白 雪 孫娟萍

FDS測(cè)壓系統(tǒng)校準(zhǔn)及不確定度評(píng)定

白 雪 孫娟萍

針對(duì)飛行試驗(yàn)壓力測(cè)試設(shè)備安裝空間有限，待測(cè)壓力點(diǎn)多，精度要求高的問(wèn)題，機(jī)載測(cè)試首次引入以壓力掃描閥為核心的FDS（Flight Data System）測(cè)壓系統(tǒng)。為了保證FDS系統(tǒng)在飛行試驗(yàn)中的測(cè)試精度，提高校準(zhǔn)效率，本文提出一種多通道的系統(tǒng)校準(zhǔn)方案，根據(jù)方案進(jìn)行比對(duì)校準(zhǔn)試驗(yàn)，由校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析FDS系統(tǒng)精度，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行不確定度評(píng)定。

飛行試驗(yàn)壓力測(cè)試具有待測(cè)點(diǎn)多，精度要求高的特點(diǎn)。傳統(tǒng)的壓力傳感器具有一定的局限性。FDS（Flight Data System）飛行測(cè)壓系統(tǒng)，是以DTC系列ESP掃描閥為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)在飛行試驗(yàn)中實(shí)時(shí)采集飛機(jī)管路氣體壓力，并將測(cè)試數(shù)據(jù)傳輸?shù)接涗浧鞔鎯?chǔ)。與同類型產(chǎn)品相比，本系統(tǒng)具有測(cè)試通道多、體積小、精度高、可靠性高、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足飛行試驗(yàn)中日益增長(zhǎng)的壓力測(cè)試需求。FDS測(cè)壓系統(tǒng)的校準(zhǔn)精度直接影響飛行試驗(yàn)壓力測(cè)試的精度，由于FDS測(cè)壓系統(tǒng)在飛行試驗(yàn)研究中尚沒(méi)有使用的先例，本文介紹FDS系統(tǒng)的基本組成和工作原理，在熟悉了系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)后，提出一種多通道的FDS系統(tǒng)校準(zhǔn)方法，提高了系統(tǒng)校準(zhǔn)效率，縮短了飛行試驗(yàn)的校準(zhǔn)周期。

FDS飛行測(cè)壓系統(tǒng)介紹

FDS是功能強(qiáng)大的雙處理器試飛數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。如圖1所示，F(xiàn)DS主機(jī)與DTC（Digital Temperature compensation）ESP（Electronic Pressure Scanners）電子壓力掃描閥是構(gòu)成飛行測(cè)壓系統(tǒng)的主要部件，它們配套使用，在飛行試驗(yàn)研究中提供精度優(yōu)于±0.05%的多通道高速高精度機(jī)載壓力測(cè)試。

FDS主機(jī)

FDS主機(jī)是全集成式堅(jiān)固設(shè)計(jì)的儀器，由基于雙處理器板的數(shù)據(jù)采集單元和系統(tǒng)控制單元組成。FDS主機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示，它可兼容8個(gè)32通道或者64通道的DTC ESP掃描閥，提供多達(dá)512通道的壓力測(cè)試。多個(gè)FDS主機(jī)可以通過(guò)通用的以太網(wǎng)連接在一起，構(gòu)成規(guī)模更大的壓力測(cè)試系統(tǒng)。

