液體火箭發動機地面試車應變數據采集系統研制

王文龍，趙政社，混 平，耿 直

（西安航天動力試驗技術研究所，陜西西安710100）

0 引言

地面試驗是液體火箭發動機研制、交付過程中一個必不可少的重要環節，具有風險高、耗資高、系統復雜等特點。試驗過程中伴隨著強震動、高溫、高壓等各種極限環境條件。通過地面試車，獲得火箭發動機的各項性能參數，對發動機的工作狀態進行鑒定和判斷。隨著近年來液體火箭發動機技術的快速發展，地面試車中需要測試的參數數量、參數種類越來越多，對于測試數據的可靠性、準確性要求也越來越高。試驗系統部分數據采集設備無法滿足現在大規模、實時性、高速率、高穩定性等要求。由于液體火箭發動機試驗的國防特殊性和惡劣的試驗環境，自行研制針對液體火箭發動機地面試驗的數據采集系統是目前的主要手段。本文就是基于地面試驗應變數據測試的要求，采用目前比較主流的NI硬件解決方案，結合試驗系統靈活性、可靠性要求。研制開發了一套功能全、適應性強的數據采集系統。

1 應變數據測試

1.1 測試原理

應變是對物體變形程度的反應，是研究構件在載荷和溫度條件下內外部應力和變形的分布情況，特別需要確定危險部位的最大應力和變形。

目前常用的應變測試技術是電阻應變測試。它是采用電阻應變片作為傳感元件將構件表面應變轉化為電阻變化，然后使用采集系統的配橋電路把電阻變化轉換成點壓或電流變化，經過采集系統放大并記錄，通過數據處理將電壓值換算為應變值。最終根據材料等換算出應力。

應變片測試應變的工作原理是基于金屬絲的電阻隨氣機械變形而變化的一種特性。取長度為L，截面積為A，電阻率為ρ的金屬絲，則其電阻R為

通過換算可得

式中：K為電阻絲的靈敏度系數。由公式（2）可知，電阻絲的電阻變化率與應變值是線性關系，因此就可以通過測試應變片的電阻變化來獲得應變值，在實際測試中，電阻變化被轉換為電壓量的變化，計算公式為

式中：ε為應變值；B為線性的斜率；V為實測電壓值；V0為原始電壓值。

1.2 測試需求

地面試車中，特別是研制型號發動機地面試車，需要對發動機各構件、各危險點及薄弱環節在工作狀態下的應力應變值進行測試與分析，以確定其設計強度的安全性、適用性。

在某研制型號發動機試驗中，要求測試應變參數，技術要求如下：

1)通道容量：22路；

2)采樣速率：100 Hz/單通道；

3)橋接方式：1/4橋接

4)濾波：10 Hz、100 Hz可選

5)增益：1～1000倍；

6)輸出范圍：－5 V～5 V；

7)測試精度：≥0.05%；

8)系統穩定性：≥0.05%；

9)采樣時長：≥1000 s。

除了測試任務的技術要求外，試驗系統對采集系統的使用要求如下：

1)抗震性：由于火箭發動機試驗具有強震動的特點，采集系統需要具有較強抗震性；

2)抗干擾：地面試驗系統有龐大復雜的控制、測試系統，整個系統有很多電子設備和電纜，抗干擾性也是采集系統的一項重要指標；

3)冗余度和可擴展性：試驗系統是針對多個發動機型號的，測試需求有隨時變化的可能，新建系統需要具備一定的冗余度和可擴展性；

4)綜合性和靈活性：考慮試驗區需求，新建系統的研制方向是一套功能較全面、系統較靈活的分布式采集系統。

2 系統集成方式

根據測試需求，通過市場調研，擬采用NI測試系統解決方案，以NI數據采集設備為核心，建立應變數據采集系統，系統組成如圖1所示。

圖1 應變系統組成示意圖Fig.1 Composition of strain parameter measurement system

2.1 采集設備

采集設備是整個數據采集系統的核心，主要功能是通過橋路獲取應變傳感器的電信號值，通過A/D轉換和信號處理后，實時傳輸至系統主機。數據采集設備主要由信號調理器和數據采集卡兩部分組成。

