飛行試驗腳蹬力測試系統在線校準技術研究

(中國飛行試驗研究院 測試所，西安 710089)

0 引言

飛行試驗中，機載測試是獲取飛行數據的重要途徑，而腳蹬力參數是機載測試中的重要測試參數之一。對試飛員施加于腳蹬力傳感器的力值信息進行精確的測量與分析，對試驗機的操穩性能的有效評價具有重要意義。應變式力傳感器由于其測量范圍大、分辨率高、測量精度高等特點，在飛行試驗機載測試領域常用于測量飛行中操縱力的變化。

機載腳蹬力測試系統[1]的測量準確程度直接影響到飛行試驗科目的試飛質量。定期對機載腳蹬力測試系統進行校準是系統準確測試的可靠保證。工程上應用的腳蹬力傳感器是力值與其輸出呈線性關系的傳感器，國內對機載腳蹬力測試系統按照Q/FY.J02.52.2-2013進行校準[2]，校準周期為一年。由于腳蹬力傳感器安裝于狹窄的駕駛艙內，通過在現場施加標準力進行校準非常困難，因此采用拆卸后實驗室校準的方式。將傳感器與采集器拆除，在實驗室使用標準施力裝置進行校準，完成后再將其恢復安裝，最終曲線用作后續飛行試驗數據處理標準[3]。

傳統校準方式存在的問題：整個拆校過程一般需2天時間，易影響型號任務的進度；傳感器和采集器經頻繁拆卸，極易損壞，造成國有資產浪費。因此，亟需設計一種切實可行的在線校準技術，實現腳蹬力傳感器在機上原位快速、準確校準，以適應目前快節奏高效率的試飛工作需求。本文旨在從傳感器原理出發，結合傳統傳感器校準方式，對在線校準技術進行研究，尋求一種切實可行的校準方法，并對最終效果進行驗證。

1 腳蹬力測量原理及校準簡述

應變式傳感器具有測量范圍大、分辨率高、測量精度高等特點；測量結果便于傳遞、處理；既可測靜態，也可測快速交應變力；性能穩定、工作可靠；能在各種惡劣環境、大加速度和振動條件下工作；只要進行適當的結構設計及選用合適的材料，能在高溫/低溫、強腐蝕及輻射條件下可靠工作[4]。應變式腳蹬力傳感器用于測量飛機腳蹬板受力大小，屬于力傳感器。采用應變式測量原理，通過粘帖在彈性元件上的電阻應變計感受應力的變化，產生與應力成比例的電信號，該電信號經變換器信號調理后輸出與被測力成比例的電壓信號，橋路原理如圖1所示。

圖1 橋路原理圖

校準時，通常對由腳蹬力傳感器、采集器等測試儀器組成的腳蹬力參數測試系統進行系統校準，獲取在規定的條件下具有置信度概念的測試儀器的輸入—輸出特性[5]。校準前首先將機上的傳感器與采集器拆除，在實驗室使用標準施力臺進行校準，記錄標準力值與碼值數據，處理校準數據，完成初始校準曲線；在實驗室校準完成后將傳感器與采集器恢復機上安裝，記錄下此時傳感器的機上零位，將初始校準曲線以該零位進行修正，生成最終的校準曲線，傳遞至數據處理人員，用作后續飛行試驗數據處理的標準使用。

2 機載腳蹬力在線校準方式分析

傳統校準方式下整個拆校過程一般需2天時間，易影響型號任務的進度；傳感器和采集器經頻繁拆卸，極易損壞，造成國有資產浪費。為縮短工作時間、提高工作效率、減少拆卸損傷，腳蹬力傳感器的機上在線校準技術是試飛測試校準專業中亟待解決的問題。

2.1 在線校準方法思路

選擇一只高精度標準力傳感器，用作實現機上腳蹬力傳感器在線校準的標準。在實驗室使用標準施力臺對標準力傳感器進行校準，記錄標準力值與傳感器輸出電壓值，形成標準力傳感器實驗室校準曲線。將標準傳感器緊密貼合并固連于機上傳感器之上[6]，通過機上采集器為標準力傳感器及機上腳蹬力傳感器供電，準備完成后力值由人為緩慢地為兩只傳感器施加，施力過程中由校準計算機持續記錄標準力傳感器與機上腳蹬力傳感器的輸出碼值數據。將標準傳感器的實驗室校準曲線作為參考，從記錄的數據中提取相應校準點，最終形成機上傳感器的校準曲線。

