慣性器件多參數(shù)測試設(shè)備校準(zhǔn)技術(shù)關(guān)鍵問題

關(guān)偉

(國營長虹機(jī)械廠,廣西 桂林 541002)

0 引言

慣性器件多參數(shù)測試通過專門的試驗設(shè)備按規(guī)定要求產(chǎn)生加速度、角速度、溫度、濕度等多種參數(shù)激勵慣性器件(包括慣性儀表和慣性系統(tǒng)),以辨識多種非理想輸入綜合作用導(dǎo)致的慣性器件誤差模型并進(jìn)行針對性補(bǔ)償,是一種聚焦慣性器件實(shí)際使用的復(fù)雜高精度標(biāo)定技術(shù)。從技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)看,慣性器件多參數(shù)測試技術(shù)脫胎于綜合環(huán)境試驗技術(shù),如國家軍用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的溫度-濕度-振動-高度試驗[1]、振動-加速度試驗[2]等。因此,現(xiàn)有的慣性器件多參數(shù)測試設(shè)備,大多參考綜合環(huán)境試驗設(shè)備設(shè)計,如標(biāo)定慣性器件溫度敏感性的離心-溫度測試系統(tǒng)、轉(zhuǎn)臺-溫度測試系統(tǒng)[3],標(biāo)定振動引入誤差的離心-振動測試等[4]等。相應(yīng)的計量檢定標(biāo)準(zhǔn)和校準(zhǔn)規(guī)范,如全國慣性技術(shù)計量技術(shù)委員會組織編制的《離心-振動復(fù)合裝置校準(zhǔn)規(guī)范》《離心-溫度復(fù)合裝置校準(zhǔn)規(guī)范》等[5]標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,也參考了環(huán)境試驗設(shè)備校準(zhǔn)檢定標(biāo)準(zhǔn),如電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗設(shè)備的檢定方法[6]、軍用機(jī)載設(shè)備氣候環(huán)境試驗箱的檢定方法[7],以及環(huán)境試驗系統(tǒng)的國家校準(zhǔn)規(guī)范[8-9]等。

隨著慣性技術(shù)的不斷發(fā)展,以及實(shí)戰(zhàn)化、野戰(zhàn)化戰(zhàn)斗要求的不斷提升,慣性器件多參數(shù)測試設(shè)備的指標(biāo)要求越來越高,逐步脫離了環(huán)境試驗設(shè)備的范疇。比如,某型石英加速度計為標(biāo)定1×10-3(m·s-2)/℃量級的偏值溫度系數(shù),要求溫箱的溫度誤差為±0.5℃;為標(biāo)定3×10-3m/s2的振動整流誤差,要求正弦振動峰值加速度允差為±5%。因此,如使用振動-溫度復(fù)合測試系統(tǒng)考察該加速度計偏值在振動和溫度復(fù)合作用下的變化情況,則應(yīng)參考上述指標(biāo)配置測試系統(tǒng)。而一般環(huán)境試驗用溫箱允許的溫度誤差為±2℃,正弦振動峰值加速度允差為±10%,所以環(huán)境試驗設(shè)備的校準(zhǔn)規(guī)范或檢定方法越來越不能滿足慣性器件高精度標(biāo)定的要求。更重要的是,目前多參數(shù)測試設(shè)備的校準(zhǔn)方法主要沿用環(huán)境試驗設(shè)備計量校準(zhǔn)采用的分立校準(zhǔn)方法,即在保證校準(zhǔn)過程中環(huán)境條件變量單一的情況下單獨(dú)評估多參數(shù)測試設(shè)備的某個輸出參數(shù)的量值準(zhǔn)確性。這種變量單一的校準(zhǔn)條件與多參數(shù)試驗設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行條件有很大區(qū)別,導(dǎo)致校準(zhǔn)結(jié)果的實(shí)用性有限。

本文分析多參數(shù)測試設(shè)備的校準(zhǔn)問題,綜述國內(nèi)多參數(shù)測試設(shè)備計量技術(shù)的研究情況,指出提升高多參數(shù)測試設(shè)備校準(zhǔn)能力需要解決的關(guān)鍵問題,供相關(guān)研究人員參考。

