鐵鳥(niǎo)測(cè)試系統(tǒng)在線校準(zhǔn)技術(shù)研究與應(yīng)用

宋葵陽(yáng)

【摘 要】鐵鳥(niǎo)試驗(yàn)中大型的測(cè)試系統(tǒng)眾多，當(dāng)前采用的校準(zhǔn)方法存在較多缺陷，不能完全滿足鐵鳥(niǎo)試驗(yàn)對(duì)測(cè)試系統(tǒng)校準(zhǔn)的要求。本文主要介紹了在線校準(zhǔn)技術(shù)的特點(diǎn)，并分析了在鐵鳥(niǎo)測(cè)試系統(tǒng)中進(jìn)行在線校準(zhǔn)的可行性以及應(yīng)用情況。

【關(guān)鍵詞】在線校準(zhǔn)；鐵鳥(niǎo)；測(cè)試系統(tǒng)

Research and Application of Online Calibration Method For Iron Birds Test Systems

SONG Kui-yang

（COMAC Shanghai Aircraft Design and Reseach Institute）

【Abstract】Many large test systems are used for iron bird test. The current calibration methods of these systems have some defects， which can not meet the requirements of the iron bird test. This paper mainly introduces the characteristics of online calibration technology， and analyzes the feasibility and application of on-line calibration in iron bird test system.

【Key words】Online calibration； Iron bird； Test system

0 引言

鐵鳥(niǎo)試驗(yàn)臺(tái)是飛機(jī)系統(tǒng)綜合、優(yōu)化設(shè)計(jì)、適航取證和交付運(yùn)營(yíng)、持續(xù)適航必不可少的關(guān)鍵試驗(yàn)設(shè)施。鐵鳥(niǎo)試驗(yàn)臺(tái)是按照真實(shí)飛機(jī)的狀態(tài)構(gòu)建各種試驗(yàn)組件/系統(tǒng)，以求試驗(yàn)狀態(tài)與真實(shí)的飛行狀態(tài)保持一致。當(dāng)前的鐵鳥(niǎo)試驗(yàn)臺(tái)綜合了飛機(jī)的飛控系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等，是一個(gè)復(fù)雜的試驗(yàn)綜合平臺(tái)，能完成飛機(jī)系統(tǒng)級(jí)的大量試驗(yàn)。鐵鳥(niǎo)試驗(yàn)?zāi)軌驑O大程度上驗(yàn)證飛機(jī)多個(gè)系統(tǒng)性能是否滿足要求和安全性是否滿足要求。每種型號(hào)的飛機(jī)只有通過(guò)了鐵鳥(niǎo)試驗(yàn)才能進(jìn)一步開(kāi)展飛行試驗(yàn)。[1]

鐵鳥(niǎo)試驗(yàn)是飛機(jī)研制過(guò)程的重要環(huán)節(jié)，是提供設(shè)計(jì)依據(jù)，驗(yàn)證設(shè)計(jì)效果的數(shù)據(jù)來(lái)源。鐵鳥(niǎo)試驗(yàn)獲取的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，是開(kāi)展飛行試驗(yàn)的重要依據(jù)。對(duì)試驗(yàn)效果的評(píng)價(jià)離不開(kāi)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析處理。對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)，其是否有效不僅與試驗(yàn)的技術(shù)方法有關(guān)，也涉及到測(cè)試設(shè)備所測(cè)參數(shù)的準(zhǔn)確性、可靠性和溯源性。試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確、可靠必須靠計(jì)量技術(shù)來(lái)保障。[2]

本文將從目前某型號(hào)飛機(jī)鐵鳥(niǎo)試驗(yàn)中測(cè)試設(shè)備的校準(zhǔn)情況著手分析，分析當(dāng)前主要的校準(zhǔn)手段及其存在的問(wèn)題，對(duì)在線校準(zhǔn)技術(shù)在鐵鳥(niǎo)試驗(yàn)中的應(yīng)用進(jìn)行探討。

