慣性器件多參數測試設備校準技術關鍵問題

關偉

(國營長虹機械廠,廣西 桂林 541002)

0 引言

慣性器件多參數測試通過專門的試驗設備按規定要求產生加速度、角速度、溫度、濕度等多種參數激勵慣性器件(包括慣性儀表和慣性系統),以辨識多種非理想輸入綜合作用導致的慣性器件誤差模型并進行針對性補償,是一種聚焦慣性器件實際使用的復雜高精度標定技術。從技術發展脈絡看,慣性器件多參數測試技術脫胎于綜合環境試驗技術,如國家軍用標準規定的溫度-濕度-振動-高度試驗[1]、振動-加速度試驗[2]等。因此,現有的慣性器件多參數測試設備,大多參考綜合環境試驗設備設計,如標定慣性器件溫度敏感性的離心-溫度測試系統、轉臺-溫度測試系統[3],標定振動引入誤差的離心-振動測試等[4]等。相應的計量檢定標準和校準規范,如全國慣性技術計量技術委員會組織編制的《離心-振動復合裝置校準規范》《離心-溫度復合裝置校準規范》等[5]標準規范,也參考了環境試驗設備校準檢定標準,如電工電子產品環境試驗設備的檢定方法[6]、軍用機載設備氣候環境試驗箱的檢定方法[7],以及環境試驗系統的國家校準規范[8-9]等。

隨著慣性技術的不斷發展,以及實戰化、野戰化戰斗要求的不斷提升,慣性器件多參數測試設備的指標要求越來越高,逐步脫離了環境試驗設備的范疇。比如,某型石英加速度計為標定1×10-3(m·s-2)/℃量級的偏值溫度系數,要求溫箱的溫度誤差為±0.5℃;為標定3×10-3m/s2的振動整流誤差,要求正弦振動峰值加速度允差為±5%。因此,如使用振動-溫度復合測試系統考察該加速度計偏值在振動和溫度復合作用下的變化情況,則應參考上述指標配置測試系統。而一般環境試驗用溫箱允許的溫度誤差為±2℃,正弦振動峰值加速度允差為±10%,所以環境試驗設備的校準規范或檢定方法越來越不能滿足慣性器件高精度標定的要求。更重要的是,目前多參數測試設備的校準方法主要沿用環境試驗設備計量校準采用的分立校準方法,即在保證校準過程中環境條件變量單一的情況下單獨評估多參數測試設備的某個輸出參數的量值準確性。這種變量單一的校準條件與多參數試驗設備的實際運行條件有很大區別,導致校準結果的實用性有限。

本文分析多參數測試設備的校準問題,綜述國內多參數測試設備計量技術的研究情況,指出提升高多參數測試設備校準能力需要解決的關鍵問題,供相關研究人員參考。

1 多參數測試設備校準技術現狀

慣性器件多參數測試是高精度試驗,只有同時準確獲取多個參數的量值,才能構建多個參數復合作用與慣性器件輸出誤差之間的模型。因此,在多參數同時存在、相互耦合的情況下開展校準工作是多參數測試設備校準的基本要求。然而,由于技術水平所限,目前多種參數復合條件下的校準方法,依然是在保證環境變量單一的情況分別進行分立校準。在溫度-濕度-振動綜合環境試驗系統校準規范中,規定在振動臺不工作的情況下,校準溫度、濕度和氣流風速[9];在電磁-溫度-濕度復合試驗系統中,研究人員提出對溫度、濕度進行獨立標定[10]。在包含多種參量的風洞測量系統中,對測量壓力、溫度、應變等各種傳感器和測量系統進行分立檢定[11]。

雖然分立校準的方法能夠大幅度減少其他參數對被校準參數的影響,獲得較為準確的測量數據。但是,由于校準環境與實際工作環境不一致,難以嚴格保證在多參數復合環境下各參量傳感測量元件或系統能夠按照校準的特性工作。在包含振動臺的振動-溫度-濕度綜合環境試驗系統中,振動臺工作時產生的電磁和機械振動,可能影響溫濕度傳感器和風速傳感器,造成測量誤差[12]。在離心-振動機試驗系統中,由于振動傳感器的橫向靈敏度特性,離心-振動機產生的橫向加速度將造成振動傳感器測量誤差[13]。在低氣壓-溫度試驗中,有學者指出,低于1 kPa的真空試驗輻射傳熱占據主導位,溫度計的放置位置、面積和表面發射率等對測量結果都有影響,與高于1 kPa的情況有較大區別[14]。

因此,在多參數測試設備的校準工作中,從準確掌握被校產品或系統的實際工作特性出發,分立校準方法有較大的限制。為實現在多參數同時存在、相互耦合的情況下開展高精度校準工作,需要開展專門的多參數復合條件下的校準技術研究。

2 多參數測試設備校準技術的關鍵問題

2.1 適用于多參數復合環境的傳遞標準

傳遞標準或標準測量傳感器是多參數測試設備計量的基礎。傳遞標準與產品一樣受多參數復合影響。如前所述的振動傳感器,因為本身的傳感器機理、結構特性、材料特性等方面原因,使傳感器輸出受到了多個參數干擾。為實現多參數復合環境下各種參數量值的準確傳遞,需要從硬件和軟件兩方面入手。