1 多參數(shù)測試設(shè)備校準(zhǔn)技術(shù)現(xiàn)狀

慣性器件多參數(shù)測試是高精度試驗,只有同時準(zhǔn)確獲取多個參數(shù)的量值,才能構(gòu)建多個參數(shù)復(fù)合作用與慣性器件輸出誤差之間的模型。因此,在多參數(shù)同時存在、相互耦合的情況下開展校準(zhǔn)工作是多參數(shù)測試設(shè)備校準(zhǔn)的基本要求。然而,由于技術(shù)水平所限,目前多種參數(shù)復(fù)合條件下的校準(zhǔn)方法,依然是在保證環(huán)境變量單一的情況分別進(jìn)行分立校準(zhǔn)。在溫度-濕度-振動綜合環(huán)境試驗系統(tǒng)校準(zhǔn)規(guī)范中,規(guī)定在振動臺不工作的情況下,校準(zhǔn)溫度、濕度和氣流風(fēng)速[9];在電磁-溫度-濕度復(fù)合試驗系統(tǒng)中,研究人員提出對溫度、濕度進(jìn)行獨(dú)立標(biāo)定[10]。在包含多種參量的風(fēng)洞測量系統(tǒng)中,對測量壓力、溫度、應(yīng)變等各種傳感器和測量系統(tǒng)進(jìn)行分立檢定[11]。

雖然分立校準(zhǔn)的方法能夠大幅度減少其他參數(shù)對被校準(zhǔn)參數(shù)的影響,獲得較為準(zhǔn)確的測量數(shù)據(jù)。但是,由于校準(zhǔn)環(huán)境與實(shí)際工作環(huán)境不一致,難以嚴(yán)格保證在多參數(shù)復(fù)合環(huán)境下各參量傳感測量元件或系統(tǒng)能夠按照校準(zhǔn)的特性工作。在包含振動臺的振動-溫度-濕度綜合環(huán)境試驗系統(tǒng)中,振動臺工作時產(chǎn)生的電磁和機(jī)械振動,可能影響溫濕度傳感器和風(fēng)速傳感器,造成測量誤差[12]。在離心-振動機(jī)試驗系統(tǒng)中,由于振動傳感器的橫向靈敏度特性,離心-振動機(jī)產(chǎn)生的橫向加速度將造成振動傳感器測量誤差[13]。在低氣壓-溫度試驗中,有學(xué)者指出,低于1 kPa的真空試驗輻射傳熱占據(jù)主導(dǎo)位,溫度計的放置位置、面積和表面發(fā)射率等對測量結(jié)果都有影響,與高于1 kPa的情況有較大區(qū)別[14]。

因此,在多參數(shù)測試設(shè)備的校準(zhǔn)工作中,從準(zhǔn)確掌握被校產(chǎn)品或系統(tǒng)的實(shí)際工作特性出發(fā),分立校準(zhǔn)方法有較大的限制。為實(shí)現(xiàn)在多參數(shù)同時存在、相互耦合的情況下開展高精度校準(zhǔn)工作,需要開展專門的多參數(shù)復(fù)合條件下的校準(zhǔn)技術(shù)研究。

2 多參數(shù)測試設(shè)備校準(zhǔn)技術(shù)的關(guān)鍵問題

2.1 適用于多參數(shù)復(fù)合環(huán)境的傳遞標(biāo)準(zhǔn)

傳遞標(biāo)準(zhǔn)或標(biāo)準(zhǔn)測量傳感器是多參數(shù)測試設(shè)備計量的基礎(chǔ)。傳遞標(biāo)準(zhǔn)與產(chǎn)品一樣受多參數(shù)復(fù)合影響。如前所述的振動傳感器,因為本身的傳感器機(jī)理、結(jié)構(gòu)特性、材料特性等方面原因,使傳感器輸出受到了多個參數(shù)干擾。為實(shí)現(xiàn)多參數(shù)復(fù)合環(huán)境下各種參數(shù)量值的準(zhǔn)確傳遞,需要從硬件和軟件兩方面入手。