在機(jī)載測(cè)試過(guò)程中，F(xiàn)DS主機(jī)采用單一非穩(wěn)壓18～36VDC直流供電，F(xiàn)DS主機(jī)提供最大速率為650 次/s/通道的掃描速度完成全部測(cè)試通道的壓力數(shù)據(jù)采集工作，包括實(shí)時(shí)非線性補(bǔ)償、實(shí)時(shí)數(shù)字溫度補(bǔ)償計(jì)算、實(shí)時(shí)工程單位轉(zhuǎn)換輸出。FDS主機(jī)支持軟件觸發(fā)和硬件觸發(fā)采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包帶ID戳來(lái)表示相對(duì)時(shí)間，傳輸?shù)街鳈C(jī)的工程單位數(shù)據(jù)吞吐率最高可達(dá)1200Hz/每通道。FDS主機(jī)將校準(zhǔn)系數(shù)保存在DTC ESP掃描閥內(nèi)部的存儲(chǔ)器中，用于自動(dòng)修正非線性、溫度漂移和靈敏度漂移（斜率），可以在線調(diào)零校準(zhǔn)。FDS主機(jī)支持DTC ESP掃描閥的所有功能特性，包括壓力傳感器溫度讀出、內(nèi)部推閥控制、可編程降量程功能和內(nèi)部閥位檢測(cè)。

在Windows?系統(tǒng)下采用VB語(yǔ)言為FDS主機(jī)編寫控制軟件，該軟件可以采集與FDS主機(jī)連接的掃描閥的所有通道測(cè)試壓力數(shù)據(jù)，并且允許用戶配置系統(tǒng)采集參數(shù)，如采樣率、AD平均次數(shù)、溫度補(bǔ)償刷新速率等，還提供診斷工具如精度檢查，通道串?dāng)_檢查、泄漏檢查等。

圖1　FDS飛行測(cè)壓系統(tǒng)示意圖

圖2　FDS主機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

DTC系列ESP壓力掃描閥

DTC ESP掃描閥是多通道高精度微型電子掃描器，其內(nèi)部原理如圖3所示，它是由64或32個(gè)硅壓阻式壓力傳感器陣列和一個(gè)溫度傳感器組成的微型差壓測(cè)量模塊。所有的傳感器安裝在公用混合玻璃基板上，因而提供了最佳的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。傳感器的輸出信號(hào)通過(guò)多路復(fù)用電路和板載放大器放大后輸出給主機(jī)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)采集，最大尋址速率70kHz。

DTC ESP掃描閥可在-25～80℃（加保溫套 -55～ +80℃）的環(huán)境溫度范圍內(nèi)正常工作。掃描閥將先進(jìn)的模擬電路設(shè)計(jì)與數(shù)字溫度補(bǔ)償（DTC）技術(shù)集成起來(lái)，使得不需要在線校準(zhǔn)壓力傳感器就可以保持最佳精度。將硅壓阻壓力傳感器安裝在DTC掃描閥內(nèi)，通過(guò)精確的測(cè)量橋路電阻，采用存儲(chǔ)在內(nèi)部的EEPROM中的特殊補(bǔ)償算法實(shí)時(shí)消除熱誤差。這樣，只需對(duì)電子壓力掃描閥進(jìn)行簡(jiǎn)單的初始化調(diào)零，就可以使傳感器在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)獲得最高的精度。其內(nèi)置鎳箔RTD溫度傳感器輸出，用來(lái)監(jiān)視傳感器內(nèi)部溫度，實(shí)現(xiàn)數(shù)字溫度補(bǔ)償功能。

圖3　ESP掃描閥原理框圖

FDS系統(tǒng)地面比對(duì)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)

壓力掃描閥集成了32路甚至多達(dá)64路的硅壓阻式壓力傳感器。在測(cè)試狀態(tài)下，內(nèi)部集成的多路傳感器分別連接對(duì)應(yīng)的測(cè)量壓力輸入端，可按照普通壓力傳感器的校準(zhǔn)方法，對(duì)32路或者64路的測(cè)量壓力輸入端分別加壓，進(jìn)行單通道校準(zhǔn)。

在飛行試驗(yàn)型號(hào)任務(wù)繁多，時(shí)間緊迫的形勢(shì)下，單通道校準(zhǔn)的低效率不能滿足飛行試驗(yàn)的要求，基于對(duì)掃描閥內(nèi)部閥位的深入研究，探索出了一種多通道的校準(zhǔn)方法。

