試飛測試系統壓力參數在線校準方法與裝置

李紹闊，馮仁劍*，李盧丹，張玉琴

（1.精密光機電一體化技術教育部重點實驗室（北京航空航天大學），北京 100191；2.中國飛行試驗研究院，陜西 西安 710089）

0 引言

壓力參數是試驗機的常規必測參數，試驗機的燃油系統、液壓系統以及環控系統都需要進行大量的壓力參數測試［1］。試飛測試系統是完成壓力參數測試的配套設備，包括傳感器、信號調節器、數據采集器和數據記錄器［2］。為確保壓力測試數據的準確可靠，實現被測參數量值的溯源，需定期對測試系統進行校準。當前的校準方法為實驗室校準。實驗室校準技術較為成熟，但需將測試系統拆卸，存在易損壞設備接口和不能反映測試系統工作環境等問題，而在線校準適用于被校準設備不宜拆裝的情況。但目前國內還沒有建立適合于民機試飛測試系統壓力參數在線校準的方法及規范，因此研究測試系統壓力參數在線校準方法具有重要意義。

校準環境由實驗室移到了現場，在線校準過程中需充分考慮溫濕度和大氣壓等環境因素對校準結果的影響［3］。國內外已有諸多研究人員對在線校準技術進行研究。楊懿和陳文麗［4］等人研究了一種液體火箭發動機穩態壓力測量系統在線校準方法，通過三次樣條插值法對壓力傳感器進行溫度補償，降低了環境溫度對傳感器的影響。趙靜和李鑫武［5］開展了壓力儀表在線校準環境影響因素試驗研究，分析了不同環境溫濕度對壓力表和數字壓力計的影響，為壓力在線校準的數據補償提供了依據和參考。Yeung H和Lane BM［6］等人于2020年首次提出了用于傳感器網絡仿真的框架，從而能夠對多種具有可重復性和可擴展性的在線校準策略進行系統的比較。Yoon S［7］針對空氣處理單元中傳感器在線校準的局限性，結合自動編碼器和貝葉斯推理，提出了一種改進的傳感器在線校準方法，使用三步策略構造自動編碼器輸入變量，并采用新的距離函數，達到了良好的校準效果。

基于上述理論研究，本文提出了一種試飛測試系統壓力參數的在線校準方法，構建了標準壓力傳感器在溫度復合下的溫度補償模型，并研制了在線校準裝置，通過初步試驗驗證了校準方法的合理性。研究結果對降低校準的人力和時間成本，提高飛行試驗效率具有重要意義。

1 壓力參數在線校準

1.1 壓力參數在線校準方法

在線校準根據工作方式可分為接入式校準和非接入式校準［8］。本方法采用接入式校準，通過接入更高精度的標準壓力傳感器，進行比對校準。

試驗機上各種管路縱橫交錯，壓力源輸出壓力通過各種開關閥體達到各自系統進行各自相應的動作。當需要進行校準時，將標準壓力傳感器安裝于事先預留的待測壓力的壓力支路，利用飛機管路介質產生的壓力作為壓力源，通過記錄標準壓力傳感器的輸出，比對被校準測試系統壓力的輸出，達到在線校準的目的。

1.2 壓力參數在線校準技術指標

測試系統測量的壓力參數具有數量大、量程范圍寬（從0~50 MPa不等）的特點。為滿足測試系統不同壓力參數的校準需求，需對校準范圍進行量程分段。通過對壓力參數進行統計分析，最終將標準壓力傳感器的量程范圍分為三種，見表1所示。

表 1 標準壓力傳感器的技術指標Tab.1 Specifications of standard pressure sensors

1.3 壓力參數在線校準方案

試驗機上壓力參數經過信號調節器和數據采集器獲得，再通過網絡傳輸或保存在測試系統的數據記錄器。校準時，試驗機正常工作提供壓力源，校準管理計算機通過以太網方式或脈沖編碼調制（PCM）方式與測試系統通信獲取被校準壓力測試單元的壓力測量值，同時通過壓力校準裝置獲取壓力標準值以及環境溫濕度和大氣壓，最后通過對壓力標準值和測量值分析處理，得出被校準壓力測試單元的校準精度并生成校準報告。壓力參數在線校準示意圖如圖1所示。

圖1 壓力參數在線校準示意圖Fig.1 Schematic diagram of field calibration of pressure parameters

2 標準壓力傳感器

根據壓力參數在線校準技術指標，選擇標準壓力傳感器。0 ~ 0.5 MPa和0 ～5 MPa量程的傳感器為數字輸出型，0 ～ 50 MPa量程的傳感器為模擬電流輸出型。校準現場為寬溫環境，為保障校準工作的順利進行，傳感器需能夠在0 ～ 50 ℃的環境正常工作。數字輸出型傳感器采用數字化誤差補償技術已實現傳感器的線性、零點、溫漂、蠕變等性能參數的綜合補償；而該模擬電流輸出型傳感器為硅壓阻型傳感器，其輸出受溫濕度和電源波動等因素的影響，其中溫度是主要的影響因素［9］。因此需要通過實驗獲得該傳感器在溫度復合情況下的量值特性規律，構建溫度補償模型。

