風洞天平校準裝置的技術特性和評定方法研究

羅天保，沈景鵬，黃 健，王作全

（中國空氣動力研究與發展中心校準測試實驗室，四川 綿陽 621000）

0 引 言

風洞天平是一種力和力矩傳感器，是用于航空航天飛行器研制做風洞測力試驗最重要的測量裝置，它對空氣動力載荷測量的準確度和可靠性不僅取決于其本身的性能，而且取決于對其校準的準確度和可靠性[1]。因此，國內外空氣動力試驗機構都重視風洞天平校準工作，在風洞天平校準方法研究和應用以及校準裝置的研制方面取得了一系列成果[2-3]；但業界對于如何評定風洞天平校準裝置性能還沒有統一的標準和規范，尤其是如何從計量角度定量考核評定風洞天平校準裝置的技術水平和校準能力還很少。

1 校準設備的計量現狀

目前國家和軍隊還沒有專門的風洞天平校準規范，風洞天平校準主要依據GJB 2244-1994《風洞應變天平規范》和GJB 4232-2001《激波風洞壓電天平設計準則》，僅有部分內容分別涉及到風洞應變天平校準和風洞壓電天平校準，僅對力源提出了要求，沒有對其他校準設備的技術特性提出控制要求[4-5]，主要的校準設備技術特性均未得到有效的計量控制。

風洞天平校準設備主要有校準架、加載臺（架）、傳力件（滑輪、連索等）、力源（砝碼、力發生器等）、調整裝置和控制系統、信號傳輸和數據采集系統，另外還有游標卡尺、水平儀、光學傾斜儀等部分量具[1]。為確保校準質量，所有需要使用的校準設備和測量器具都應該按照相關計量規程經檢定合格或校準符合要求才能使用。風洞天平校準過程可以看作是載荷量（力與力矩）的輸入和電信號輸出的過程，因此可以把天平校準裝置劃分為載荷量傳遞通道和電信號傳遞通道，兩條通道并行匯集到計算處理程序構成整個校準裝置，見圖1。電信號傳遞通道涉及到的各設備均有現成的計量規程和方法，而載荷量傳遞通道涉及到的各設備除力源以外，其他設備還沒有現成的計量規程和計量方法。

圖1 風洞天平校準裝置組成原理圖

因為個體技術特性不能代表系統的技術特性，僅對校準設備逐個（臺）進行計量檢定還不足以控制整套風洞天平校準裝置（系統）的技術特性以達到控制校準質量的效果。本文所指的風洞天平校準裝置是指由加載裝置（包括力源、校準架和加載臺等天平工作狀態模擬裝置）、調整裝置（包括角度和位移測量系統及控制系統）、信號傳輸和數據采集以及計算處理程序軟件所組成的一套完整的校準系統，見圖1。為確保量值傳遞和校準結果準確可靠，任何一套傳感器校準裝置（系統）是否具備校準某傳感器的能力，其校準能力和技術水平如何，這些都需要依據相關計量規程考核評定[6]。同樣，作為風洞天平這樣一種測力傳感器的校準裝置，風洞天平校準裝置的校準能力和技術水平也有必要考核評定。

2 校準裝置的考核評定

2.1 校準裝置的技術特性

因為目前國家和軍隊還沒有制定風洞天平校準裝置的校準規范，采用哪些技術特性來評定風洞天平校準裝置的技術水平和校準能力，在天平專業和計量專業都還沒有明確統一的標準和規范，本文從確保校準質量出發，通過分析校準裝置的功能，提出代表校準裝置技術水平和校準能力的5個技術特性指標供考核評定參考。

無論是采用體軸系坐標還是地軸系坐標，無論是采用單元校準方法還是多元校準方法，風洞天平校準裝置的基本功能就是按照校準流程把載荷表給出的載荷分布（載荷組合）施加在被校天平上，測量天平的輸出信號，根據載荷表與對應的天平輸出信號計算系數擬合天平公式，見圖2。

圖2 風洞天平校準裝置功能原理圖

天平公式是最重要的校準結果，它給出天平在一定的供橋電源下所承受載荷（載荷組合）與天平輸出信號值之間的關系，目前國內通用的天平公式[1]為

式中：F——施加的標準載荷；

ΔV——天平輸出信號值增量。式（1）中各項系數含義及來源見圖3，校準的主要目的就是求取圖3所示的各項系數。

圖3 風洞天平公式系數來源說明圖

一套絕對理想的校準裝置校準天平給出的天平公式，其各項系數應該完全來源于天平自身技術性能，即校準裝置引入的干擾量為零。由此提出“附加干擾”這一代表校準裝置準確度的技術特性，用它評定校準裝置對校準結果可能引入的干擾。

其次需要考核校準裝置的重復性，其意義在于為評定校準裝置技術水平的可靠性提供依據。重復性用來評定校準裝置在比較短的時間內，在相同環境條件、相同實驗室場所，由相同的校準人員采用相同的校準方法對同一臺天平（相同的供橋電源）校準給出相近校準結果的能力[7-8]。

對于校準裝置的技術水平除了要求“準”，還要求“穩”，即考核其穩定性。穩定性用來評定校準裝置的技術特性在一定期限內保持恒定的能力[7-8]。

上述3個技術特性是表征校準裝置準確度和穩定性的指標，用于評定校準裝置的技術水平。校準裝置的校準能力還需要采用另外2個指標來評定：（1）校準載荷范圍，相當于一般測量儀器的測量范圍，它決定了校準裝置所能校準多大載荷范圍內的天平。（2）天平公式系數組成項，主要考察公式系數中干擾項的組成，它與校準裝置對天平工作狀態的模擬能力有關，比如能不能給出縱橫向交叉干擾系數，反映了校準裝置是否具備做縱橫向交叉校準的能力。一般情況下，給出的公式系數項越完善，天平測量的準確度越高，同時也表明校準裝置的校準能力越強。