2.2 在線校準問題分析

在實驗室使用標準施力臺對標準力傳感器進行校準的過程中，均采用標準的10 VDC供電；但在飛機機艙內環境復雜，一般只能由采集器為該傳感器進行供電。這將造成標準傳感器在實驗室校準與機上校準時供電電壓值的不一致。由于標準力傳感器采用的是應變電橋原理，傳感器的輸出與其供電電壓成比例關系，供電電壓值的不一致會導致傳感器輸出電壓的不一致，影響機上腳蹬力傳感器的最終校準數據[7-8]。

理論上，應變電橋原理的傳感器輸出與其供電電壓成正比關系，但仍需要對標準力傳感器的輸出電壓與供電電壓的關系進行進一步實驗驗證。選擇一只標準腳蹬力傳感器，分別為其輸入供電電壓9.797 V、9.892 V、10.004 V及10.095 V，輸出數據如表1。

表1 不同供電電壓下傳感器輸出(mV)數據表

由表1可以分別計算出各組供電電壓下標準腳蹬力傳感器輸入力值X(N)—輸出電壓Y(mV)的關系曲線，見表2。可知該傳感器的輸出電壓與供電電壓成明確的正比關系，以10.004 V供電下標準腳蹬力傳感器的輸出電壓為基準，將傳感器輸出電壓與其供電電壓間的正比關系以斜率(mV/N)/供電(V)來考察，其相對誤差在0.06%以內。腳蹬力參數測試系統要求校準精度在1%內，因此在校準過程中可以忽略這一誤差的影響，可以將標準力傳感器輸出電壓與供電電壓作為完全的正比關系進行處理。

表2 不同供電電壓下傳感器輸出數據表

因此，由實驗室與機上標準力傳感器供電電壓不一致導致的標準力傳感器輸出電壓不一致的問題，可利用標準力傳感器輸出與供電電壓間的正比關系進行修正[9]。

3 在線校準方法研究

由本文上一節的分析可知，機載腳蹬力參數測試系統在線校準技術的整個實施環節可以按以下4個步驟分步進行。

3.1 標準傳感器的選擇

選擇一只標準腳蹬力傳感器，用作腳蹬力測試系統在線校準的標準使用。由于在課題中對機上腳蹬力傳感器要求的精度為0.5%，按GJB1692的要求，因此選擇的標準腳蹬力傳感器的精度必須要高于0.17%。另外，為避免在機上在線校準的過程中，由于受力點不一致導致標準腳蹬力傳感器與機上腳蹬力傳感器的輸出產生不必要的偏差，需要選擇與機上腳蹬力傳感器結構外形一致的高精度力傳感器作為標準[6]，要求其精度達到0.17%及以上。

3.2 標準傳感器的實驗室校準

參照標準Q/FY.J02.52.2-2013[2]，在實驗室環境下(溫度為22 ℃，濕度為45%RH，場壓為97.02 kPa)使用檢定精度為0.05%的BJM-10標準施力臺對標準力傳感器進行校準。使用高精度可調直流電源為標準力傳感器進行直流供電，供電電壓為10 VDC。通過標準施力臺逐步為標準力傳感器施加一系列共11個標準力值0 N、100 N、200 N、300 N、……、1000 N，對標準力傳感器進行逐點校準。反復進行3個正反形成的校準，逐點記錄下施加的標準力值與傳感器輸出電壓值，具體數據如表3。

表3 標準傳感器校準數據及分析

3.3 機上校準

實驗室將標準力傳感器校準完成后，采用雙面膠貼合與鋁箔膠帶固定相結合的方式將標準力傳感器緊密貼合并固連于機上腳蹬力傳感器的表面。由機上的采集器為標準力傳感器及機上腳蹬力傳感器同時進行供電。

實驗室校準過程中標準力傳感器的供電電壓與機上校準過程中采集器提供的供電電壓不一致，需要對標準傳感器的實驗室校準數據進行供電電壓不一致的修正：

其中:V實為實驗室校準過程中的供電電壓，單位為V；V機為機上現場校準過程中采集器施加的供電電壓，單位為V；U為實驗室校準時標準力傳感器輸出電壓，單位為V；U修為經供電不一致修正的標準傳感器的輸出電壓，單位為V。