1 鐵鳥(niǎo)測(cè)試設(shè)備校準(zhǔn)現(xiàn)狀分析

鐵鳥(niǎo)試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)試設(shè)備主要測(cè)試對(duì)象為飛控、液壓、起落架等系統(tǒng)，其中飛控系統(tǒng)所需要測(cè)試的系統(tǒng)有副翼、升降舵、方向舵、擾流板、水平安定面、駕駛艙控制系統(tǒng)等，系統(tǒng)的組件分布于飛機(jī)各處，測(cè)試系統(tǒng)都是采用多類型的傳感器加多通道的數(shù)采分析系統(tǒng)組成。這種形式的測(cè)試系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于鐵鳥(niǎo)試驗(yàn)臺(tái)各個(gè)系統(tǒng)的試驗(yàn)中，是當(dāng)前進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試的主流形式，提高此類測(cè)試系統(tǒng)的校準(zhǔn)精度，確保測(cè)試系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠是鐵鳥(niǎo)試驗(yàn)計(jì)量保障工作一項(xiàng)重點(diǎn)，也是本文研究的出發(fā)點(diǎn)。

圖1 測(cè)量過(guò)程示意圖

通過(guò)對(duì)于當(dāng)前鐵鳥(niǎo)上測(cè)試設(shè)備的統(tǒng)計(jì)分析，測(cè)試系統(tǒng)前端的測(cè)試傳感器和部分便攜的通用儀器儀表都屬于通用測(cè)試設(shè)備，幾乎都是從鐵鳥(niǎo)試驗(yàn)臺(tái)架上拆取下送至對(duì)應(yīng)的校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室，按照對(duì)應(yīng)的規(guī)范進(jìn)行計(jì)量校準(zhǔn)。而數(shù)采分析系統(tǒng)這類的設(shè)備一般都體積大、重量重、不便于搬遷，大多采用請(qǐng)計(jì)量校準(zhǔn)人員攜帶校準(zhǔn)設(shè)備到試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行計(jì)量校準(zhǔn)的方法。

以上的方式大量地運(yùn)用在鐵鳥(niǎo)試驗(yàn)測(cè)試設(shè)備的計(jì)量校準(zhǔn)中，保證了參與鐵鳥(niǎo)試驗(yàn)的測(cè)試設(shè)備完全計(jì)量受控，但是現(xiàn)有的計(jì)量方式還存在著如下問(wèn)題[3]：

其一，測(cè)試設(shè)備拆裝送檢效率低，經(jīng)濟(jì)時(shí)間成本高，存在一定風(fēng)險(xiǎn)。鐵鳥(niǎo)試驗(yàn)臺(tái)包含了大量的傳感器和儀器儀表，拆卸送檢計(jì)量再安裝需要投入一定規(guī)模的人力時(shí)間成本，期間還可能存在諸如人員傷害和設(shè)備損壞的風(fēng)險(xiǎn)。

其二，校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室對(duì)環(huán)境有著嚴(yán)格的要求，和試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)存在一定差異，測(cè)試傳感器在校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境中進(jìn)行校準(zhǔn)不一定能還原其正常工作狀態(tài)，校準(zhǔn)結(jié)果可能無(wú)法準(zhǔn)確反映設(shè)備使用時(shí)的狀態(tài)。

其三，采用分步校準(zhǔn)方法校準(zhǔn)的設(shè)備只能分別得出前后端測(cè)試設(shè)備的校準(zhǔn)結(jié)果，對(duì)于整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)而言，其整體精度不僅和前后端的測(cè)試設(shè)備有關(guān)，其安裝聯(lián)接過(guò)程的環(huán)境因素，人為因素都會(huì)對(duì)其整體精度產(chǎn)生一定影響。