目前常用的溫度補償方法主要分為硬件補償和軟件補償。硬件補償通過優化測量電路的溫度敏感特性實現，存在補償方法復雜，通用性較弱等缺點，不能滿足工程應用要求［10］。軟件補償通過構建溫度復合下待測壓力與傳感器輸出的函數關系實現，主要分為人工智能和數值計算兩類［11］。試飛測試系統壓力參數校準現場環境溫度動態變化，要求溫度補償模型具有低復雜度、高補償速度的特點?；谌斯ぶ悄艿难a償方法對樣本規模與樣本質量要求較高，且補償效果正比于模型復雜度，不利于在線補償；而數值計算的方法具有對建模數據要求不高、補償速度快的特點，易于實現在線補償［12-14］。本文提出了一種在全溫區進行數據采集的基礎上，采用最小二乘擬合原理和線性插值原理構建溫度補償模型的方法。

壓阻式壓力傳感器的溫度漂移主要由熱零點漂移、熱靈敏度改變和熱遲滯效應造成［15］。通過測試，0 ~ 50 MPa量程壓力傳感器的輸出和溫度呈一一對應的關系，即傳感器的熱重復性較好，可以忽略熱遲滯效應帶來的測量誤差。通過數字補償方式，實現傳感器的熱零點和熱靈敏度誤差補償。

使用標準壓力發生器在0，5，10，15，20，25，30，35，40，45，50 ℃下對0 ～ 50 MPa量程傳感器進行加壓測試，得到不同溫度下傳感器測量值與標準值呈線性關系。在0 ℃的關系曲線如圖2所示。

圖2 溫度0 ℃測量值與標準值的關系Fig.2 Relationship between measured value and standard value at 0 ℃

傳感器的輸出電流經過采樣電阻轉換為電壓信號，校準軟件獲取電壓值后通過壓力-電壓關系式轉換為壓力值。其轉換關系為

式中：Pm為測量壓力值，MPa；U為電壓值，V。

對不同溫度下的測量值與標準值進行最小二乘擬合，得到測量值與標準值的關系式，并由此得到不同溫度下修正后的壓力-電壓關系式。不同溫度下，關系式的斜率和截距如圖3所示。

圖3 斜率和截距隨溫度的變化曲線Fig.3 Variations of slope and intercept with temperature

傳感器的溫度補償通過軟件實現，補償方式為：①軟件啟動時自動加載0，5，10，15，20，25，30，35，40，45，50 ℃下傳感器的壓力-電壓關系式的斜率和截距數據，讀取校準裝置中溫度傳感器的測量值T；②根據測量值T，通過線性插值的方式計算該溫度下傳感器壓力-電壓關系式的斜率a和截距b；③獲取輸出電壓值U，根據關系公式，將電壓值轉換為壓力值。

3 壓力參數在線校準裝置

3.1 校準裝置結構設計

根據壓力參數校準需求，溫濕度和大氣壓傳感器用于獲取校準現場的環境信息，并最終記入校準報告。同時校準軟件根據溫度測量值對0~50 MPa量程的標準傳感器進行溫度補償。對校準裝置進行結構設計，其結構示意圖如圖4所示。各傳感器的數據傳輸方式見表2所示。

表2 傳感器的數據傳輸方式Tab.2 Data transmission method of sensor

圖4 校準裝置結構示意圖Fig.4 Schematic diagram of the structure of calibration device

校準裝置實物圖及內部連接圖如圖5所示。

圖5 校準裝置實物圖及內部連接圖Fig.5 Physical drawing and internal connection diagram of calibration device

3.2 校準裝置不確定度分析

3.2.1數字輸出型傳感器的不確定度評定

0 ~ 0.5 MPa和0 ~ 5 MPa量程傳感器的最大允許誤差分別為±0.1 kPa和±1 kPa，且都服從均勻分布，傳感器的標準不確定度為

式中：uc1為傳感器的標準不確定度，kPa；MPEV為傳感器的最大允許誤差絕對值，kPa。由此得到，0~0.5 MPa量程傳感器的不確定度為0.071 kPa，0 ~5 MPa量程傳感器的不確定度為0.71 kPa。

3.2.2模擬輸出型傳感器的不確定度評定

0 ~ 50 MPa量程的傳感器為電流輸出型。傳感器的輸出電流經過采樣電阻轉化為電壓信號，經過A/D采集電路轉換為數字信號，再經由A/D-USB模塊傳輸。中間的轉化步驟引入了新的不確定度分量，不確定度分量包括傳感器的不確定度，采樣電阻的不確定度和A/D采集電路的不確定度。

1）傳感器引入的不確定度分量

傳感器的最大允許誤差為σS=±20 kPa，且服從均勻分布，傳感器的不確定度為

2）采樣電阻引入的不確定度分量

電路中采樣電阻由兩個貼片電阻并聯組成。貼片電阻為高精度電阻，電阻型號為CAST RJ 711- 0.25 W，電阻的溫度特性為1×10-5Ω/K，年穩定性≤0.005%。貼片電阻的誤差為