1）信號調理器：信號調理是前端傳感器信號進入采集系統的入口設備，包括配橋電路、濾波電路、放大電路等。調理電路將應變片的電阻量弱小變化轉換為適合的、穩定的電壓量變化。所選信調器共具有32路模擬量采集通道，信號增益1～1000程控可調，截止頻率為10 Hz，100 Hz，1 kHz及10 kHz四檔可調，接入方式支持1/4橋、1/2橋和全橋，信號調理滿足測試需求。

2）數據采集卡：數據采集卡是將經過調理的模擬量信號通過A/D轉換轉變為所需數字量信號，它提供了250 kHz的采樣速率、差分輸入方式、A/D轉換分辨率為16位，輸入范圍為±10 V，滿足測試需求。

2.2 系統主機

為了提高數據存貯量和使系統可擴展性提升，選用外接計算機主機的方式，系統主機與采集設備通過通訊卡連接，通訊卡將采集信號傳入系統主機進行存儲、顯示、輸出、處理。計算機主機進行采集、處理等功能是依靠相應軟件來實現的，通過開發數采系統軟件，完成采集、校驗、處理功能。

2.3 校驗設備

為了提高測試精度，在每次試驗前都進行采集系統現場校驗，采用現場校驗斜率進行數據計算與提供。系統校驗設備采用電阻箱式的標準模擬應變校準器，設備可提供1～50000 uε應變輸入范圍，正負兩個方向的校準方式。設備大小與NI機箱基本相同，搬運方便，可進行前端現場校驗。校準儀的校準原理是模擬電阻絲應變片應變值與電阻值的變化關系，當加入一定量的應變值時，校準儀實際上是向采集系統輸入了一個變化后的電阻值，模擬了電阻絲應變片的實際變化情況。通過采用現場校驗的方式，保證了數據采集精度。

2.4 輔助設備

系統集成還需要系統機柜、轉接環節、電源及通訊等其他輔助設備。系統機柜是將除采集計算機外的其他硬件進行集成的設備，他提供了用于放置、固定設備的托盤、背板及盲板，同時還提供風扇、系統電源、走線通道及轉接背板等，保證了采集設備的抗震性、抗干擾性和穩定性。轉接環節是指前后端連接的電纜在進入機柜時的接入環節，這個環節的功能是將應變傳感器或校驗設備按照通道對應接入采集設備。通訊環節是指在機柜中集成該系統與試車指揮、前端人員進行語音通訊的接入設備。通過輔助設備將各個系統組件集成在一起，建立成完整的數據采集系統。

3 軟件開發策略

3.1 開發思路

依據測試需求、試驗區使用要求特點和保持與其他數據采集系統的通用性，不采用NI解決方案常規的NI-labview或LabwindowsCVI。而使用VB6.0軟件開發平臺，需要對NI為VB提供的底層驅動函數功能全面掌握，基于底層驅動函數，按照測試需求和可擴展性要求，開發新的數據采集系統軟件。

軟件開發基于綜合性和可擴展性需求，盡可能的挖掘采集設備潛力，使系統具備各種模擬量信號（應變、壓力、溫度、位移）采集、處理能力和開關量信號的采集能力。軟件應實現增益、濾波、配橋方式、采樣速率、激勵源等各種參數的程控可調，滿足系統綜合性測試要求。

3.2 軟件組成

依據開發思路，構建軟件模塊與功能（如圖2所示）。

1） 采集模塊：完成硬件初始化設置，包含采集類型（激勵電壓方式、應變方式和電壓方式）、采集參數設置功能；數據實時采集、實時存儲、實時顯示以及零位記錄功能。

2） 校驗模塊：完成系統通道的校驗，獲得通道的斜率、截距和S2值（標準差值）功能。

3）處理模塊：實現對原碼的讀取，進而進行不同段（過渡段、平穩段）和不同的計算方式（毫伏數、初算、復算）的數據處理、打印功能。

圖2 緩應變采集系統軟件框圖Fig.2 Software frame diagram of strain parameter acquisition system

