試飛測(cè)試系統(tǒng)壓力參數(shù)在線校準(zhǔn)方法與裝置

李紹闊，馮仁劍*，李盧丹，張玉琴

（1.精密光機(jī)電一體化技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（北京航空航天大學(xué)），北京 100191；2.中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院，陜西 西安 710089）

0 引言

壓力參數(shù)是試驗(yàn)機(jī)的常規(guī)必測(cè)參數(shù)，試驗(yàn)機(jī)的燃油系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)以及環(huán)控系統(tǒng)都需要進(jìn)行大量的壓力參數(shù)測(cè)試［1］。試飛測(cè)試系統(tǒng)是完成壓力參數(shù)測(cè)試的配套設(shè)備，包括傳感器、信號(hào)調(diào)節(jié)器、數(shù)據(jù)采集器和數(shù)據(jù)記錄器［2］。為確保壓力測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠，實(shí)現(xiàn)被測(cè)參數(shù)量值的溯源，需定期對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)。當(dāng)前的校準(zhǔn)方法為實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)技術(shù)較為成熟，但需將測(cè)試系統(tǒng)拆卸，存在易損壞設(shè)備接口和不能反映測(cè)試系統(tǒng)工作環(huán)境等問(wèn)題，而在線校準(zhǔn)適用于被校準(zhǔn)設(shè)備不宜拆裝的情況。但目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有建立適合于民機(jī)試飛測(cè)試系統(tǒng)壓力參數(shù)在線校準(zhǔn)的方法及規(guī)范，因此研究測(cè)試系統(tǒng)壓力參數(shù)在線校準(zhǔn)方法具有重要意義。

校準(zhǔn)環(huán)境由實(shí)驗(yàn)室移到了現(xiàn)場(chǎng)，在線校準(zhǔn)過(guò)程中需充分考慮溫濕度和大氣壓等環(huán)境因素對(duì)校準(zhǔn)結(jié)果的影響［3］。國(guó)內(nèi)外已有諸多研究人員對(duì)在線校準(zhǔn)技術(shù)進(jìn)行研究。楊懿和陳文麗［4］等人研究了一種液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)壓力測(cè)量系統(tǒng)在線校準(zhǔn)方法，通過(guò)三次樣條插值法對(duì)壓力傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償，降低了環(huán)境溫度對(duì)傳感器的影響。趙靜和李鑫武［5］開(kāi)展了壓力儀表在線校準(zhǔn)環(huán)境影響因素試驗(yàn)研究，分析了不同環(huán)境溫濕度對(duì)壓力表和數(shù)字壓力計(jì)的影響，為壓力在線校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)補(bǔ)償提供了依據(jù)和參考。Yeung H和Lane BM［6］等人于2020年首次提出了用于傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真的框架，從而能夠?qū)Χ喾N具有可重復(fù)性和可擴(kuò)展性的在線校準(zhǔn)策略進(jìn)行系統(tǒng)的比較。Yoon S［7］針對(duì)空氣處理單元中傳感器在線校準(zhǔn)的局限性，結(jié)合自動(dòng)編碼器和貝葉斯推理，提出了一種改進(jìn)的傳感器在線校準(zhǔn)方法，使用三步策略構(gòu)造自動(dòng)編碼器輸入變量，并采用新的距離函數(shù)，達(dá)到了良好的校準(zhǔn)效果。

基于上述理論研究，本文提出了一種試飛測(cè)試系統(tǒng)壓力參數(shù)的在線校準(zhǔn)方法，構(gòu)建了標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器在溫度復(fù)合下的溫度補(bǔ)償模型，并研制了在線校準(zhǔn)裝置，通過(guò)初步試驗(yàn)驗(yàn)證了校準(zhǔn)方法的合理性。研究結(jié)果對(duì)降低校準(zhǔn)的人力和時(shí)間成本，提高飛行試驗(yàn)效率具有重要意義。

1 壓力參數(shù)在線校準(zhǔn)

1.1 壓力參數(shù)在線校準(zhǔn)方法

在線校準(zhǔn)根據(jù)工作方式可分為接入式校準(zhǔn)和非接入式校準(zhǔn)［8］。本方法采用接入式校準(zhǔn)，通過(guò)接入更高精度的標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器，進(jìn)行比對(duì)校準(zhǔn)。