硬件方面,參考自校準技術在多通道測試設備中的應用,需要研制新型的傳感器,作為各種參數的傳遞標準[15]。一種是在環境試驗箱內的“內基準”,負責敏感溫度、濕度、氣壓、電磁、噪聲等與環境參數,一種是在環境試驗箱外的“外基準”,敏感加速度、角速度等運動信息參數,主要是各種慣性儀表。內基準面臨的多參數復合作用較為復雜,尤其是溫度、濕度、氣壓緊密耦合,在加速度、角速度作用下溫度場、濕度場等可能呈現特殊的變化,導致環境試驗箱內的試驗條件難以直觀分析,在復雜條件如何保證測量數據的有效性是內基準設計的難點;外基準受到的干擾主要來自多參數測試設備本身,包括機械結構安裝設計誤差、熱傳遞、空間電磁干擾等,屬于傳統的慣性儀表誤差。硬件方面對于誤差的處理,思路之一是采用隔離的辦法,比如為測量噪聲的傳感器設計專門的溫控裝置,保證其不受溫濕度影響,或采用專門設計,避免產生影響校準的各種干擾,如采用半導體溫控,可以避免電磁輻射和音頻振動等干擾[16];思路之二是采用補償措施,比如采用溫度敏感的應變片,補償溫度引起的傳感器底座變化,保證傳感器安裝穩定。

軟件方面主要是補償多參數復合作用導致的傳感器輸出誤差。多個參數有各自的時、空變化規律,且有的參數相互影響,由此導致對傳感器的干擾呈現非線性時變特性,如何在算法層面剝離這種干擾,還原傳感器的有效測試數據是軟件方面的主要工作。軟件算法主要用于事后處理,在數據采集與處理系統中實現。從目前的技術水平和實踐經驗來看,多參數測試一般是“準靜態測試”,待測試環境較為穩定時進行測試工作。此時測試設備中多個參數相互影響引起的輸出波動能夠控制在相對小的范圍內,使各參數的傳感器以線性特性為主,以便通過多元線性回歸等方式獲得可實用的結果。在各參數短時波動較大且不規律的情況下,通過神經網絡、灰色預測等非線性建模手段難以獲得重復性、一致性較好的結果。

2.2 多通道異步數據的同步采集與動態校準技術

多參數測試要求獲取不同參數共同作用下被測產品的特性,例如在加速度、溫度、氣壓與慣性器件某項技術指標之間的多輸入-單輸出關系,這就要求實現不同參數數據的同步采集、實時顯示及數據融合處理。

第一,要求采用有線或無線的方式,構建包含內基準、外基準的多傳感器網絡,解決硬件互聯的問題;第二,要求考慮多個參數不同的時空變化規律和綜合作用引起的非線性時變特點,設計合理的采集方案。比如,溫度、濕度、氣壓的聯動變化及各自延時變化特點影響了內基準所處環境的穩定時間;機械結構熱傳導和電氣部件電磁場的時變規律不同步,也影響了外基準所處環境的穩定時間。所以,選取內外基準穩定窗口的交叉部分,才能獲取有意義的測量數據。第三,要研究動態校準技術,在各個參數發生系統工作特性(比如穩定性、重復性、空間的均勻性等)不一致的情況下,實現動態多參數的測試校準。

2.3 多參數測試設備的可計量性設計

目前多參數測試設備的設計主要參考綜合環境試驗設備,尚未建立起專門的慣性器件多參數測試設備設計理論和方法,雖然在提升試驗設備精度方面取得了較大的進步,但是在設備研制之初并未系統性地考慮其計量需求,導致多參數測試設備的計量工作出現難題。比如,在振動-溫度-濕度綜合試驗中,因電磁振動臺和溫濕度發生系統工作時產生的電磁干擾,實質上是電磁-振動-溫度-濕度綜合激勵,且電磁環境比較復雜,對電磁敏感的慣性儀表開展此類測試將帶來較大的測試誤差。如果在試驗系統設計之初不考慮電磁干擾影響及計量要求,就會給后續計量工作帶來較大的限制,比如磁場傳感器的安裝位置、體積、質量等等,以至于難以準確獲取電磁干擾的數據,無法補償其引入的誤差。另一個典型的例子是離心-振動機試驗系統,如前所述,振動臺控制系統是通過振動傳感器敏感振動加速度,再進行反饋控制以達到設定的振動幅值。離心-振動機正常運轉時,若通過離心機的導電滑環傳遞振動傳感器模擬量數據(弱電信號),則會引入較大的誤差,必須考慮其他的數據采集方式,比如無線數據采集,或者本地數據采集存儲。但是,無線數據采集方式帶來的數據丟失問題、帶寬限制問題,以及本地數據采集存儲模塊的可靠性問題,都是需要提前考慮和設計解決的,否則實際使用存在較大困難。

3 結論

慣性器件多參數測試設備的校準能力決定了多參數復合條件下慣性器件的測試水平和誤差補償能力,對提升慣性器件實際使用精度和評估鑒定能力有重要影響。現行多參數測試設備沒有成體系的計量標準,采用分立的方式校準多參數測試設備存在校準環境與實際工作環境不一致的問題,影響了校準結果的實用價值。通過開展多參數測試設備的可計量性設計研究,開發適用于多參數復合環境的傳遞標準,突破多通道異步數據采集與動態校準等關鍵技術,能夠有力支撐多參數測試設備的校準能力提升。