應(yīng)變片動態(tài)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)設(shè)計

徐春柳 孫浩琳

航空工業(yè)北京長城計量測試技術(shù)研究所，北京 100095

0 前言

應(yīng)變在國防工程上應(yīng)用極為廣泛，涉及武器裝備從設(shè)計、裝配、實驗到故障監(jiān)測和診斷的全過程。機(jī)載應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的關(guān)鍵，飛機(jī)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的應(yīng)變檢測對于保障飛機(jī)的結(jié)構(gòu)安全、可靠性具有重要作用[1-2]；直升機(jī)槳葉疲勞壽命試驗、發(fā)動機(jī)疲勞試驗等也是對動態(tài)載荷進(jìn)行監(jiān)測[3-5]。在裝備運行過程中，結(jié)構(gòu)應(yīng)變主要以動態(tài)應(yīng)變的形式存在，因此，動態(tài)應(yīng)變的測量越來越重要。目前，應(yīng)變量計量中“靜標(biāo)動用”的問題一直存在，對快速變化應(yīng)變量測量結(jié)果的準(zhǔn)確度不能保證[6]。因此，開展應(yīng)變的動態(tài)校準(zhǔn)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行正確的處理分析，以期最終解決其在真實應(yīng)用環(huán)境下的計量問題。南京航空航天大學(xué)振動工程研究所基于LabVIEW軟件對動態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與數(shù)據(jù)分析[7]；中國飛機(jī)強度研究所結(jié)合動態(tài)應(yīng)變測試原理對WaveBook/516A數(shù)字式高速應(yīng)變測試系統(tǒng)進(jìn)行了分析，利用DASYLab搭建了具有測試、記錄和分析模塊的動態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)[8]；西北工業(yè)大學(xué)結(jié)構(gòu)強度研究所利用霍普金森桿（Hopkinson bar）和應(yīng)變片對高g值加速度傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)[9]；貴州航天計量測試技術(shù)研究所提出了以霍普金森桿為動態(tài)應(yīng)變激勵裝置的應(yīng)變片動態(tài)校準(zhǔn)激光絕對法沖擊校準(zhǔn)裝置[10]。

本文提出一種以外差差動式激光測振儀為應(yīng)變激光干涉測量系統(tǒng)的高幅值動態(tài)應(yīng)變激光絕對法校準(zhǔn)裝置，實現(xiàn)應(yīng)變片的動態(tài)校準(zhǔn)。針對實際應(yīng)用中采集的電壓信號可能受到多方面干擾，從而影響應(yīng)變片靈敏系數(shù)準(zhǔn)確性的問題，本文重點研究動態(tài)應(yīng)變校準(zhǔn)裝置的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，排除干擾，保證采集的激光和應(yīng)變片電壓準(zhǔn)確性，應(yīng)變片靈敏系數(shù)分析的可靠性。

1 動態(tài)應(yīng)變激光絕對法校準(zhǔn)

動態(tài)應(yīng)變激光絕對法校準(zhǔn)裝置如圖1所示，包含脈沖應(yīng)變激勵裝置——霍普金森桿、激光測量系統(tǒng)、應(yīng)變片測量和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。將應(yīng)變片貼在霍普金森桿的中間位置測量應(yīng)變變化，激光測振儀在加載桿末端測量應(yīng)力波的波速，子彈撞擊霍普金森桿，產(chǎn)生脈沖激勵，應(yīng)力波在霍普金森桿中傳遞，激光測振

儀將測量的光信號變化轉(zhuǎn)化為電信號，應(yīng)變片測量感知的應(yīng)變變化，利用激光測振儀得到的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變值實現(xiàn)對應(yīng)變片靈敏系數(shù)的校準(zhǔn)，計算公式為：

其中，k——應(yīng)變校準(zhǔn)后得到的應(yīng)變片實際靈敏系數(shù)；

k0——應(yīng)變放大器中默認(rèn)設(shè)置的應(yīng)變片靈敏系數(shù)；

εc——應(yīng)變片測得的應(yīng)變值；

εp——實際應(yīng)變值。

1.1 動態(tài)應(yīng)變激光測量原理

激光多普勒信號解調(diào)如圖2所示，多普勒信號fd通過Hilbert變換解調(diào)出正交信號I(t)、Q(t)，對I(t)、Q(t)信號進(jìn)行計數(shù)、細(xì)分可以實現(xiàn)位移解調(diào)，對位移信號進(jìn)行微分處理可以實現(xiàn)速度解調(diào)[11-14]。

首先對多普勒頻移信號進(jìn)行A/D變換與Hilbert變換后，得到兩路離散的序列I(t)、Q(t)；對兩路信號進(jìn)行除法運算，然后對所得的商進(jìn)行反正切運算，可以得到相位序列φ(t)[15]：