試驗(yàn)機(jī)上各種管路縱橫交錯(cuò)，壓力源輸出壓力通過(guò)各種開(kāi)關(guān)閥體達(dá)到各自系統(tǒng)進(jìn)行各自相應(yīng)的動(dòng)作。當(dāng)需要進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，將標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器安裝于事先預(yù)留的待測(cè)壓力的壓力支路，利用飛機(jī)管路介質(zhì)產(chǎn)生的壓力作為壓力源，通過(guò)記錄標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器的輸出，比對(duì)被校準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)壓力的輸出，達(dá)到在線校準(zhǔn)的目的。

1.2 壓力參數(shù)在線校準(zhǔn)技術(shù)指標(biāo)

測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量的壓力參數(shù)具有數(shù)量大、量程范圍寬（從0~50 MPa不等）的特點(diǎn)。為滿(mǎn)足測(cè)試系統(tǒng)不同壓力參數(shù)的校準(zhǔn)需求，需對(duì)校準(zhǔn)范圍進(jìn)行量程分段。通過(guò)對(duì)壓力參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，最終將標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器的量程范圍分為三種，見(jiàn)表1所示。

表 1 標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器的技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Specifications of standard pressure sensors

1.3 壓力參數(shù)在線校準(zhǔn)方案

試驗(yàn)機(jī)上壓力參數(shù)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)節(jié)器和數(shù)據(jù)采集器獲得，再通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸或保存在測(cè)試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)記錄器。校準(zhǔn)時(shí)，試驗(yàn)機(jī)正常工作提供壓力源，校準(zhǔn)管理計(jì)算機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)方式或脈沖編碼調(diào)制（PCM）方式與測(cè)試系統(tǒng)通信獲取被校準(zhǔn)壓力測(cè)試單元的壓力測(cè)量值，同時(shí)通過(guò)壓力校準(zhǔn)裝置獲取壓力標(biāo)準(zhǔn)值以及環(huán)境溫濕度和大氣壓，最后通過(guò)對(duì)壓力標(biāo)準(zhǔn)值和測(cè)量值分析處理，得出被校準(zhǔn)壓力測(cè)試單元的校準(zhǔn)精度并生成校準(zhǔn)報(bào)告。壓力參數(shù)在線校準(zhǔn)示意圖如圖1所示。

圖1 壓力參數(shù)在線校準(zhǔn)示意圖Fig.1 Schematic diagram of field calibration of pressure parameters

2 標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器

根據(jù)壓力參數(shù)在線校準(zhǔn)技術(shù)指標(biāo)，選擇標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器。0 ~ 0.5 MPa和0 ～5 MPa量程的傳感器為數(shù)字輸出型，0 ～ 50 MPa量程的傳感器為模擬電流輸出型。校準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)為寬溫環(huán)境，為保障校準(zhǔn)工作的順利進(jìn)行，傳感器需能夠在0 ～ 50 ℃的環(huán)境正常工作。數(shù)字輸出型傳感器采用數(shù)字化誤差補(bǔ)償技術(shù)已實(shí)現(xiàn)傳感器的線性、零點(diǎn)、溫漂、蠕變等性能參數(shù)的綜合補(bǔ)償；而該模擬電流輸出型傳感器為硅壓阻型傳感器，其輸出受溫濕度和電源波動(dòng)等因素的影響，其中溫度是主要的影響因素［9］。因此需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得該傳感器在溫度復(fù)合情況下的量值特性規(guī)律，構(gòu)建溫度補(bǔ)償模型。

