)行加載。試驗(yàn)件及試驗(yàn)安裝情況見圖4、圖5。采用5m和20m的帶屏蔽引線和不帶屏蔽引線進(jìn)行接線測(cè)試，由測(cè)試結(jié)果可以看出：帶屏蔽的線纜引線可以有效地減少分布電容和分布電阻的影響；引線越長(zhǎng)，引起分布電容及分布電阻帶來干擾的振幅越大。

圖4 機(jī)翼模擬件示意圖

?圖5?現(xiàn)場(chǎng)安裝情況示意

3.1??驗(yàn)證試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果

采用5m、20m不帶屏蔽引線先進(jìn)行測(cè)試，然后接屏蔽再進(jìn)行測(cè)試，通過對(duì)比測(cè)量，測(cè)試結(jié)果分析可以得出：不帶屏蔽測(cè)量結(jié)果應(yīng)變紋波最大達(dá)到±1000με，接屏蔽后，應(yīng)變紋波在±30με以內(nèi)。

3.2??檢定 /校準(zhǔn)方法驗(yàn)證及結(jié)果

傳統(tǒng)應(yīng)變采集系統(tǒng)使用電橋進(jìn)行測(cè)量，通過電阻應(yīng)變儀進(jìn)行計(jì)量/檢定。根據(jù)基于周期檢測(cè)的分布式應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)原理及系統(tǒng)校準(zhǔn)/檢定要求，提出了采用電阻相對(duì)變化量直接進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)/檢定方法，進(jìn)行了系統(tǒng)校準(zhǔn)/檢定，檢定/校準(zhǔn)結(jié)果數(shù)據(jù)見表1。

表1 部分檢定驗(yàn)證結(jié)果數(shù)據(jù)

3.3??數(shù)據(jù)分析

驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明：在不加屏蔽的情況下，應(yīng)變計(jì)引線長(zhǎng)度與分布電容及分布電阻引起干擾幅度正相關(guān)，從測(cè)試結(jié)果分析可知，引線進(jìn)行屏蔽可以有效地減小分布電容及分布電阻引起的干擾。

從檢定結(jié)果數(shù)據(jù)可以看出，采用標(biāo)準(zhǔn)電阻變化對(duì)基于周期檢測(cè)的分布式應(yīng)變測(cè)量技術(shù)的系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)量校準(zhǔn)/檢定是可行的。

4??結(jié)論

采用基于周期檢測(cè)分布應(yīng)變測(cè)量技術(shù)，可以減少傳統(tǒng)應(yīng)變測(cè)量的現(xiàn)場(chǎng)布線的工作量，用來進(jìn)行飛機(jī)靜力試驗(yàn)應(yīng)變測(cè)試是可行的，但在使用過程中，必須堅(jiān)持以下方案及原則：

（1）應(yīng)變計(jì)到采集單元到電阻應(yīng)變計(jì)的引線采用兩線制且必須是帶屏蔽的；

（2）應(yīng)變計(jì)引線不超過5m。

基于周期檢測(cè)的分布式應(yīng)變測(cè)量技術(shù)是針對(duì)傳統(tǒng)電阻應(yīng)變計(jì)-惠斯通電橋測(cè)量模式一種創(chuàng)新，提高了電阻應(yīng)變計(jì)前端采集單元的集成度，可以形成應(yīng)變計(jì)采集單元陣列。采用該方案可以減少應(yīng)變計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)引線長(zhǎng)度和數(shù)量，可以有效提高大規(guī)模應(yīng)變測(cè)量準(zhǔn)備的效率，也為應(yīng)變計(jì)應(yīng)變測(cè)量提供了一種新的思路，可在其他結(jié)構(gòu)試驗(yàn)應(yīng)變測(cè)量中進(jìn)行推廣。