2 鐵鳥(niǎo)在線校準(zhǔn)方案分析

相比于上述校準(zhǔn)方法，在線校準(zhǔn)方案在鐵鳥(niǎo)試驗(yàn)中具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

將標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備帶至試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，免除了對(duì)于測(cè)試儀器的拆卸送檢步驟，也保證了測(cè)試設(shè)備校準(zhǔn)的環(huán)境與實(shí)際工作環(huán)境一致，校準(zhǔn)結(jié)果更能反映設(shè)備在實(shí)際工作情況下的性能。將測(cè)試系統(tǒng)以整個(gè)測(cè)試通道作為一個(gè)校準(zhǔn)單元，進(jìn)行校準(zhǔn)，其結(jié)果反映了整個(gè)測(cè)試通道的性能，直接反映了測(cè)試系統(tǒng)整體的性能是否滿足要求，減少了環(huán)境和人為因素引入誤差的可能。

測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)量范圍及精度都是根據(jù)對(duì)應(yīng)參數(shù)的測(cè)量需求確定的，需要實(shí)現(xiàn)這些系統(tǒng)的在線整體校準(zhǔn)，需滿足如下幾項(xiàng)條件[4]：

（1）標(biāo)準(zhǔn)裝置需滿足測(cè)量系統(tǒng)的溯源要求，其范圍覆蓋測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)量范圍，精度須比測(cè)試系統(tǒng)高三至五倍以上；

（2）標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備需能夠攜帶至試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)并且正常工作，方便接入測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，盡量少對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行改動(dòng)；

（3）標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備在校準(zhǔn)過(guò)程中不引入干擾，不對(duì)現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生過(guò)大影響；

（4）校準(zhǔn)需要有參考規(guī)范以指導(dǎo)校準(zhǔn)活動(dòng)，給出合適的校準(zhǔn)結(jié)果。

合理的在線校準(zhǔn)方案需要從對(duì)應(yīng)測(cè)試參數(shù)的測(cè)量通道校準(zhǔn)的需求出發(fā)，考慮以上的條件。鐵鳥(niǎo)試驗(yàn)臺(tái)飛控系統(tǒng)液壓系統(tǒng)都包含了多個(gè)測(cè)試系統(tǒng)，每個(gè)系統(tǒng)都有大量的測(cè)試通道對(duì)應(yīng)位移、壓力、溫度、電學(xué)等參數(shù)的測(cè)量需求。根據(jù)鐵鳥(niǎo)試驗(yàn)的重要程度分類，飛控系統(tǒng)的數(shù)采測(cè)試系統(tǒng)、飛控加載系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)等都是關(guān)鍵測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)在線整體校準(zhǔn)需求較為迫切，測(cè)量關(guān)鍵參數(shù)歸類有線位移、角位移、壓力、流量等。

對(duì)于在線校準(zhǔn)可以采取的方式如下圖所示：

圖2 在線校準(zhǔn)方案

以上兩張表展示了兩種類型的在線校準(zhǔn)方案。第一種方法是采用標(biāo)準(zhǔn)源替換掉原測(cè)參數(shù)點(diǎn)，提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，通過(guò)測(cè)量系統(tǒng)得出測(cè)量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)源提供的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)對(duì)比得出校準(zhǔn)結(jié)果。第二種方法主要采用的是將標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試系統(tǒng)接入測(cè)量通道中，其測(cè)量的結(jié)果作為參照標(biāo)準(zhǔn)，原測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果與參照標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比可獲得校準(zhǔn)結(jié)果。這是主要的兩種校準(zhǔn)方法，實(shí)際校準(zhǔn)中構(gòu)建校準(zhǔn)系統(tǒng)可能會(huì)有所變動(dòng)，但其基本思路都與以上兩種方法類似。