目前常用的溫度補(bǔ)償方法主要分為硬件補(bǔ)償和軟件補(bǔ)償。硬件補(bǔ)償通過(guò)優(yōu)化測(cè)量電路的溫度敏感特性實(shí)現(xiàn)，存在補(bǔ)償方法復(fù)雜，通用性較弱等缺點(diǎn)，不能滿(mǎn)足工程應(yīng)用要求［10］。軟件補(bǔ)償通過(guò)構(gòu)建溫度復(fù)合下待測(cè)壓力與傳感器輸出的函數(shù)關(guān)系實(shí)現(xiàn)，主要分為人工智能和數(shù)值計(jì)算兩類(lèi)［11］。試飛測(cè)試系統(tǒng)壓力參數(shù)校準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度動(dòng)態(tài)變化，要求溫度補(bǔ)償模型具有低復(fù)雜度、高補(bǔ)償速度的特點(diǎn)?；谌斯ぶ悄艿难a(bǔ)償方法對(duì)樣本規(guī)模與樣本質(zhì)量要求較高，且補(bǔ)償效果正比于模型復(fù)雜度，不利于在線補(bǔ)償；而數(shù)值計(jì)算的方法具有對(duì)建模數(shù)據(jù)要求不高、補(bǔ)償速度快的特點(diǎn)，易于實(shí)現(xiàn)在線補(bǔ)償［12-14］。本文提出了一種在全溫區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上，采用最小二乘擬合原理和線性插值原理構(gòu)建溫度補(bǔ)償模型的方法。

壓阻式壓力傳感器的溫度漂移主要由熱零點(diǎn)漂移、熱靈敏度改變和熱遲滯效應(yīng)造成［15］。通過(guò)測(cè)試，0 ~ 50 MPa量程壓力傳感器的輸出和溫度呈一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，即傳感器的熱重復(fù)性較好，可以忽略熱遲滯效應(yīng)帶來(lái)的測(cè)量誤差。通過(guò)數(shù)字補(bǔ)償方式，實(shí)現(xiàn)傳感器的熱零點(diǎn)和熱靈敏度誤差補(bǔ)償。

使用標(biāo)準(zhǔn)壓力發(fā)生器在0，5，10，15，20，25，30，35，40，45，50 ℃下對(duì)0 ～ 50 MPa量程傳感器進(jìn)行加壓測(cè)試，得到不同溫度下傳感器測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)值呈線性關(guān)系。在0 ℃的關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2 溫度0 ℃測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)值的關(guān)系Fig.2 Relationship between measured value and standard value at 0 ℃

傳感器的輸出電流經(jīng)過(guò)采樣電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，校準(zhǔn)軟件獲取電壓值后通過(guò)壓力-電壓關(guān)系式轉(zhuǎn)換為壓力值。其轉(zhuǎn)換關(guān)系為

式中：Pm為測(cè)量壓力值，MPa；U為電壓值，V。

對(duì)不同溫度下的測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行最小二乘擬合，得到測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)值的關(guān)系式，并由此得到不同溫度下修正后的壓力-電壓關(guān)系式。不同溫度下，關(guān)系式的斜率和截距如圖3所示。

圖3 斜率和截距隨溫度的變化曲線Fig.3 Variations of slope and intercept with temperature

傳感器的溫度補(bǔ)償通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)，補(bǔ)償方式為：①軟件啟動(dòng)時(shí)自動(dòng)加載0，5，10，15，20，25，30，35，40，45，50 ℃下傳感器的壓力-電壓關(guān)系式的斜率和截距數(shù)據(jù)，讀取校準(zhǔn)裝置中溫度傳感器的測(cè)量值T；②根據(jù)測(cè)量值T，通過(guò)線性插值的方式計(jì)算該溫度下傳感器壓力-電壓關(guān)系式的斜率a和截距b；③獲取輸出電壓值U，根據(jù)關(guān)系公式，將電壓值轉(zhuǎn)換為壓力值。

3 壓力參數(shù)在線校準(zhǔn)裝置

3.1 校準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)壓力參數(shù)校準(zhǔn)需求，溫濕度和大氣壓傳感器用于獲取校準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境信息，并最終記入校準(zhǔn)報(bào)告。同時(shí)校準(zhǔn)軟件根據(jù)溫度測(cè)量值對(duì)0~50 MPa量程的標(biāo)準(zhǔn)傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償。對(duì)校準(zhǔn)裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。各傳感器的數(shù)據(jù)傳輸方式見(jiàn)表2所示。

表2 傳感器的數(shù)據(jù)傳輸方式Tab.2 Data transmission method of sensor

圖4 校準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of the structure of calibration device

校準(zhǔn)裝置實(shí)物圖及內(nèi)部連接圖如圖5所示。

圖5 校準(zhǔn)裝置實(shí)物圖及內(nèi)部連接圖Fig.5 Physical drawing and internal connection diagram of calibration device

