結(jié)構(gòu)水平?jīng)_擊試驗(yàn)系統(tǒng)校準(zhǔn)技術(shù)研究

鄧江流

摘要：本文立足于民機(jī)專向科研課題，以大型試驗(yàn)系統(tǒng)計(jì)量測(cè)試技術(shù)的研究制定為指南，研制了一套針對(duì)結(jié)構(gòu)水平?jīng)_擊試驗(yàn)系統(tǒng)的校準(zhǔn)技術(shù)，為該水平?jīng)_擊試驗(yàn)系統(tǒng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠、試驗(yàn)結(jié)論的正確性提供了量值溯源依據(jù)。本文首先根據(jù)該試驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和工作原理設(shè)計(jì)了一種基于虛擬儀器的測(cè)試數(shù)據(jù)采集方案，并以最優(yōu)化的方案搭建了該水平?jīng)_擊臺(tái)校準(zhǔn)試驗(yàn)系統(tǒng)的硬件。另外，為了在功能上滿足了整個(gè)水平?jīng)_擊試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)試要求，軟件部分我們利用LABVIEW設(shè)計(jì)了一種包含數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、時(shí)域分析處理、數(shù)值積分和數(shù)值微分為一體的程序。最后，對(duì)試驗(yàn)臺(tái)的急推率指標(biāo)進(jìn)行了量值校準(zhǔn)和不確定度評(píng)估。

關(guān)鍵詞：水平?jīng)_擊臺(tái)；校準(zhǔn)試驗(yàn)系統(tǒng)；數(shù)據(jù)處理；不確定度評(píng)估

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）03-0244-04

結(jié)構(gòu)水平?jīng)_擊試驗(yàn)系統(tǒng)主要用于中國(guó)民用航空規(guī)章第25部運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的應(yīng)急著陸情況下的結(jié)構(gòu)試驗(yàn)，此類試驗(yàn)通過檢驗(yàn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)和座椅及相關(guān)安全設(shè)備在飛機(jī)應(yīng)急著陸時(shí)對(duì)乘員的保護(hù)能力，驗(yàn)證飛機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否能夠在輕度撞損著陸過程中給每一乘員提供以避免嚴(yán)重受傷的一切合理機(jī)會(huì)[1]。

目前，隨著國(guó)外模擬碰撞技術(shù)的發(fā)展，結(jié)構(gòu)沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)也越來越多地被各個(gè)實(shí)驗(yàn)室用于仿真汽車、飛機(jī)和其他運(yùn)輸形式所經(jīng)歷的撞擊試驗(yàn)中，用于確定其結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能及其抗沖擊設(shè)計(jì)和分析計(jì)算，國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家為了保證飛機(jī)撞擊試驗(yàn)量值的準(zhǔn)確可靠及統(tǒng)一，對(duì)試驗(yàn)設(shè)備的校準(zhǔn)結(jié)果及影響的各項(xiàng)因素進(jìn)行考核，以獲得可靠的溯源性。但目前國(guó)內(nèi)飛機(jī)撞擊試驗(yàn)采用這種模擬碰撞技術(shù)還較少，沒有公認(rèn)的校準(zhǔn)方法和專門的校準(zhǔn)規(guī)范技術(shù)，無法保證測(cè)量結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠，因此需要對(duì)該試驗(yàn)臺(tái)的校準(zhǔn)技術(shù)進(jìn)行研究，以滿足試驗(yàn)系統(tǒng)校準(zhǔn)要求，并為試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)論的正確性提供量值溯源依據(jù)。

1 結(jié)構(gòu)水平?jīng)_擊試驗(yàn)系統(tǒng)

1.1結(jié)構(gòu)水平?jīng)_擊試驗(yàn)系統(tǒng)的研究技術(shù)指標(biāo)