硬件方面,參考自校準(zhǔn)技術(shù)在多通道測試設(shè)備中的應(yīng)用,需要研制新型的傳感器,作為各種參數(shù)的傳遞標(biāo)準(zhǔn)[15]。一種是在環(huán)境試驗箱內(nèi)的“內(nèi)基準(zhǔn)”,負(fù)責(zé)敏感溫度、濕度、氣壓、電磁、噪聲等與環(huán)境參數(shù),一種是在環(huán)境試驗箱外的“外基準(zhǔn)”,敏感加速度、角速度等運(yùn)動信息參數(shù),主要是各種慣性儀表。內(nèi)基準(zhǔn)面臨的多參數(shù)復(fù)合作用較為復(fù)雜,尤其是溫度、濕度、氣壓緊密耦合,在加速度、角速度作用下溫度場、濕度場等可能呈現(xiàn)特殊的變化,導(dǎo)致環(huán)境試驗箱內(nèi)的試驗條件難以直觀分析,在復(fù)雜條件如何保證測量數(shù)據(jù)的有效性是內(nèi)基準(zhǔn)設(shè)計的難點(diǎn);外基準(zhǔn)受到的干擾主要來自多參數(shù)測試設(shè)備本身,包括機(jī)械結(jié)構(gòu)安裝設(shè)計誤差、熱傳遞、空間電磁干擾等,屬于傳統(tǒng)的慣性儀表誤差。硬件方面對于誤差的處理,思路之一是采用隔離的辦法,比如為測量噪聲的傳感器設(shè)計專門的溫控裝置,保證其不受溫濕度影響,或采用專門設(shè)計,避免產(chǎn)生影響校準(zhǔn)的各種干擾,如采用半導(dǎo)體溫控,可以避免電磁輻射和音頻振動等干擾[16];思路之二是采用補(bǔ)償措施,比如采用溫度敏感的應(yīng)變片,補(bǔ)償溫度引起的傳感器底座變化,保證傳感器安裝穩(wěn)定。

軟件方面主要是補(bǔ)償多參數(shù)復(fù)合作用導(dǎo)致的傳感器輸出誤差。多個參數(shù)有各自的時、空變化規(guī)律,且有的參數(shù)相互影響,由此導(dǎo)致對傳感器的干擾呈現(xiàn)非線性時變特性,如何在算法層面剝離這種干擾,還原傳感器的有效測試數(shù)據(jù)是軟件方面的主要工作。軟件算法主要用于事后處理,在數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。從目前的技術(shù)水平和實(shí)踐經(jīng)驗來看,多參數(shù)測試一般是“準(zhǔn)靜態(tài)測試”,待測試環(huán)境較為穩(wěn)定時進(jìn)行測試工作。此時測試設(shè)備中多個參數(shù)相互影響引起的輸出波動能夠控制在相對小的范圍內(nèi),使各參數(shù)的傳感器以線性特性為主,以便通過多元線性回歸等方式獲得可實(shí)用的結(jié)果。在各參數(shù)短時波動較大且不規(guī)律的情況下,通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、灰色預(yù)測等非線性建模手段難以獲得重復(fù)性、一致性較好的結(jié)果。

2.2 多通道異步數(shù)據(jù)的同步采集與動態(tài)校準(zhǔn)技術(shù)

多參數(shù)測試要求獲取不同參數(shù)共同作用下被測產(chǎn)品的特性,例如在加速度、溫度、氣壓與慣性器件某項技術(shù)指標(biāo)之間的多輸入-單輸出關(guān)系,這就要求實(shí)現(xiàn)不同參數(shù)數(shù)據(jù)的同步采集、實(shí)時顯示及數(shù)據(jù)融合處理。