從圖2中可以看出在線整體校準(zhǔn)方案對(duì)于測(cè)試系統(tǒng)不進(jìn)行破拆，保證測(cè)試系統(tǒng)的完整性，校準(zhǔn)結(jié)果能比較好地反映測(cè)試系統(tǒng)的性能。但是需要將校準(zhǔn)設(shè)備帶至試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)校準(zhǔn)設(shè)備有一定要求。

3 鐵鳥(niǎo)測(cè)試設(shè)備在線校準(zhǔn)應(yīng)用

鐵鳥(niǎo)試驗(yàn)的測(cè)試設(shè)備開(kāi)展在線整體校準(zhǔn)研究，目前已經(jīng)在幾套測(cè)試系統(tǒng)的校準(zhǔn)中獲得了應(yīng)用。以下將以一種已經(jīng)開(kāi)展應(yīng)用的在線校準(zhǔn)實(shí)例進(jìn)行分析。

鐵鳥(niǎo)的飛控加載系統(tǒng)是飛機(jī)地面模擬試驗(yàn)的一個(gè)重要的試驗(yàn)系統(tǒng)。它把飛控仿真機(jī)或者位移傳感器送來(lái)的信號(hào)實(shí)時(shí)解算為相應(yīng)的力載荷譜信號(hào)，并實(shí)現(xiàn)控制面氣動(dòng)鉸鏈力矩的模擬，從而對(duì)飛控靜、動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行檢驗(yàn)。飛控加載系統(tǒng)包含主控制面加載系統(tǒng)與襟縫翼控制面加載系統(tǒng)，兩套系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)類似，都是由加載控制器與液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩部分組成。加載控制器主要包括主計(jì)算機(jī)和相關(guān)控制器模板、信號(hào)處理器模板、網(wǎng)卡、信號(hào)轉(zhuǎn)接卡，其主要作用是監(jiān)控加載系統(tǒng)狀態(tài)、下達(dá)控制指令和實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)是實(shí)際執(zhí)行控制指令的部件，除了液壓缸、伺服閥、保護(hù)閥塊外還有力傳感器和位移傳感器。[5]載荷傳感器和位移傳感器后端接對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，接入主計(jì)算機(jī)。這套測(cè)量系統(tǒng)就是加載系統(tǒng)主要的校準(zhǔn)對(duì)象。

表1 飛控加載系統(tǒng)分步校準(zhǔn)情況

表1列舉了加載系統(tǒng)中以各個(gè)測(cè)量?jī)x器為單位進(jìn)行校準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的校準(zhǔn)設(shè)備，其中傳感器直接從測(cè)試點(diǎn)采集參數(shù)信息，輸出一般都是電信號(hào)，以往校準(zhǔn)都是拆卸之后送至相應(yīng)的校準(zhǔn)試驗(yàn)室進(jìn)行校準(zhǔn)利用標(biāo)準(zhǔn)源提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，被傳感器采集輸出信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)比對(duì)得出校準(zhǔn)結(jié)果。后端數(shù)采分析系統(tǒng)采集傳感器輸出電信號(hào)處理計(jì)算得出測(cè)試結(jié)果，其計(jì)量方法是利用校準(zhǔn)源提供標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)，通過(guò)數(shù)采分析系統(tǒng)采集得出測(cè)試結(jié)果，與標(biāo)準(zhǔn)源提供信號(hào)的理論結(jié)果對(duì)比得到校準(zhǔn)結(jié)果。

根據(jù)圖2中所提供的方案，在本例中，前端提供標(biāo)準(zhǔn)源主要是標(biāo)準(zhǔn)位移信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)力值信號(hào)，能夠提供高精度的位移信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)有很多種，量塊就是最簡(jiǎn)單的一種，使用靈活性高。將量塊安置于前端，借助特定加持件，用位移傳感器測(cè)量多種量塊的長(zhǎng)度，與量塊溯源過(guò)的標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度對(duì)比即可獲得校準(zhǔn)結(jié)果。標(biāo)準(zhǔn)力信號(hào)一般都由力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)產(chǎn)生，該設(shè)備較大，不便于帶至試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，更難以實(shí)現(xiàn)安置于鐵鳥(niǎo)臺(tái)架的飛控加載系統(tǒng)上，因此轉(zhuǎn)而采用了標(biāo)準(zhǔn)表法，將一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的力傳感器與原力值傳感器連在一起接入測(cè)力通道，其系統(tǒng)連接圖如圖3所示。