該試驗(yàn)系統(tǒng)被設(shè)計(jì)用于模擬汽車、飛機(jī)、機(jī)載設(shè)備、艦載設(shè)備和車載設(shè)備等運(yùn)輸形式所經(jīng)歷的沖擊試驗(yàn)。本文主要是通過對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)的急推率、人體頭部傷害指標(biāo)HIC等指標(biāo)進(jìn)行校準(zhǔn)研究，根據(jù)美國(guó)Seattle Safety （SESA）公司對(duì)水平?jīng)_擊試驗(yàn)臺(tái)制作材料的技術(shù)規(guī)定各個(gè)相應(yīng)量值指標(biāo)及其校準(zhǔn)范圍的具體要求如下：

1）沖擊試驗(yàn)臺(tái)的加速度峰值：≤100g

2）沖擊試驗(yàn)臺(tái)的急推率

①≤20000g/s，有效負(fù)載：250kg

②≤8000g/s，有效負(fù)載：3000kg

校準(zhǔn)裝置的主要測(cè)量參數(shù)為急推率，校準(zhǔn)結(jié)果應(yīng)滿足研究技術(shù)指標(biāo)的要求。

1.2結(jié)構(gòu)水平?jīng)_擊試驗(yàn)系統(tǒng)的工作原理和結(jié)構(gòu)組成

該水平?jīng)_擊試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基于美國(guó)Seattle Safety Servolsed原理，采用了計(jì)算機(jī)控制的氣動(dòng)—液壓伺服系統(tǒng)，氣動(dòng)部分通過高壓氣室和低壓氣室的壓差推動(dòng)活塞桿，為試車臺(tái)提供驅(qū)動(dòng)力，伺服剎車系統(tǒng)則通過液壓裝置驅(qū)動(dòng)剎車片在試車臺(tái)上施加反向的剎車力，試車臺(tái)在這兩個(gè)力的合力作用下完成了水平方向的沖擊試驗(yàn)，其組成框圖如下：

實(shí)驗(yàn)過程中，若安裝在試車臺(tái)面上的負(fù)載較大，將會(huì)給沖擊波形帶來嚴(yán)重的影響，因?yàn)樵撍經(jīng)_擊試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和相關(guān)物理量計(jì)算均是基于單自由度機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行的，產(chǎn)生波形的脈寬、加速度幅值等參數(shù)均與氣缸驅(qū)動(dòng)腔中氣體的壓力、氣缸背壓腔中氣體的壓力和伺服剎車系統(tǒng)特性等因素均有關(guān)系。因此，為了消除對(duì)整個(gè)試驗(yàn)的模擬性、再現(xiàn)性帶來不良后果，正式試驗(yàn)前必須用試驗(yàn)樣品或模擬試件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)調(diào)整。

1.3結(jié)構(gòu)水平?jīng)_擊試驗(yàn)系統(tǒng)的校準(zhǔn)原理

結(jié)構(gòu)水平?jīng)_擊試驗(yàn)系統(tǒng)校準(zhǔn)原理框圖[2]如下：

結(jié)構(gòu)水平?jīng)_擊試驗(yàn)臺(tái)的校準(zhǔn)采用沖擊測(cè)試臺(tái)校準(zhǔn)裝置直接對(duì)測(cè)試臺(tái)進(jìn)行測(cè)量。沖擊測(cè)試臺(tái)校準(zhǔn)裝置一般是由加速度計(jì)（含三軸向加速度計(jì)）、橋路應(yīng)變放大器、同步數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)等輔助設(shè)備組成。

2 結(jié)構(gòu)水平?jīng)_擊試驗(yàn)系統(tǒng)的硬件搭建

結(jié)構(gòu)水平?jīng)_擊試驗(yàn)臺(tái)校準(zhǔn)技術(shù)總體方案框架如下：

本課題采用沖擊加度測(cè)量系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集沖擊加速度-時(shí)間信號(hào)，得到與加速度相關(guān)的峰值、脈寬、上升時(shí)間等技術(shù)參數(shù)，本文的校準(zhǔn)技術(shù)總體方案采用了虛擬儀器技術(shù)研制的便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)顯示，通過數(shù)據(jù)處理后得到相應(yīng)的校準(zhǔn)結(jié)果。試驗(yàn)臺(tái)測(cè)量系統(tǒng)包含了加速度等多項(xiàng)參數(shù)，并分別對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)的整體性能指標(biāo)進(jìn)行檢驗(yàn)，完成對(duì)數(shù)據(jù)的采集、分析、判斷、顯示、存儲(chǔ)及生成。