3.2 校準(zhǔn)裝置不確定度分析

3.2.1數(shù)字輸出型傳感器的不確定度評(píng)定

0 ~ 0.5 MPa和0 ~ 5 MPa量程傳感器的最大允許誤差分別為±0.1 kPa和±1 kPa，且都服從均勻分布，傳感器的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

式中：uc1為傳感器的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，kPa；MPEV為傳感器的最大允許誤差絕對(duì)值，kPa。由此得到，0~0.5 MPa量程傳感器的不確定度為0.071 kPa，0 ~5 MPa量程傳感器的不確定度為0.71 kPa。

3.2.2模擬輸出型傳感器的不確定度評(píng)定

0 ~ 50 MPa量程的傳感器為電流輸出型。傳感器的輸出電流經(jīng)過(guò)采樣電阻轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)A/D采集電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)由A/D-USB模塊傳輸。中間的轉(zhuǎn)化步驟引入了新的不確定度分量，不確定度分量包括傳感器的不確定度，采樣電阻的不確定度和A/D采集電路的不確定度。

1）傳感器引入的不確定度分量

傳感器的最大允許誤差為σS=±20 kPa，且服從均勻分布，傳感器的不確定度為

2）采樣電阻引入的不確定度分量

電路中采樣電阻由兩個(gè)貼片電阻并聯(lián)組成。貼片電阻為高精度電阻，電阻型號(hào)為CAST RJ 711- 0.25 W，電阻的溫度特性為1×10-5Ω/K，年穩(wěn)定性≤0.005%。貼片電阻的誤差為

式中：σr為貼片電阻的誤差，Ω；Tc為實(shí)際環(huán)境溫度，K；Tb為貼片電阻的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度，298.15 K；Cr為貼片電阻的溫度特性。

在0 ~ 50 ℃環(huán)境下，采樣電阻的最大允許誤差為σR=±1.25×10-4Ω，且服從均勻分布，采樣電阻的不確定度為

3）A/D采集引入的不確定度分量

校準(zhǔn)裝置使用的A/D采集卡為NI USB - 6002系列數(shù)據(jù)采集設(shè)備，依據(jù)使用手冊(cè)中的數(shù)據(jù)，A/D采集的誤差為σAD=±0.31 mV，且服從均勻分布，A/D采集的不確定度為

4）合成不確定度

傳感器在正常工作范圍內(nèi)其電流值和壓力值呈線性關(guān)系。量程為50 MPa，電氣輸出量程為16 mA，測(cè)量輸出量的靈敏系數(shù)cI=0.32 mA/MPa。壓力-電流轉(zhuǎn)換關(guān)系為

式中：F為壓力值，MPa；I為傳感器輸出電流，mA；σS為傳感器測(cè)量誤差，MPa。

傳感器的合成不確定度為

式中：ucF為傳感器的合成不確定度，MPa；ucI為輸出電流的不確定度，mA；ucS為傳感器的不確定度，MPa。

電路中電流-電壓關(guān)系式為

輸出電流的不確定度為

式中：R為采樣電阻阻值，取278.59 Ω；U為電壓值，mV。

結(jié)合式（8）和（10）可得傳感器的合成不確定度的最大值約為14.547 kPa。

4 在線校準(zhǔn)軟件

壓力參數(shù)在線校準(zhǔn)軟件基于QT設(shè)計(jì)完成，主要用于采集在線校準(zhǔn)裝置的測(cè)量數(shù)據(jù)和被校準(zhǔn)壓力測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)量數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理最終生成校準(zhǔn)報(bào)告。壓力參數(shù)在線校準(zhǔn)軟件的流程如圖6所示。

圖6 在線校準(zhǔn)軟件的流程圖Fig.6 Flow chart of field calibration software

在線軟件的主要功能為：

1）解析并保存試飛測(cè)試系統(tǒng)配置信息

試飛測(cè)試系統(tǒng)的配置文件為XidML格式，文件內(nèi)容包括測(cè)試系統(tǒng)的IP地址和端口號(hào)等通信所需信息。初次使用校準(zhǔn)軟件時(shí)選擇需要解析的XidML配置文件，程序自動(dòng)對(duì)該配置文件進(jìn)行解析，并將解析的信息顯示到程序UI界面，同時(shí)將解析的全部信息保存到SQLITE數(shù)據(jù)庫(kù)，待下次打開(kāi)軟件時(shí)自動(dòng)從數(shù)據(jù)庫(kù)加載配置信息，無(wú)需再次解析。