其中，φ(t)——離散的相位序列；

I(t)、Q(t)——多普勒信號經(jīng)過Hilbert變換后的正交離散信號；

由于反正切函數(shù)是一個多值且不連續(xù)的函數(shù)，為了獲得確定的值，要采用“位相展開”的算法來進(jìn)行處理，使所獲得的相位值連續(xù)。φ(t)經(jīng)過位相展開和適當(dāng)計算以后可以得到相位值連續(xù)的離散序列s(t)：

其中，s(t)——霍普金森桿端面的位移信號；

λ——激光的波長；

k——通過位相展開算法得到的各個值。

對位移進(jìn)行微分處理即可得到速度信號：

其中，v(t)——霍普金森桿端面的速度信號。

根據(jù)經(jīng)典的霍普金森桿理論，在單端沖擊作用下，沖擊速度量值與霍普金森桿的應(yīng)變量值存在確定的線性關(guān)系。校準(zhǔn)裝置測量應(yīng)變值的計算公式為：

其中，vj——校準(zhǔn)裝置測得的加載桿端面的速度，即v(t)的最大值；

c——加載桿材料的彈性波速。

其中，E——彈性模量；

ρ——加載桿材料密度。直接以激光干涉法進(jìn)行應(yīng)變測量，需要對激光多普勒信號進(jìn)行快速解調(diào)，軟件方式需要人工干預(yù)，較難實現(xiàn)自動化快速解調(diào)。本裝置使用硬件解調(diào)實現(xiàn)，包含激光干涉信號的倍頻、非線性補償、整形、計數(shù)等信號解調(diào)技術(shù)，輸出為速度電壓信號。

1.2 應(yīng)變片測量原理

應(yīng)變片的應(yīng)變計算公式為[16]：

其中，Eout——應(yīng)變放大器的輸出電壓；

K——應(yīng)變片靈敏系數(shù)；

Ein——應(yīng)變放大器橋路供電電壓，有用橋臂數(shù)為工作片數(shù)量（不含補償片），增益為應(yīng)變放大器的電壓放大倍數(shù)。

在實際工作中，應(yīng)變放大器中默認(rèn)設(shè)置的應(yīng)變片靈敏系數(shù)k0=2.00，根據(jù)公式（1）計算出的k即為校準(zhǔn)后的應(yīng)變片實際靈敏系數(shù)。

2 數(shù)據(jù)處理與校準(zhǔn)軟件設(shè)計

2.1 數(shù)據(jù)處理

在實際應(yīng)變校準(zhǔn)工作中，激光測振儀與應(yīng)變放大器輸出的電壓信號存在一定的零漂（本文零漂是指輸入為零時采集到的輸出電壓非零）。圖3（a）為激光測振儀輸出電壓繪制的波形圖，圖3（b）為圖3（a）中紅色標(biāo)注部分的局部放大波形。從圖3可以看出，電壓波形起點不是從水平零線開始，存在一定的正向偏移，且零漂電壓在一定范圍內(nèi)波動，非某一固定值。

為動態(tài)應(yīng)變激光絕對法校準(zhǔn)裝置提供激勵，以激光測振儀輸出電壓為例進(jìn)行多次采集，匯總數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 激光測振儀輸出電壓

從圖3和表1可以看出，激光測振儀輸出的電壓波形起點在15 mV左右，零線電壓波動最大值為5.4 mV，零線位置存在偏移，對后續(xù)應(yīng)變的計算產(chǎn)生最大約0.15%的影響。為提高應(yīng)變片靈敏系數(shù)校準(zhǔn)的準(zhǔn)確度，需要對零漂進(jìn)行處理?？紤]到實際中應(yīng)變放大器輸出早于激光測振儀輸出，因此以應(yīng)變放大器輸出的電壓波形為依據(jù)，確定零線選取范圍，計算零漂值。零線自動選取算法具體步驟如下：

（1）對激光測振儀和應(yīng)變放大器輸出信號進(jìn)行低通濾波處理；

（2）計算應(yīng)變放大器輸出電壓的峰值，以10%峰值電壓的所在位置作為零線終點，計算零線終點與2.5的比值，并以該比值作為零線起點；

（3）判斷零線終點與零線起點位置是否合理，如果合理則進(jìn)入步驟（4），若不合理，根據(jù)實際情況人為指定零線起點與零線終點位置；

（4）根據(jù)選定的零線范圍計算零線平均值，作為零線偏移值。

根據(jù)上述零線自動選取算法，可以計算出激光測振儀和應(yīng)變放大器輸出電壓的零漂量，低通濾波處理后的激光和應(yīng)變電壓值分別與對應(yīng)的零漂值相減，并按上述相關(guān)公式（1）、公式（5）、公式（7）進(jìn)行計算，最終可實現(xiàn)對應(yīng)變片靈敏系數(shù)的校準(zhǔn)。