在水平?jīng)_擊試驗(yàn)系統(tǒng)的工作原理和實(shí)驗(yàn)要求基礎(chǔ)之上，本文結(jié)合信號(hào)及數(shù)據(jù)采集方面的原理，給出了一種基于虛擬儀器的測(cè)試數(shù)據(jù)采集方案，并且對(duì)實(shí)現(xiàn)這一方案的硬件進(jìn)行了最優(yōu)化的選擇，配以ENDEVCO-2262型壓阻式加速度傳感器、ENDEVCO—136型橋路應(yīng)變放大器、PCI-6251數(shù)據(jù)采集卡等搭建了該水平?jīng)_擊臺(tái)校準(zhǔn)試驗(yàn)系統(tǒng)的硬件，結(jié)構(gòu)框圖如下：

3 結(jié)構(gòu)水平?jīng)_擊試驗(yàn)系統(tǒng)的算法研究和軟件設(shè)計(jì)

校準(zhǔn)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)是整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心，也是整個(gè)校準(zhǔn)系統(tǒng)重要組成部分[3]。系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用模塊化和層次化的思想，由上至下設(shè)計(jì)，根據(jù)系統(tǒng)的總體要求和性能參數(shù)，將系統(tǒng)劃分為各個(gè)功能模塊，如：采集、數(shù)據(jù)分析、儲(chǔ)存和顯示等，再將各個(gè)模塊逐步劃分為更小的子模塊。系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析、顯示、儲(chǔ)存、打印和歷史數(shù)據(jù)回放等功能，并且具有良好的人機(jī)交互界面，易于維護(hù)和系統(tǒng)擴(kuò)展。

信號(hào)顯示與控制部分通過截?cái)嘤|發(fā)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)序號(hào)（在采集模式下，序號(hào)為0）以前數(shù)據(jù)的方法，將觸發(fā)點(diǎn)以后的信號(hào)數(shù)據(jù)顯示在顯示屏上，從而實(shí)現(xiàn)了單點(diǎn)觸發(fā)功能。并可以通過修改顯示組件（Waveform Graph）的屬性節(jié)點(diǎn)，實(shí)時(shí)調(diào)整顯示時(shí)基。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主界面設(shè)計(jì)如下：

這是多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的界面，實(shí)驗(yàn)時(shí)可以對(duì)輸入終端、采集通道、數(shù)據(jù)采集卡的量程范圍、傳感器的極性、容差標(biāo)準(zhǔn)、觸發(fā)沿和采集參數(shù)等等進(jìn)行設(shè)置，還可以自由選擇采集通道，點(diǎn)擊前面板上運(yùn)行按鈕便可開始采集PCI-6251采集卡的九個(gè)通道的采集信號(hào)，若點(diǎn)擊停止采集，那么從開始到停止這段時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)將會(huì)自動(dòng)保存[4]。

3.1原始信號(hào)的頻譜分析和濾波處理

利用上述搭建的校準(zhǔn)試驗(yàn)平臺(tái)和DAQ數(shù)據(jù)采集程序從水平?jīng)_擊實(shí)驗(yàn)中采集到峰值為100g，脈寬6ms的半正弦波如下，為了對(duì)信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量和控制，我們將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換到頻率域，對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析以了解信號(hào)的頻譜組成，進(jìn)而對(duì)信號(hào)進(jìn)行識(shí)別。從放大對(duì)比后可以看到，原始信號(hào)的頻譜主要集中在200Hz附近，在1300Hz、2000Hz等幾處有雜波分布。其中大約1500Hz以下、1Hz以上信號(hào)是我們所要保留的信號(hào)。