圖3中力傳感器與標(biāo)準(zhǔn)力傳感器串聯(lián)在測(cè)試通道中，相同的力作用下其測(cè)得的力大小相同，通過(guò)原測(cè)試通道反饋的參考力值信號(hào)控制加載系統(tǒng)產(chǎn)生該力值的力，標(biāo)準(zhǔn)力傳感器和標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試儀表測(cè)得當(dāng)前力的實(shí)際值，與力傳感器的參考值比較就能得到校準(zhǔn)結(jié)果。

鐵鳥(niǎo)加載系統(tǒng)的在線校準(zhǔn)應(yīng)用并未完全意義上的在線校準(zhǔn)，由于飛控加載系統(tǒng)設(shè)計(jì)安裝過(guò)程中未考慮在線校準(zhǔn)的需求，沒(méi)有對(duì)應(yīng)的接口。后期進(jìn)行在線校準(zhǔn)難免對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行拆解，需要將傳感器前端與待測(cè)設(shè)備分開(kāi)，然后前端接上標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備或者將標(biāo)準(zhǔn)傳感器接入系統(tǒng)中。但是測(cè)試系統(tǒng)本身測(cè)試通道仍然完整，滿足在線的基本要求。

圖3 測(cè)力通道校準(zhǔn)方式圖

在線校準(zhǔn)的最理想狀態(tài)是保持測(cè)試通道完整，校準(zhǔn)能夠完全體現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)工作時(shí)的性能。對(duì)于需要在線校準(zhǔn)的測(cè)試系統(tǒng)，最理想的情況是在該測(cè)試系統(tǒng)制造或者設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)就在系統(tǒng)中預(yù)留校準(zhǔn)接口，以便與標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備連接進(jìn)行校準(zhǔn)。對(duì)于鐵鳥(niǎo)中已經(jīng)投入使用但未留有校準(zhǔn)接口的測(cè)試設(shè)備，通過(guò)盡量保持通道完整，對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行有限更改更具可行性。隨著測(cè)試技術(shù)的日益發(fā)展，利用聲光電磁等場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量的方法也來(lái)越多地應(yīng)用到計(jì)量校準(zhǔn)中，這類非接觸式的測(cè)量方法能夠在系統(tǒng)正常工作狀態(tài)下對(duì)測(cè)量設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)，對(duì)系統(tǒng)要求較小不不會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生實(shí)質(zhì)影響。當(dāng)前激光跟蹤儀作為一種以激光為媒介的非接觸式測(cè)量方法，已經(jīng)成為一種較為常用的長(zhǎng)度計(jì)量工具，對(duì)于線位移角位移參數(shù)的校準(zhǔn)可以探索采用激光跟蹤儀進(jìn)行校準(zhǔn)。

4 總結(jié)

本文主要介紹了鐵鳥(niǎo)試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試設(shè)備的校準(zhǔn)情況，分析在線校準(zhǔn)的特點(diǎn)和在鐵鳥(niǎo)試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)中的采用的可行性，借助當(dāng)前已經(jīng)應(yīng)用的情況分析了在線校準(zhǔn)方法的可行性。鐵鳥(niǎo)測(cè)試系統(tǒng)眾多，對(duì)在線校準(zhǔn)的需求較高，目前在線校準(zhǔn)手段并不完善，需要進(jìn)一步研究鐵鳥(niǎo)測(cè)試系統(tǒng)的在線校準(zhǔn)方法。

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[責(zé)任編輯：朱麗娜]