4 關鍵技術突破

應變數據采集系統的設計需求是系統就具有綜合采集處理能力、有高可靠性、有較強的靈活性和良好的可擴展性。各種地面試驗的具體要求給系統研發提出以下問題。

1）硬件驅動技術：正確合理地進行硬件集成，有效地驅動硬件，最大限度的發掘硬件的潛力，使系統具有采集多種參數的能力。

2）異步時鐘統一技術：讓采集時間信號的數字量采集卡與采集數據的模擬量采集卡的時鐘達到統一，確保采集數據在試驗時間序列上的準確性。

3）可靠性技術：使硬件集成、軟件開發有高可靠性，讓軟件使用更加簡便，并具有較強的容錯性。

4）抗干擾技術：針對小信號、遠距離測量的特點，有效抑制干擾，提高信號質量。

5）系統柔性開發技術：使軟、硬件具有較強的冗余度和可擴展性。

4.1 系統硬件驅動技術

基于VB6.0開發平臺的NI硬件設備驅動是系統研制的核心技術。系統硬件設備共提供了基于VB6.0的底層驅動函數。驅動函數是與系統硬件交互唯一途徑，要全面的使用硬件功能，最大限度的開發硬件，就需要對這些驅動函數進行熟練的掌握與學習，學習的重要環節是進行測試，測試的方法一般是通過信號發生器對板卡輸入一個標準信號，然后通過改變不同的函數設置，來觀察采集結果的變化，以掌握函數功能。這是能夠基于VB6.0成功開發NI硬件的基礎。

除了NI設備提供的底層驅動函數外，根據需求，開發適用于軟件需求的專用函數是開發的關鍵，專用函數應重點考慮通用性、容錯性及運行效率。專用函數主要用于實現源碼獲取、板卡配置、啟動采集、源碼保存及采集停止等功能。

具備了底層函數和專用函數后，按照軟件組成和開發思路進行軟件開發，開發流程為可行性評審、軟件架構、代碼編寫、軟件測試及軟件投資。對于程序要進行充分調試，最終實現可靠的進行硬件驅動。

系統硬件驅動的重要基礎就是系統集成方式的正確性與適用性。硬件集成方式是在綜合考慮系統特點，采集參數特點，工作環境等因素來進行的。首先，由于本系統主要用于采集應變數據，另依據系統冗余度和可擴展性要求，選擇32通道的模擬量輸入和開關量輸入功能。模擬量輸入可以采集應變、壓力、溫度、位移等參數。數字量通道可以用來采集點火、關機時統信號，還可以采集開關量、階段、相位等信號。系統集成主要包含以下幾種方式。

1）系統轉接方式

系統主要應用于應變參數的采集，介紹應變采集的系統接入方式，應變采集使用三線制、后端配橋的方式，電纜使用4*0.5規格電纜（使用3芯），前端設置轉接箱，將主電纜接入轉接箱，進行編號，和后端一一對應，轉接箱中通過活動電纜連接至安裝在發動機上的傳感器。后端在機柜后面設置轉接板，主電纜直連接在轉接板上，從轉接板引出一段電纜進入采集系統的接線端子，接線端子中按照1/4橋路的配橋方式接入。具體接線如圖3所示。

圖3 接線方式示意圖Fig.3 Diagram of wiring method

2）校準方式

系統校準采用電阻模擬應變校準儀，考慮到采集系統的供源方式為恒壓源，而前端傳感器到后端采集系統電纜總長達300 m以上，線路電阻對系統精度的影響較大，因此，采用前端校準的方式，消除線路電阻影響。即：將校準儀搬至前端轉接箱處，接入轉接箱的對應通道，加入不同的標準值，后端采集系統采集后，使用標準值與獲得采集數擬合曲線，獲得系統斜率。