根據(jù)上述對(duì)原始信號(hào)的頻譜分析可知，我們需要的實(shí)際信號(hào)處于某一個(gè)通頻帶內(nèi)，為了能夠得到相對(duì)平滑的波形曲線，將采集得到的數(shù)字信號(hào)應(yīng)用于工程實(shí)際，我們采用巴特沃斯帶通濾波器對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，巴特沃斯濾波器擁有最平坦的頻率響應(yīng)，在截止頻率以外，頻率響應(yīng)單調(diào)下降，在通帶中是理想的單位響應(yīng)，在阻帶中響應(yīng)為零。對(duì)于半正弦脈沖，我們將巴特沃斯帶通濾波器的截至頻率上、下限分別設(shè)置為0.008/T、10/T，其中T表示半正弦脈脈沖在高于10%AP（AP加速度脈沖的峰值）之間的持續(xù)時(shí)間，即波形的脈寬，從圖中可以計(jì)算出在高于10%AP之間，半正弦脈沖的持續(xù)時(shí)間為0.006781s，故截至頻率的上、下限分別為1.1799Hz、1474.9Hz，于是，我們重新調(diào)用以上程序?qū)Σ蓸有蛄羞M(jìn)行帶通濾波，并根據(jù)濾波前后的散點(diǎn)數(shù)據(jù)，將其繪制于同一坐標(biāo)系中，并通過局部放大進(jìn)行對(duì)比，從對(duì)比圖不難看出，濾波后的沖擊波形圖比濾波前平滑很多，這樣不僅讓采集到的加速度幅值信號(hào)經(jīng)過數(shù)字化處理后去掉其他高頻和低頻信號(hào)的干擾，而且通頻帶內(nèi)的頻率響應(yīng)曲線能最大限度平坦，對(duì)于后面指標(biāo)的校準(zhǔn)實(shí)施提供了極大的方便。

3.2急推率的算法研究和校準(zhǔn)

該試驗(yàn)系統(tǒng)校準(zhǔn)技術(shù)指標(biāo)中的急推率是指試驗(yàn)臺(tái)輸出的加速度的時(shí)間變化率，急推率反映了試驗(yàn)臺(tái)輸出的加速度對(duì)時(shí)間的變化快慢，實(shí)際就是對(duì)加速度時(shí)域信號(hào)的再次微分，可通過軟件設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)，即對(duì)實(shí)時(shí)測(cè)量的加速度-時(shí)間歷程進(jìn)行微分，其微分方程：

急推率曲線圖9所示：

上述數(shù)值算法實(shí)驗(yàn)表明：本文運(yùn)用的中心差分算法在處理光滑數(shù)據(jù)的能力很強(qiáng)，但由于局部導(dǎo)數(shù)有間斷點(diǎn)，導(dǎo)致急推率曲線是凹凸不平滑的，不能滿足實(shí)際工程的要求，因此必須利用數(shù)字濾波器濾波后才能使原來的微分信號(hào)的發(fā)散狀態(tài)有較大改善、信號(hào)品質(zhì)得到進(jìn)一步提高，將一個(gè)純凈的微分信號(hào)從很強(qiáng)的噪聲背景中提取出來，從圖10可看出濾波后得到的急推率曲線相對(duì)平滑。通過以上實(shí)驗(yàn)分析，可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1）急推率反映了在沖擊過程中試車臺(tái)加速度對(duì)時(shí)間變化的快慢，對(duì)于水平?jīng)_擊臺(tái)而言，由于臺(tái)面較大，會(huì)使各處受力不均勻，從而九個(gè)通道的急推率波形有所不同，另外，試驗(yàn)臺(tái)的厚度、材料、諧振頻率等因素也會(huì)影響急推率曲線的峰值和平滑程度；