式中：σr為貼片電阻的誤差，Ω；Tc為實際環境溫度，K；Tb為貼片電阻的標準環境溫度，298.15 K；Cr為貼片電阻的溫度特性。

在0 ~ 50 ℃環境下，采樣電阻的最大允許誤差為σR=±1.25×10-4Ω，且服從均勻分布，采樣電阻的不確定度為

3）A/D采集引入的不確定度分量

校準裝置使用的A/D采集卡為NI USB - 6002系列數據采集設備，依據使用手冊中的數據，A/D采集的誤差為σAD=±0.31 mV，且服從均勻分布，A/D采集的不確定度為

4）合成不確定度

傳感器在正常工作范圍內其電流值和壓力值呈線性關系。量程為50 MPa，電氣輸出量程為16 mA，測量輸出量的靈敏系數cI=0.32 mA/MPa。壓力-電流轉換關系為

式中：F為壓力值，MPa；I為傳感器輸出電流，mA；σS為傳感器測量誤差，MPa。

傳感器的合成不確定度為

式中：ucF為傳感器的合成不確定度，MPa；ucI為輸出電流的不確定度，mA；ucS為傳感器的不確定度，MPa。

電路中電流-電壓關系式為

輸出電流的不確定度為

式中：R為采樣電阻阻值，取278.59 Ω；U為電壓值，mV。

結合式（8）和（10）可得傳感器的合成不確定度的最大值約為14.547 kPa。

4 在線校準軟件

壓力參數在線校準軟件基于QT設計完成，主要用于采集在線校準裝置的測量數據和被校準壓力測試系統的測量數據，并對數據進行處理最終生成校準報告。壓力參數在線校準軟件的流程如圖6所示。

圖6 在線校準軟件的流程圖Fig.6 Flow chart of field calibration software

在線軟件的主要功能為：

1）解析并保存試飛測試系統配置信息

試飛測試系統的配置文件為XidML格式，文件內容包括測試系統的IP地址和端口號等通信所需信息。初次使用校準軟件時選擇需要解析的XidML配置文件，程序自動對該配置文件進行解析，并將解析的信息顯示到程序UI界面，同時將解析的全部信息保存到SQLITE數據庫，待下次打開軟件時自動從數據庫加載配置信息，無需再次解析。

2）采集校準裝置中各傳感器的測量數據

在線校準軟件通過定期對0 ~ 0.5 MPa量程傳感器和0 ~ 5 MPa量程傳感器發送串口指令，接收兩個傳感器的測量數據。0 ~ 50 MPa量程傳感器、溫濕度傳感器和大氣壓力傳感器的輸出為模擬信號，通過采樣電路與A/D - USB模塊將模擬信號轉換為數字信號并傳輸至在線校準軟件。在線校準軟件在程序界面實時顯示校準裝置各傳感器的測量數據。

3）獲取被校準壓力測試單元的測量數據

被校準壓力測試系統的測量數據通過以太網或PCM形式傳輸至在線校準軟件。在線校準軟件對來自被校準壓力測試系統的測量值進行解析，轉換為十進制的數據，并實時顯示在程序主界面。

4）生成校準報告

在線校準軟件同時獲取校準裝置中各傳感器的測量數據和被校準壓力測試系統的測量數據，并以固定格式顯示到程序界面，待獲取數據完成后，即可選擇生成校準報告功能，程序會自動將校準數據保存到指定的Excel表格中，生成校準報告。

5 實驗驗證

使用范圍-100 ~ 100 kPa至0 ~ 10 MPa，準確度等級0.01級和范圍1 ~ 60 MPa，準確度等級0.005級的標準壓力發生器對在線校準裝置進行校準，其校準過程為：①將校準裝置置于20 ℃環境中，靜置2 h；②使用標準壓力發生器對校準裝置的壓力傳感器均勻加壓至傳感器量程上限，然后再均勻減壓至量程下限，并記錄校準數據；③借助溫控箱將校準裝置分別置于0 ℃和50 ℃環境中，重復步驟②。校準結果見表3所示。

表3 標準壓力傳感器校準結果Tab.3 Calibration results of standard pressure sensor

由表3可知，0 ~ 0.5 MPa，0 ~ 5 MPa和0 ~ 50 MPa量程的標準壓力傳感器，在0，20，50 ℃下的不確定度的最大值分別為0.032，0.4，16 kPa，全部達到了預期技術指標，所設計的校準裝置準確可靠。

6 結論

針對試驗機壓力參數眾多且量程范圍不一的問題，提出了分段校準的方法，選取三個不同量程和不確定度的傳感器作為標準傳感器。針對校準現場環境溫度動態變化，0 ~ 50 MPa量程標準傳感器存在溫度漂移的問題，通過實驗獲得了標準傳感器在不同溫度的壓力-電壓關系模型，并通過在線校準軟件實現了實時溫度補償。最后通過校準驗證了在線校準裝置的可靠性。該在線校準方法能夠有效降低校準周期，為提高飛行試驗的效率奠定了基礎。