硬件集成與軟件開發過程中，需要反復進行硬件、軟件的調試，對于硬件集成不合理的地方進行更改，對于軟件調試中的各種問題進行處理，最終實現軟件對硬件的正確、可靠驅動。

4.2 可靠性技術

在火箭發動機試車中，系統可靠性是一個至關重要的方面，需要在系統研制的各個方面確保可靠性。

采集處理系統的可靠性首先是硬件設備的可靠性，硬件集成選用成熟的NI解決方案，接插件使用高可靠性自鎖接插件，對于焊接制作的轉接環節，嚴格控制工藝，逐點檢查，確保工藝制作可靠性。

在軟件設計時，硬件層的程序全部采用基于硬件提供驅動函數的開發，硬件采集使用雙進程方式，一個進程專用于數據采集和數據存儲，另一進程主要用于對記錄參數的實時數字量顯示（含毫伏數和物理量值顯示切換）。兩進程間通過映射方式，使數據采集、存儲、顯示互相關聯，又互不影響。保證了硬件層程序的可靠性，

軟件服務層的數據保存、數據處理過程中，系統信息、校驗信息、零位信息等采用Access數據庫進行保存，數據采用原碼自動保存方式，同時自動在專用數據備份目錄中進行數據備份，保證了數據的安全可靠。

硬件與軟件交互時，硬件有可能出現未知的錯誤，如：未打開硬件、未接入信號、硬件插槽有誤等情況，那么，軟件的容錯性就顯得尤為重要，在硬件配置、采集、數據存儲過程中如果出現錯誤，則程序應具有錯誤出口、錯誤提示等功能。因此，在進行軟件開發時，對于每個與硬件交互的函數中，都提供了錯誤出口，并且基于錯誤位置給出了相應的提示。這些錯誤出口和提示在軟件的調試過程中發揮了很大的作用，基于錯誤提示，就可以尋找相應的錯誤位置，就可以對該位置的程序進行檢查、修正等。

4.3 抗干擾技術

應變數據采集系統所采集的參數信號屬于弱小信號，即信號大小通常在毫伏級，小信號測量中比較重要的一個環節就是抑制干擾。信噪比的大小影響著所采信號的準確性和可靠性，抗干擾技術是從硬件和軟件兩個方面來進行的。

硬件方面，一是有效接地，通過試驗對比，接地方式為對采集系統硬件機箱一端進行接地，一端接地的方式避免了地勢電位差；二是制作系統屏蔽，應變采集為3線制，在制作電纜時，焊接主電纜屏蔽，有效降低傳輸過程中的噪聲干擾；三是選擇程控濾波器，硬件設備上選擇具有較大可調范圍的程控濾波器，便于按照信號穩定度對濾波進行隨時調整。

軟件方面，一是通過有效截止頻率輸入，來抑制噪聲，通過進行多次采集試驗，得到穩定的截止頻率值；二是對數字濾波方式，采集數多點平均，對于校驗過程中每個采集點采用多點平均方式，保證采集數據的平穩性；三是在數據處理軟件中，對無效、異常參數進行剔除。

這些措施，有效的解決了小信號測量中的干擾問題。

4.4 異步時鐘統一技術

系統包含了模擬量采集功能和數字量采集功能，兩種采集硬件都有獨立的時鐘，在發動機試車過程中，對于時鐘精度要求非常高，通常要求1000 s的累計時間誤差小于10 ms。因此，兩種采集硬件異步時鐘能否達到高精度統一非常重要，系統中數據采集的時鐘是采集設備的硬件時鐘，硬件時鐘具有非常高的時鐘精度，達到納秒級，硬件時鐘通過軟件配置后下載到板卡來實現，而兩塊采集卡的時鐘統一是通硬件設備的時鐘進行同步，通過軟件配置數字量和模擬量采集設備的硬件采集時鐘，硬件時鐘同步性遠高于軟件同步性，通過多次測試，系統累計誤差與其他系統保持一致，滿足要求。數據存取使用的是基于VB的高精度TIMER。滿足了高采樣速率下的數據存取、能夠保證采集卡緩存正常不溢出。