2）由于存在各種干擾，致使采用數(shù)值微分得到的信號(hào)一般不能直接使用，需要采取各種可行方法進(jìn)行數(shù)字微分信號(hào)的提取和降躁處理，選取一定形式和階次的數(shù)字濾波器對(duì)數(shù)字微分信號(hào)進(jìn)行濾波，可以較好的改善數(shù)字微分信號(hào)的品質(zhì)。

3）若數(shù)字微分信號(hào)在經(jīng)過數(shù)字濾波器濾波后，如果還不能達(dá)到工程要求，可以在此基礎(chǔ)上施加死區(qū)、慣性等非線性環(huán)節(jié)，可進(jìn)一步改善信號(hào)品質(zhì)。

以上我們利用水平?jīng)_擊模擬試驗(yàn)中采集到的波形，編寫微分算法求解了急推率，并對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)，但在實(shí)際試驗(yàn)中，由于受到試車臺(tái)面上負(fù)載大小的影響，會(huì)導(dǎo)致急推率曲線的峰值有所不同，簡(jiǎn)單來說，負(fù)載小的話，加速度峰值會(huì)較大，急推率峰值較小，反之，若負(fù)載較大，加速度峰值較小，急推率峰值會(huì)偏大；另外，臺(tái)面上負(fù)載分布的方式也會(huì)導(dǎo)致九個(gè)通道的急推率的不同，從動(dòng)力學(xué)的角度來分析，臺(tái)面上負(fù)載分布相對(duì)集中的位置加速度峰值較小，但急推率峰值較大，而負(fù)載分布相對(duì)稀疏的位置加速度峰值較小，急推率較小。

綜上所述，為了能過綜合評(píng)定和反映整個(gè)試車臺(tái)的急推率，實(shí)際試驗(yàn)時(shí)我們需對(duì)九個(gè)通道的急推率的峰值數(shù)據(jù)按照如下方法來處理：即

1）當(dāng)試車臺(tái)面負(fù)載分布均勻的情況下，我們可以對(duì)九個(gè)通道波形的急推率峰值取平均值來當(dāng)作整個(gè)臺(tái)面的急推率；

2）當(dāng)試車臺(tái)面負(fù)載分布不均勻的情況下，我們可以對(duì)各種波形的急推率峰值取加權(quán)平均值來當(dāng)作整個(gè)臺(tái)面的急推率，其中權(quán)重因子按如下方法設(shè)定，[λi=wiW]，[i]可以取一至九，wi表示每個(gè)區(qū)域內(nèi)負(fù)載的質(zhì)量，W表示臺(tái)面上總的負(fù)載質(zhì)量，且[i=19λi=1]；

3）當(dāng)試車臺(tái)面的負(fù)載為零時(shí)，我們可對(duì)取九個(gè)通道波形中最大的急推率峰值來做為整個(gè)臺(tái)面的急推率。

4 不確定度的評(píng)估

試車臺(tái)的急推率是通過對(duì)加速度時(shí)域信號(hào)的再次微分而求得，上一節(jié)運(yùn)用中心差分算法做了詳細(xì)的推導(dǎo)，即

[H=-ai+8ai+1-8ai-1+ai-212Δt] （7）

由上述公式易知，在進(jìn)行數(shù)值微分求解計(jì)算的過程中，引入了微分算法的不確定度，所以急推率的不確定度來源主要包括以下幾項(xiàng)：加速度a引起的不確定度分量uc（a）、微分算法引入的不確定度分量u1和時(shí)間t引起的不確定度分量，但由于時(shí)間的測(cè)量不確定度很小，因此急推率的不確定度主要是由加速度和算法的不確定度分量引起的，為了簡(jiǎn)化描述，這里我們忽略時(shí)間的影響分量[6]。

在加速度為38g的校準(zhǔn)點(diǎn)，急推率峰值參量的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度如下表所示：

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