第一,要求采用有線或無線的方式,構(gòu)建包含內(nèi)基準(zhǔn)、外基準(zhǔn)的多傳感器網(wǎng)絡(luò),解決硬件互聯(lián)的問題;第二,要求考慮多個參數(shù)不同的時空變化規(guī)律和綜合作用引起的非線性時變特點(diǎn),設(shè)計合理的采集方案。比如,溫度、濕度、氣壓的聯(lián)動變化及各自延時變化特點(diǎn)影響了內(nèi)基準(zhǔn)所處環(huán)境的穩(wěn)定時間;機(jī)械結(jié)構(gòu)熱傳導(dǎo)和電氣部件電磁場的時變規(guī)律不同步,也影響了外基準(zhǔn)所處環(huán)境的穩(wěn)定時間。所以,選取內(nèi)外基準(zhǔn)穩(wěn)定窗口的交叉部分,才能獲取有意義的測量數(shù)據(jù)。第三,要研究動態(tài)校準(zhǔn)技術(shù),在各個參數(shù)發(fā)生系統(tǒng)工作特性(比如穩(wěn)定性、重復(fù)性、空間的均勻性等)不一致的情況下,實(shí)現(xiàn)動態(tài)多參數(shù)的測試校準(zhǔn)。

2.3 多參數(shù)測試設(shè)備的可計量性設(shè)計

目前多參數(shù)測試設(shè)備的設(shè)計主要參考綜合環(huán)境試驗設(shè)備,尚未建立起專門的慣性器件多參數(shù)測試設(shè)備設(shè)計理論和方法,雖然在提升試驗設(shè)備精度方面取得了較大的進(jìn)步,但是在設(shè)備研制之初并未系統(tǒng)性地考慮其計量需求,導(dǎo)致多參數(shù)測試設(shè)備的計量工作出現(xiàn)難題。比如,在振動-溫度-濕度綜合試驗中,因電磁振動臺和溫濕度發(fā)生系統(tǒng)工作時產(chǎn)生的電磁干擾,實(shí)質(zhì)上是電磁-振動-溫度-濕度綜合激勵,且電磁環(huán)境比較復(fù)雜,對電磁敏感的慣性儀表開展此類測試將帶來較大的測試誤差。如果在試驗系統(tǒng)設(shè)計之初不考慮電磁干擾影響及計量要求,就會給后續(xù)計量工作帶來較大的限制,比如磁場傳感器的安裝位置、體積、質(zhì)量等等,以至于難以準(zhǔn)確獲取電磁干擾的數(shù)據(jù),無法補(bǔ)償其引入的誤差。另一個典型的例子是離心-振動機(jī)試驗系統(tǒng),如前所述,振動臺控制系統(tǒng)是通過振動傳感器敏感振動加速度,再進(jìn)行反饋控制以達(dá)到設(shè)定的振動幅值。離心-振動機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時,若通過離心機(jī)的導(dǎo)電滑環(huán)傳遞振動傳感器模擬量數(shù)據(jù)(弱電信號),則會引入較大的誤差,必須考慮其他的數(shù)據(jù)采集方式,比如無線數(shù)據(jù)采集,或者本地數(shù)據(jù)采集存儲。但是,無線數(shù)據(jù)采集方式帶來的數(shù)據(jù)丟失問題、帶寬限制問題,以及本地數(shù)據(jù)采集存儲模塊的可靠性問題,都是需要提前考慮和設(shè)計解決的,否則實(shí)際使用存在較大困難。

3 結(jié)論

慣性器件多參數(shù)測試設(shè)備的校準(zhǔn)能力決定了多參數(shù)復(fù)合條件下慣性器件的測試水平和誤差補(bǔ)償能力,對提升慣性器件實(shí)際使用精度和評估鑒定能力有重要影響?，F(xiàn)行多參數(shù)測試設(shè)備沒有成體系的計量標(biāo)準(zhǔn),采用分立的方式校準(zhǔn)多參數(shù)測試設(shè)備存在校準(zhǔn)環(huán)境與實(shí)際工作環(huán)境不一致的問題,影響了校準(zhǔn)結(jié)果的實(shí)用價值。通過開展多參數(shù)測試設(shè)備的可計量性設(shè)計研究,開發(fā)適用于多參數(shù)復(fù)合環(huán)境的傳遞標(biāo)準(zhǔn),突破多通道異步數(shù)據(jù)采集與動態(tài)校準(zhǔn)等關(guān)鍵技術(shù),能夠有力支撐多參數(shù)測試設(shè)備的校準(zhǔn)能力提升。