4.5 系統柔性開發技術

系統的設計目標是研制一套基于應變參數采集，集多類型、多測點的數據采集、校驗、處理為一體的綜合數據采集處理系統，要求系統具有很強的柔性。

系統通道有1/3備份、選用的混合式多槽采集機箱可以擴展PXI、SCXI多種設備，采用了多樣性的信號接入方式，軟件上具有多類型參數設置、各種設備配置（采樣速率、橋路方式、濾波、激勵源等）均可調。處理軟件集合了壓力、溫度、應變等多參數處理能力。

系統柔性開發的理念，貫穿了系統調研、方案制定、硬件集成、軟件開發、系統調試的整個過程。目前，通過簡單改造，系統已應用于高采樣速率的（5 kHz/單通道）動應變參數的采集，證明研制的應變數據采集系統達到了柔性化開發目標。

5 系統驗證

系統開發完成后，進行系統調試。分別從采集數據的準確性、校驗數據的正確性與線性度、采集數據的穩定性、數字量通道驗證、系統的可靠性五個方面進行調試驗證。

表1、表2、表3分別給出了應變值、電壓值、長程數據的比對結果。

表1 應變值對比Tab.1 Comparison of strain values

調試結果：系統采集的數據與標準源加載值的相對誤差范圍在千分之一以內，系統所采集的數據正確。

表2 電壓值對比Tab.2 Comparison of voltage values

調試結果：理論計算的加載電壓值與采集系統測量電壓值的相對準確度都在99%以上，系統所采電壓值與加載電壓值一致，數據正確。

表3 長程數據對比Tab.3 Comparison of long duration data

調試結果：通過2次長時間的連續采集，第一次采集時間12916 s，數據文件大小322900 KB，時間文件大小10091 KB；第二次采集時間12090 s，數據文件大小302250 KB，時間文件大小9446 KB，檢查所采集到的數據文件、時間文件完整，經過處理，數據和時間均正確，數據在長時間采集中穩定在2 μv的差值范圍內，由此驗證了長程采集時的數據穩定可靠，系統長時間采集穩定。

系統還進行了工況模擬驗證、軟件功能測試、校驗數據線性度對比等全面的系統調試工作，調試結果證明，系統各項指標、功能均正常，達到了設計要求。

研制的應變數據采集系統至今已承擔地面熱試任務10次以上，采集參數200個以上，采集時間超過5000 s，系統采集數據正常、時統信號與其他系統一致，為試驗提供了準確可靠的數據報告。

6 結論

研制的緩應變數據采集系統是集數據采集、數據處理、數據分析、通道校驗為一體的液體火箭發動機地面試驗測試設備，具有多類型、多通道參數采集的特點，系統實現最大程度的程控操作，功能完善、操作簡便、性能穩定可靠。滿足液體火箭發動機地面試車中的參數采集、數據分析、處理的要求，滿足研制需求。

新系統的研發突破了多項關鍵技術，具有獨立硬件集成和軟件開發特點的綜合性數據采集處理系統。采集設備選用模塊化PXI和SCXI結合的總線方式，具有較強的可擴展性，軟件開發過程進行了軟件可行性評審、軟件架構、代碼編寫、軟件測試等開發技術。使軟件的可靠性得到了保證，實現了VB6.0平臺對NI采集硬件的深度開發。

經過調試與一段時間的與地面熱試使用，新系統滿足設計指標，采集數據準確可靠，已作為試驗區應變數據測量的主系統，成為其他特殊信號、小信號測量的輔助系統、也成為關鍵參數測量主系統的有效備份和補充。提升了試驗區的測量系統能力。

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