最后，為將實驗室標準力傳感器的校準數據中的電壓值換算成碼值，需要獲得標準力傳感器所在采集器采集通道的電壓-碼值對應關系，采用現場為采集通道加電壓信號的方式獲得，對應關系如圖2所示。因此，經供電不一致修正的標準傳感器輸出電壓對應碼值M修為：

M修=1456.33U修+14563.33

由表3，將標準力傳感器的實驗室校準數據進行供電不一致修正，并進行碼值換算，獲得標準傳感器實驗室校準最終修正數據如表4所示。

最后，人為緩慢為標準力傳感器與機上腳蹬力傳感器施加力值，施力過程中通過校準計算機采集并記錄標準傳感器與機上傳感器的輸出碼值數據，記錄的兩只傳感器的碼值數據曲線如圖3所示。

圖2 標準傳感器采集通道電壓-碼值關系圖

表4 標準傳感器修正數據

圖3 標準傳感器及機上腳蹬力傳感器碼值曲線圖

3.4 校準數據的計算

以標準力傳感器的實驗室校準后經修正的數據(如表4)作為參考標準，并從機上校準過程中校準計算機記錄的數據曲線(如圖3)中提取相應合適的11個校準點(0 N、100 N、200 N、300 N、……、1000 N)，將兩組數據相結合，形成最終機上腳蹬力傳感器的校準數據，并將機上腳蹬力傳感器的輸出碼值按自由狀態的零位值進行零位修正，最終數據如表5所示。

4 工程驗證

選擇多架試驗機上共6個腳蹬力參數作為研究對象，對本文提出的腳蹬力參數測試系統在線校準技術進行驗證。

分別采用傳統的腳蹬力實驗室校準方法以及本文提出的腳蹬力參數測試系統機上在線校準方案來實現腳蹬力參數的校準。原實驗室校準的方法已經經過幾十年飛行試驗的驗證，其準確度與可信度非常高，可以將其作為基準與本文提出的新校準方法進行一致性比對來進行新校準方法的工程驗證[5]。

表5 腳蹬力傳感器校準數據

依據Q/FY.J02.52.2-2013試飛操縱力參數測試校準標準，分別采用傳統實驗室校準的方法與本文提出的新校準方法對6個腳蹬力參數進行校準。由此分別得到一共12組測量點(fmi,nmi),m≥9，i≥4。

由式(1)～(4)，按最小二乘法分別擬合這6個參數在兩種校準方法下的校準曲線[10]，(fm,nm)為各校準點測量結果的平均值。

(y,n)=A+B(x,f)

(1)

其中：

(2)

(3)

(4)

以某架機的一個腳蹬力參數測試系統為例，如圖4，采用傳統實驗室校準方法與本文提出的機上在線校準新方法得到的校準曲線基本重合。

圖4 兩種方法下校準曲線對比圖

截取這6個腳蹬力參數的部分飛行試驗數據，分別使用由傳統實驗室校準方法與本文提出的機上在線校準新方法獲得的校準曲線進行數據處理，校準結果的最大偏差如表6所示，B與A分別為各擬合直線的截距與斜率。在這兩種校準方法下的最大碼值偏差與總量程的比值不超過0.15%。根據標準Q/FY.J02.52.1-2013《試飛參數測試系統校準總則》[11]可知，采用本文提出的機上在線校準新方法獲得的校準曲線均能夠滿足測試精度需求，該方法切實有效，可以應用于機上腳蹬力參數測試系統的校準工作。

表6 兩種校準方法結果分析

5 結論

本文從理論分析出發，研究了一種機載腳蹬力參數測試系統現場在線校準方法，解決了其中供電不一致的問題，并最終完成了實驗室與工程驗證。該方法合理地解決了傳統校準方式下傳感器頻繁拆卸的問題，避免了拆卸造成的損壞，并提高了工作效率。在飛行試驗中，對多個腳蹬力參數采用傳統校準方法與新校準方法分別得到的校準曲線具有高度一致性，最大碼值偏差不超過總測量范圍的0.15%,滿足飛行試驗機載測試精度需求，能夠應用于機載腳蹬力參數測試系統的校準工作。