應變片動態(tài)校準數據處理系統設計

徐春柳 孫浩琳

航空工業(yè)北京長城計量測試技術研究所，北京 100095

0 前言

應變在國防工程上應用極為廣泛，涉及武器裝備從設計、裝配、實驗到故障監(jiān)測和診斷的全過程。機載應變監(jiān)測系統是結構健康監(jiān)測的關鍵，飛機結構關鍵部位的應變檢測對于保障飛機的結構安全、可靠性具有重要作用[1-2]；直升機槳葉疲勞壽命試驗、發(fā)動機疲勞試驗等也是對動態(tài)載荷進行監(jiān)測[3-5]。在裝備運行過程中，結構應變主要以動態(tài)應變的形式存在，因此，動態(tài)應變的測量越來越重要。目前，應變量計量中“靜標動用”的問題一直存在，對快速變化應變量測量結果的準確度不能保證[6]。因此，開展應變的動態(tài)校準，對數據進行正確的處理分析，以期最終解決其在真實應用環(huán)境下的計量問題。南京航空航天大學振動工程研究所基于LabVIEW軟件對動態(tài)應變測試系統數據進行采集與數據分析[7]；中國飛機強度研究所結合動態(tài)應變測試原理對WaveBook/516A數字式高速應變測試系統進行了分析，利用DASYLab搭建了具有測試、記錄和分析模塊的動態(tài)應變測試系統[8]；西北工業(yè)大學結構強度研究所利用霍普金森桿（Hopkinson bar）和應變片對高g值加速度傳感器進行校準[9]；貴州航天計量測試技術研究所提出了以霍普金森桿為動態(tài)應變激勵裝置的應變片動態(tài)校準激光絕對法沖擊校準裝置[10]。

本文提出一種以外差差動式激光測振儀為應變激光干涉測量系統的高幅值動態(tài)應變激光絕對法校準裝置，實現應變片的動態(tài)校準。針對實際應用中采集的電壓信號可能受到多方面干擾，從而影響應變片靈敏系數準確性的問題，本文重點研究動態(tài)應變校準裝置的數據處理系統，排除干擾，保證采集的激光和應變片電壓準確性，應變片靈敏系數分析的可靠性。

1 動態(tài)應變激光絕對法校準

動態(tài)應變激光絕對法校準裝置如圖1所示，包含脈沖應變激勵裝置——霍普金森桿、激光測量系統、應變片測量和數據采集處理系統。將應變片貼在霍普金森桿的中間位置測量應變變化，激光測振儀在加載桿末端測量應力波的波速，子彈撞擊霍普金森桿，產生脈沖激勵，應力波在霍普金森桿中傳遞，激光測振

儀將測量的光信號變化轉化為電信號，應變片測量感知的應變變化，利用激光測振儀得到的標準應變值實現對應變片靈敏系數的校準，計算公式為：

其中，k——應變校準后得到的應變片實際靈敏系數；

k0——應變放大器中默認設置的應變片靈敏系數；

εc——應變片測得的應變值；

εp——實際應變值。

1.1 動態(tài)應變激光測量原理

激光多普勒信號解調如圖2所示，多普勒信號fd通過Hilbert變換解調出正交信號I(t)、Q(t)，對I(t)、Q(t)信號進行計數、細分可以實現位移解調，對位移信號進行微分處理可以實現速度解調[11-14]。

首先對多普勒頻移信號進行A/D變換與Hilbert變換后，得到兩路離散的序列I(t)、Q(t)；對兩路信號進行除法運算，然后對所得的商進行反正切運算，可以得到相位序列φ(t)[15]：

其中，φ(t)——離散的相位序列；

I(t)、Q(t)——多普勒信號經過Hilbert變換后的正交離散信號；

由于反正切函數是一個多值且不連續(xù)的函數，為了獲得確定的值，要采用“位相展開”的算法來進行處理，使所獲得的相位值連續(xù)。φ(t)經過位相展開和適當計算以后可以得到相位值連續(xù)的離散序列s(t)：

其中，s(t)——霍普金森桿端面的位移信號；

λ——激光的波長；

k——通過位相展開算法得到的各個值。

對位移進行微分處理即可得到速度信號：

其中，v(t)——霍普金森桿端面的速度信號。

根據經典的霍普金森桿理論，在單端沖擊作用下，沖擊速度量值與霍普金森桿的應變量值存在確定的線性關系。校準裝置測量應變值的計算公式為：

其中，vj——校準裝置測得的加載桿端面的速度，即v(t)的最大值；

c——加載桿材料的彈性波速。

其中，E——彈性模量；

ρ——加載桿材料密度。直接以激光干涉法進行應變測量，需要對激光多普勒信號進行快速解調，軟件方式需要人工干預，較難實現自動化快速解調。本裝置使用硬件解調實現，包含激光干涉信號的倍頻、非線性補償、整形、計數等信號解調技術，輸出為速度電壓信號。

1.2 應變片測量原理

應變片的應變計算公式為[16]：

其中，Eout——應變放大器的輸出電壓；

K——應變片靈敏系數；

Ein——應變放大器橋路供電電壓，有用橋臂數為工作片數量（不含補償片），增益為應變放大器的電壓放大倍數。

在實際工作中，應變放大器中默認設置的應變片靈敏系數k0=2.00，根據公式（1）計算出的k即為校準后的應變片實際靈敏系數。

2 數據處理與校準軟件設計

2.1 數據處理

在實際應變校準工作中，激光測振儀與應變放大器輸出的電壓信號存在一定的零漂（本文零漂是指輸入為零時采集到的輸出電壓非零）。圖3（a）為激光測振儀輸出電壓繪制的波形圖，圖3（b）為圖3（a）中紅色標注部分的局部放大波形。從圖3可以看出，電壓波形起點不是從水平零線開始，存在一定的正向偏移，且零漂電壓在一定范圍內波動，非某一固定值。