2）采集校準(zhǔn)裝置中各傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)

在線校準(zhǔn)軟件通過(guò)定期對(duì)0 ~ 0.5 MPa量程傳感器和0 ~ 5 MPa量程傳感器發(fā)送串口指令，接收兩個(gè)傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)。0 ~ 50 MPa量程傳感器、溫濕度傳感器和大氣壓力傳感器的輸出為模擬信號(hào)，通過(guò)采樣電路與A/D - USB模塊將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并傳輸至在線校準(zhǔn)軟件。在線校準(zhǔn)軟件在程序界面實(shí)時(shí)顯示校準(zhǔn)裝置各傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)。

3）獲取被校準(zhǔn)壓力測(cè)試單元的測(cè)量數(shù)據(jù)

被校準(zhǔn)壓力測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)或PCM形式傳輸至在線校準(zhǔn)軟件。在線校準(zhǔn)軟件對(duì)來(lái)自被校準(zhǔn)壓力測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)量值進(jìn)行解析，轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制的數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)顯示在程序主界面。

4）生成校準(zhǔn)報(bào)告

在線校準(zhǔn)軟件同時(shí)獲取校準(zhǔn)裝置中各傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)和被校準(zhǔn)壓力測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)量數(shù)據(jù)，并以固定格式顯示到程序界面，待獲取數(shù)據(jù)完成后，即可選擇生成校準(zhǔn)報(bào)告功能，程序會(huì)自動(dòng)將校準(zhǔn)數(shù)據(jù)保存到指定的Excel表格中，生成校準(zhǔn)報(bào)告。

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

使用范圍-100 ~ 100 kPa至0 ~ 10 MPa，準(zhǔn)確度等級(jí)0.01級(jí)和范圍1 ~ 60 MPa，準(zhǔn)確度等級(jí)0.005級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)壓力發(fā)生器對(duì)在線校準(zhǔn)裝置進(jìn)行校準(zhǔn)，其校準(zhǔn)過(guò)程為：①將校準(zhǔn)裝置置于20 ℃環(huán)境中，靜置2 h；②使用標(biāo)準(zhǔn)壓力發(fā)生器對(duì)校準(zhǔn)裝置的壓力傳感器均勻加壓至傳感器量程上限，然后再均勻減壓至量程下限，并記錄校準(zhǔn)數(shù)據(jù)；③借助溫控箱將校準(zhǔn)裝置分別置于0 ℃和50 ℃環(huán)境中，重復(fù)步驟②。校準(zhǔn)結(jié)果見(jiàn)表3所示。

表3 標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器校準(zhǔn)結(jié)果Tab.3 Calibration results of standard pressure sensor

由表3可知，0 ~ 0.5 MPa，0 ~ 5 MPa和0 ~ 50 MPa量程的標(biāo)準(zhǔn)壓力傳感器，在0，20，50 ℃下的不確定度的最大值分別為0.032，0.4，16 kPa，全部達(dá)到了預(yù)期技術(shù)指標(biāo)，所設(shè)計(jì)的校準(zhǔn)裝置準(zhǔn)確可靠。

6 結(jié)論

針對(duì)試驗(yàn)機(jī)壓力參數(shù)眾多且量程范圍不一的問(wèn)題，提出了分段校準(zhǔn)的方法，選取三個(gè)不同量程和不確定度的傳感器作為標(biāo)準(zhǔn)傳感器。針對(duì)校準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度動(dòng)態(tài)變化，0 ~ 50 MPa量程標(biāo)準(zhǔn)傳感器存在溫度漂移的問(wèn)題，通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得了標(biāo)準(zhǔn)傳感器在不同溫度的壓力-電壓關(guān)系模型，并通過(guò)在線校準(zhǔn)軟件實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)溫度補(bǔ)償。最后通過(guò)校準(zhǔn)驗(yàn)證了在線校準(zhǔn)裝置的可靠性。該在線校準(zhǔn)方法能夠有效降低校準(zhǔn)周期，為提高飛行試驗(yàn)的效率奠定了基礎(chǔ)。