2.2 評定方法研究思路

對風洞天平校準裝置的技術水平和校準能力考核采用什么方法既能全面、準確、有效地評定又具有可操作性，一直是個難題。本文提出2條思路供參考。第1條方法思路可稱為“直接考核”，即借鑒一般的測量儀器特性考核方法[7-8]，建立“標準天平”和“標準校準裝置”，用被評定的風洞天平校準裝置來校準“標準天平”，其校準結果與用“標準校準裝置”對“標準天平”的校準結果進行比較。比如考核校準裝置的“附加干擾”這一技術特性，先用被評定校準裝置來校準“標準天平”，得到天平公式，然后在“標準校準裝置”上對“標準天平”施加多組載荷（組合），把“標準天平”輸出信號帶入天平公式得出的計算值與實際施加的標準載荷值比較，可以量化為

式中：n——在“標準校準裝置”上對“標準天平”施加載荷組數；

x′——施加的標準載荷值；

xi——把“標準天平”輸出信號帶入天平公式得出的計算值。

這種方法優點是容易實現量化考核，而且因為有了“標準天平”作為共同的測試標準，對于考核評定不同單位、不同坐標軸系（無論地軸系還是體軸系）和不同校準方法（無論單元校還是多元校）的各類風洞天平校準裝置具有統一性和客觀公正性。缺點是這種方法對“標準天平”和“標準校準裝置”的技術特性和性能要求相對較高，這對天平設計和生產加工技術提出了很高的要求，另外要根據不同校準架的校準載荷范圍以及不同的接口制作多臺“標準天平”和接口轉接件。

第2條方法思路可稱為“間接評定”，即分析影響校準裝置技術特性的來源，通過考核校準裝置各組件的技術性能來間接評定校準裝置的技術特性。舉例說明，根據圖2對校準裝置功能的分析，從校準結果來看，“載荷量”、“電信號”以及計算處理程序算法是決定校準裝置“附加干擾”這一技術特性的3個要素。

（1）分析天平實際承受的載荷分布（值）與對應載荷表給出的載荷分布（值）的偏差。因為計算處理程序是根據載荷表給出的載荷分布（值）來計算系數擬合天平公式的，所以該載荷量偏差是校準裝置引入干擾的來源之一。根據圖1對校準裝置組成的劃分，載荷量傳遞通道的設備組件的技術性能決定了該偏差量的大小。首先是力源、砝碼或力發生器與測量傳感器決定標準載荷的準確度；然后是校準架和加載臺因剛度不足在承載狀態下的變形，以及因生產加工尺寸偏差導致與天平接口安裝偏差和定位不夠牢固，滑輪的靜不平衡、摩擦力矩、橢圓度與輪心下垂等傳力件的誤差，以及調整裝置對校準姿態的角度位移測量和復位不準確等因素都會造成施加在天平各測量分量上的載荷分布與對應載荷表的載荷分布存在差異。所以逐一考核載荷量傳遞通道的設備組件的技術性能是間接評定校準裝置“附加干擾”的1個方面。

（2）分析采集到的信號數據與天平在對應載荷下的真實輸出信號的偏差。因為計算處理程序是根據采集到的信號數據來計算系數擬合天平公式，所以該電信號偏差同樣是校準裝置引入干擾的來源之一。根據圖1對校準裝置組成的劃分，電信號傳遞通道的設備組件的技術性能決定了該偏差量的大小。供橋電源不穩定、信號傳輸通道衰減和附加噪聲、數據采集設備的模數轉換和信號調理誤差等都是形成該電信號偏差的原因。所以逐一考核電信號傳遞通道的設備組件的技術性能是間接評定校準裝置“附加干擾”的第2個方面。

（3）即使載荷量和電信號的傳遞都很準確，如果計算處理程序計算系數有問題，擬合公式算法不合理，同樣會直接影響校準結果。因此考核計算處理程序是間接評定校準裝置“附加干擾”的第3個方面。

綜上所述，考核校準裝置組成設備的性能可以間接評定校準裝置的技術特性。第2條方法思路相比第1條方法思路，在技術上更容易實現，經濟成本也相對低，缺點是其評定結果在可信度和客觀公正方面不如第1條方法思路，但是對風洞天平校準裝置的技術水平和校準能力考核以及相互比對也是有效的依據。

3 結束語

考核評定風洞天平校準裝置性能水平是為了提高風洞天平校準技術水平和確保校準質量，本文提出了“附加干擾”、“重復性”、“穩定性”、“校準載荷范圍”和“公式系數組成項”等考核風洞天平校準裝置技術水平和校準能力的技術特性以及“直接評定”和“間接考核”2條評定方法研究思路，希望能填補定量考核評定風洞天平校準裝置這項計量空白。

[1]賀德馨.風洞天平[M].北京：國防工業出版社，2001.

[2]何瑾.高準確度風洞天平靜態校驗臺[J].計量學報，2003，24（4）：307-309.

[3]王金印.應變天平地軸校、體軸校對比的一些問題[J].流體力學實驗與測量，2005，19（2）：103-109.

[4]GJB 2244—1994風洞應變天平規范[S].北京：軍標出版社，1994.

[5]GJB 4232—2001激波風洞壓電天平設計準則[S].北京：軍標出版社，2001.

[6]魯紹曾.現代計量學概論[M].北京：中國計量出版社，1988.

[7]JJF 1094—2002測量儀器特性評定[S].北京：中國計量出版社，2003.

[8]國家質量監督檢驗檢疫總局計量司組編.測量儀器特性評定指南[M].北京：中國計量出版社，2003.