為動態(tài)應變激光絕對法校準裝置提供激勵，以激光測振儀輸出電壓為例進行多次采集，匯總數據如表1所示。

表1 激光測振儀輸出電壓

從圖3和表1可以看出，激光測振儀輸出的電壓波形起點在15 mV左右，零線電壓波動最大值為5.4 mV，零線位置存在偏移，對后續(xù)應變的計算產生最大約0.15%的影響。為提高應變片靈敏系數校準的準確度，需要對零漂進行處理。考慮到實際中應變放大器輸出早于激光測振儀輸出，因此以應變放大器輸出的電壓波形為依據，確定零線選取范圍，計算零漂值。零線自動選取算法具體步驟如下：

（1）對激光測振儀和應變放大器輸出信號進行低通濾波處理；

（2）計算應變放大器輸出電壓的峰值，以10%峰值電壓的所在位置作為零線終點，計算零線終點與2.5的比值，并以該比值作為零線起點；

（3）判斷零線終點與零線起點位置是否合理，如果合理則進入步驟（4），若不合理，根據實際情況人為指定零線起點與零線終點位置；

（4）根據選定的零線范圍計算零線平均值，作為零線偏移值。

根據上述零線自動選取算法，可以計算出激光測振儀和應變放大器輸出電壓的零漂量，低通濾波處理后的激光和應變電壓值分別與對應的零漂值相減，并按上述相關公式（1）、公式（5）、公式（7）進行計算，最終可實現對應變片靈敏系數的校準。

2.2 校準軟件設計

霍普金森桿動態(tài)應變激光絕對法校準裝置軟件總體結構圖如圖4所示，包含采樣設置、數據處理和文件的打開保存。參數設置與采樣用于在開始采樣前對通道、采樣率、采樣點數等參數進行設置；數據處理是指可以根據直接采樣到的數據計算零漂值、低通濾波處理以及應變值、校準后應變片靈敏度系數；文件功能是指軟件可以對采集和計算的結果以.txt格式進行保存，前面板內容以.jpg格式保存，并可以對已保存的歷史記錄進行查看。

AD采樣選用NI公司的USB-6366采集卡實現激光測振儀輸出速度信號與應變放大器輸出電壓的采集。通過DAQmx參考觸發(fā)（模擬邊沿）模塊對觸發(fā)邊沿、觸發(fā)電平、觸發(fā)前采樣點數進行設置，采集程序設計如圖5所示。

對USB-6366采集卡的兩路輸入信號進行低通濾波處理，以避免高頻噪聲的干擾。濾波部分選用巴特沃斯濾波器實現低通濾波功能，根據實際需求確定濾波頻率。數據處理軟件流程圖如圖6所示。

3 試驗結果及分析

將中航工業(yè)電測儀器公司生產的應變片（型號：BA120-4AA（23）N6）貼在霍普金森桿的中間位置，配套使用KYOWA應變放大器（型號：CDV-900）測量應變片的應變變化，以Polytec激光測振儀為激光應變測量裝置，測量霍普金森桿中應力波的波速變化。激光測振儀輸出的速度信號和應變放大器輸出的電壓信號分別連接到USB-6366的IO 0和IO 1通道，設置采樣率為2 MHz，觸發(fā)電壓為0.2 V，濾波頻率為80 kHz，應變放大器默認靈敏系數為2.0，橋路供電電壓為2 V，放大倍數為2,000，激光測振儀速度擋位為4.9 m/s/V，霍普金森桿的彈性波速為5,200 m/s，材料密度為7,850 kg/m3。

3.1 零漂處理

對表1實驗中采集的5組激光測振儀輸出電壓數據分別進行零漂處理，記錄零漂處理后激光測量的應變值零線波動范圍與應變峰值的百分比，5次試驗結果匯總如表2所示。

對比表1和表2中零線波動與峰值的百分比發(fā)現：經零漂處理后，零線波動與峰值的比值明顯下降，降幅約為50%（零漂處理后百分比/零漂處理前百分比）。試驗表明，零漂處理提高了激光測振儀和應變放大器輸出電壓的可靠性，為后續(xù)應變片靈敏系數校準的準確性提供了基礎。

表2 零漂處理后激光測量應變量

3.2 校準試驗

對應變片進行多次校準試驗，記錄零漂處理前后激光、應變片測量的應變值和應變片校準后靈敏系數，試驗數據記錄如表3和表4所示。

表3 零漂處理前應變

表4 零漂處理后應變

表3為零漂處理前，激光、應變片測量的應變值和校準后應變片靈敏系數；表4為零漂處理后，激光、應變片的應變值和校準后應變片靈敏系數。表3和表4中應變值按下述公式（8）計算應變相對偏差，所得結果繪制相對偏差波形圖，如圖7所示。

其中，kb——應變片標稱靈敏系數，本文為2.15±1%。

根據圖7可以看出，激光測振儀和應變放大器的輸出電壓經零漂處理后，最大應變相對偏差減小，相對偏差更加穩(wěn)定。

4 結束語

本文針對動態(tài)應變激光絕對法校準中采集電壓存在零漂的問題，提出了基于零線自動選取算法的數據處理方法，編制了數據處理軟件。經試驗表明，零漂處理提高了應變片靈敏系數校準的可靠性與準確性，降低了應變最大相對偏差，為后續(xù)動態(tài)應變校準工作提供了一定的參考。