一種脈動壓力比對校準誤差修正數據處理方法

改造者：閻 玲

一種脈動壓力比對校準誤差修正數據處理方法

改造者：閻 玲

依據行業規程，為了滿足某型飛機垂尾抖振科目試飛測試要求，基于脈動壓力傳感器測試中，針對產生的誤差原因分析，提出了飛行試驗中比對校準誤差修正數據處理方法。

隨著航空技術的不斷進步，動態壓力測量技術得到迅猛發展，使得動態壓力測試技術在測試脈動壓力時，可以獲得準確結果。在被測量的物理量隨時間變化的情況下，傳感器的輸出能否良好地跟隨輸入量變化是一個很重要的問題，有時傳感器盡管其靜態性能非常好，但由于不能很好地跟隨輸入量變化而導致誤差。在脈動壓力測試中，測量誤差大小直接影響飛行測試結果，如果不能保證脈動壓力傳感器的精度，就無法滿足飛機垂尾抖振科目試飛測試要求。因此，對于飛行中所使用的脈動壓力傳感器，必須定期對其各項技術性能指標進行校準，以此來確定其靈敏度和誤差范圍，最終達到整個測試系統的可靠精度，如何保證飛行試驗數據準確可靠，可靠的校準方法和數據處理至關重要。

誤差原因分析

通常飛行試驗中穩態壓力傳感器測試用標準壓力源進行內場校準，由于脈動壓力傳感器安裝在垂尾壁面無法進行內場校準，傳感器未裝機前由于傳感器結構限制也不能進行實驗室內場校準。測試精度的主要部分是壓力傳感器校準，傳統方法是沿用廠家出廠時標定的傳感器靈敏度進行計算給出校線， 這種方法在試飛試驗中發現誤差較大，其誤差原因是：

（1）傳感器本身漂移使出廠后傳感器靈敏度有變化，使用出廠時的靈敏度已不可行。脈動壓力傳感器測試中，橋壓的精確度直接決定了動態壓力傳感器的信號輸出精度，由于動態壓力傳感器的輸出信號較小，靈敏度大致為4 mv/psi，信號滿量程輸出也僅為100mV左右，橋壓的微小波動，也會引起靈敏度的改變。

（2）傳感器制造中自身零位存在，傳感器的零位一致性差，變化范圍可達-12mv/psi ——12mv/psi，造成了誤差的存在。一直以來未能對壓力傳感器誤差提出相應的改進方法，測試精度就無法保證。不解決誤差的存在將導致測試系統測量不準確，無法獲取可靠的飛行試驗數據。

根據以上兩點導致的誤差原因分析，在無標定方法借鑒的情況下，針對誤差的存在，在實驗的基礎上，依據行業規范，提出了比對校準誤差修正數據處理方法的研究，首次用于飛行試驗中。

一般常用標校方法

靜態校準

依據測量和監控裝置對比校準規程（BMI.QEMS）

比對：是在規定條件下，對相同準確度等級的同類基準標準或工作計量器具之間的量值進行比較。

校準：是指被校的計量器具與高一等級的計量標準相比較，以確定被校計量的示值誤差。

靜態校準主要是利用壓力標準器按照傳感器的測量范圍，均勻地施加標準壓力來測量傳感器靈敏度，非線性以及重復性，遲滯等靜態誤差指標。

動態校準

動態校準是建立在靜態校準的基礎上，動態校準主要是測出傳感器的上升時間，固有頻率等動態性能指標。在實際測試過程中，傳感器的上升時間是指其輸出從穩態值的10％上升到所需的時間，傳感器動態校準是在校準激波管上進行的。

圖1　比對校準框圖

比對校準誤差修正方法

測量和監控裝置對比校準規程（BMI.QEMS），是實驗方法依據。實驗中具體做法：

比對校準框圖如下圖1。

標定傳感器做標準：

在實驗室選一個同量程范圍的傳感器對其進行標定，給出輸入--輸出關系。（Y：物理量--- X： 碼值），由于最小二乘法是數學優化技術，它通過最小化誤差的平方和尋找數據的最佳函數匹配，所以選用最小二乘方法做數據量值傳遞。最小二乘法可以簡便地求得未知的數據，并使得這些求得的數據與實際數據之間誤差的平方和為最小。通過給出標準實驗數據得出實驗室標定傳感器標準公式（1）由實驗室標定數據得出：y = 0.00795715 x -10.50409437 ---- （1） 可已知輸入與輸出關系。

標準傳感器與實測傳感器進行比對

1）用在實驗室標定的標準傳感器給出的輸入輸出關系式（1），將綜合采集測試系統實際測出參數碼值帶入公式（1）中計算出物理量。

2）用在實驗室標定的原始傳感器給出的輸入輸出關系式（2），將綜合采集測試系統實際測出參數碼值帶入公式（2）中計算出物理量。

進行實測系統測試參數與標準傳感器物理量比對。通過比對計算出物理量

偏差值。

其應用方法如下：

原始數據輸入（X）---輸出（Y）

Y： kPa X： 碼 值6.895 1050 68.950 12435 137.900 25091 206.850 37728 275.800 50381 344.750 63013

由數據得出：y = 0.00545229 x + 1.14269762 -----（2）

綜合采集測試系統實際測出參數碼值為：13450，將碼值分別帶入式（1）（2）中，經計算得到96.519 kPa和74.48kPa。

通過公式（1）與公式（2）實際測量數據進行比對，找出標準傳感器與實際測試參數傳感器偏差值，進行數據處理。

數據處理

由于傳感器自身零位存在，在數據處理時必須根據各個不同的傳感器特性，通過比對方法分別計算出每個測量點修正量后進行數據處理并對零位逐一進行數據修正，最終給出校準數據校線。

修正后的數據輸入（X）---輸出（Y）

Y： kPa X： 碼 值28.954 1050 91.009 12435 159.959 25091 228.909 37728 297.859 50381 366.809 63013

由數據得出：y = 0.00545229 x + 23.20169762 -----（3）

用標準壓力儀器驗證：

用一個標準壓力儀器，精度（0.02％）進行現場測試場壓96.15kPa，對所進行的實驗數據驗證分析如下。

公式（Y：kPaX：碼值）計算物理量誤差（％）標準傳感器y=0.00795715x-10.50409437 96.519kPa 0.109原始數據y=0.00545229x+1.14269762 74.48kPa 6.37修正后y=0.00545229x+23.20169762 96.535kPa 0.113

通過以上測試結果分析得出：如果按傳統方法校準將帶來6.37％的相對誤差，通過比對和數據處理修正方法后相對誤差為0.113％，滿足測試的要求。經過最小二乘法數據計算后，斜率并未改變，只是常數改變了，通過標準壓力儀器驗證，進行脈動壓力校準時采用比對校準誤差修正數據處理方法可行。

結束語

實踐證明，比對校準方法解決了脈動壓力傳感器校準精度誤差的問題。比對校準方法誤差小 精度高，是行之有效的一種方法，目前此方法已在科研試飛中得到應用，在飛行測試數據中得到了滿意的結果，滿足了測試的要求，此方法可以為后續制定脈動壓力傳感器校準標準提供借鑒。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.15.038