2.2 校準(zhǔn)軟件設(shè)計

霍普金森桿動態(tài)應(yīng)變激光絕對法校準(zhǔn)裝置軟件總體結(jié)構(gòu)圖如圖4所示，包含采樣設(shè)置、數(shù)據(jù)處理和文件的打開保存。參數(shù)設(shè)置與采樣用于在開始采樣前對通道、采樣率、采樣點數(shù)等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置；數(shù)據(jù)處理是指可以根據(jù)直接采樣到的數(shù)據(jù)計算零漂值、低通濾波處理以及應(yīng)變值、校準(zhǔn)后應(yīng)變片靈敏度系數(shù)；文件功能是指軟件可以對采集和計算的結(jié)果以.txt格式進(jìn)行保存，前面板內(nèi)容以.jpg格式保存，并可以對已保存的歷史記錄進(jìn)行查看。

AD采樣選用NI公司的USB-6366采集卡實現(xiàn)激光測振儀輸出速度信號與應(yīng)變放大器輸出電壓的采集。通過DAQmx參考觸發(fā)（模擬邊沿）模塊對觸發(fā)邊沿、觸發(fā)電平、觸發(fā)前采樣點數(shù)進(jìn)行設(shè)置，采集程序設(shè)計如圖5所示。

對USB-6366采集卡的兩路輸入信號進(jìn)行低通濾波處理，以避免高頻噪聲的干擾。濾波部分選用巴特沃斯濾波器實現(xiàn)低通濾波功能，根據(jù)實際需求確定濾波頻率。數(shù)據(jù)處理軟件流程圖如圖6所示。

3 試驗結(jié)果及分析

將中航工業(yè)電測儀器公司生產(chǎn)的應(yīng)變片（型號：BA120-4AA（23）N6）貼在霍普金森桿的中間位置，配套使用KYOWA應(yīng)變放大器（型號：CDV-900）測量應(yīng)變片的應(yīng)變變化，以Polytec激光測振儀為激光應(yīng)變測量裝置，測量霍普金森桿中應(yīng)力波的波速變化。激光測振儀輸出的速度信號和應(yīng)變放大器輸出的電壓信號分別連接到USB-6366的IO 0和IO 1通道，設(shè)置采樣率為2 MHz，觸發(fā)電壓為0.2 V，濾波頻率為80 kHz，應(yīng)變放大器默認(rèn)靈敏系數(shù)為2.0，橋路供電電壓為2 V，放大倍數(shù)為2,000，激光測振儀速度擋位為4.9 m/s/V，霍普金森桿的彈性波速為5,200 m/s，材料密度為7,850 kg/m3。

3.1 零漂處理

對表1實驗中采集的5組激光測振儀輸出電壓數(shù)據(jù)分別進(jìn)行零漂處理，記錄零漂處理后激光測量的應(yīng)變值零線波動范圍與應(yīng)變峰值的百分比，5次試驗結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

對比表1和表2中零線波動與峰值的百分比發(fā)現(xiàn)：經(jīng)零漂處理后，零線波動與峰值的比值明顯下降，降幅約為50%（零漂處理后百分比/零漂處理前百分比）。試驗表明，零漂處理提高了激光測振儀和應(yīng)變放大器輸出電壓的可靠性，為后續(xù)應(yīng)變片靈敏系數(shù)校準(zhǔn)的準(zhǔn)確性提供了基礎(chǔ)。

表2 零漂處理后激光測量應(yīng)變量

3.2 校準(zhǔn)試驗

對應(yīng)變片進(jìn)行多次校準(zhǔn)試驗，記錄零漂處理前后激光、應(yīng)變片測量的應(yīng)變值和應(yīng)變片校準(zhǔn)后靈敏系數(shù)，試驗數(shù)據(jù)記錄如表3和表4所示。

表3 零漂處理前應(yīng)變

表4 零漂處理后應(yīng)變

表3為零漂處理前，激光、應(yīng)變片測量的應(yīng)變值和校準(zhǔn)后應(yīng)變片靈敏系數(shù)；表4為零漂處理后，激光、應(yīng)變片的應(yīng)變值和校準(zhǔn)后應(yīng)變片靈敏系數(shù)。表3和表4中應(yīng)變值按下述公式（8）計算應(yīng)變相對偏差，所得結(jié)果繪制相對偏差波形圖，如圖7所示。

其中，kb——應(yīng)變片標(biāo)稱靈敏系數(shù)，本文為2.15±1%。

根據(jù)圖7可以看出，激光測振儀和應(yīng)變放大器的輸出電壓經(jīng)零漂處理后，最大應(yīng)變相對偏差減小，相對偏差更加穩(wěn)定。

4 結(jié)束語

本文針對動態(tài)應(yīng)變激光絕對法校準(zhǔn)中采集電壓存在零漂的問題，提出了基于零線自動選取算法的數(shù)據(jù)處理方法，編制了數(shù)據(jù)處理軟件。經(jīng)試驗表明，零漂處理提高了應(yīng)變片靈敏系數(shù)校準(zhǔn)的可靠性與準(zhǔn)確性，降低了應(yīng)變最大相對偏差，為后續(xù)動態(tài)應(yīng)變校準(zhǔn)工作提供了一定的參考。