ESP系列壓力掃描閥的氣路輸入端包含推閥控制輸入端C1，C2，校準(zhǔn)輸入端CAL，校準(zhǔn)參考輸入端C/ REF，測(cè)量參考輸入端R/REF以及32或者64個(gè)測(cè)試壓力輸入端。ESP壓力掃描閥內(nèi)部包含了一個(gè)氣動(dòng)校準(zhǔn)閥。如圖4所示，C1和C2端是掃描閥內(nèi)部閥門的推閥控制端，當(dāng)C1端輸入80～125Psi的壓力時(shí)，將內(nèi)部閥推到CAL校準(zhǔn)位置，此時(shí)掃描閥所有壓力傳感器均連接到公用的校準(zhǔn)壓力輸入端口CAL上，；當(dāng)C2端輸入80～125Psi的壓力時(shí)，將內(nèi)部閥推到RUN位置，此時(shí)掃描閥內(nèi)各路壓力傳感器通過(guò)細(xì)尼龍管連接到各個(gè)測(cè)量點(diǎn)上。C/REF校準(zhǔn)參考輸入端和R/REF測(cè)量參考輸入端分別在校準(zhǔn)和測(cè)量時(shí)接壓力參考點(diǎn)，如外部大氣或者標(biāo)準(zhǔn)氣壓源等。

本實(shí)驗(yàn)采用多通道校準(zhǔn)的方法實(shí)現(xiàn)壓力掃描閥的校準(zhǔn)工作，其校準(zhǔn)配置圖如圖5所示，在實(shí)驗(yàn)室規(guī)定的傳感器檢定溫度，濕度以及大氣環(huán)境下，配置性能優(yōu)秀的壓力控制器APC600， 用外部氣壓源對(duì)掃描閥C1端加氣推閥，將其內(nèi)部閥門推至校準(zhǔn)位置，此時(shí)掃描閥內(nèi)部集成的所有傳感器均通過(guò)閥體連接到一個(gè)共同的CAL端口，所有傳感器的參考輸入端連接到CAL REF端口，我們以測(cè)量范圍為30PSi的32通道壓力掃描閥為例，在測(cè)量范圍內(nèi)等間距的選取7個(gè)壓力點(diǎn)，通過(guò)壓力控制器對(duì)掃描閥CAL端施加壓力，待校準(zhǔn)點(diǎn)壓力穩(wěn)定后，通過(guò)數(shù)據(jù)采集軟件采集壓力掃描閥的輸出并記錄。

圖4　掃描閥內(nèi)部推閥控制原理圖

圖5　FDS地面校準(zhǔn)配置圖

不確定度分析

概述

a）校準(zhǔn)依據(jù)：JJG860-2015《壓力傳感器靜態(tài)檢定規(guī)程》以及JJF1059.1-2012《測(cè)量不確定度評(píng)定與表示》

b）測(cè)量環(huán)境條件：室溫20±2℃，濕度＜80%，大氣壓力86kPa～106kPa。

圖6　掃描閥數(shù)據(jù)采集子樣本

c）測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)器：APC600標(biāo)準(zhǔn)壓力控制器

d）校準(zhǔn)方法： 采用直接比對(duì)法將壓力掃描閥的輸出與APC600標(biāo)準(zhǔn)壓力源的輸出進(jìn)行比較，掃描閥的每一個(gè)通道在其校準(zhǔn)壓力點(diǎn)正反行程各采集500次數(shù)據(jù)，將采集到的1000個(gè)數(shù)據(jù)取平均值作為示值輸出，其與標(biāo)準(zhǔn)壓力源輸出值之差即為該通道的示值誤差。

數(shù)學(xué)模型

不確定度來(lái)源

（1）被測(cè)壓力掃描閥由于測(cè)量的重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度（A類不確定度）

在壓力掃描閥的校準(zhǔn)過(guò)程中，量程為30Psi的壓力掃描閥被我們選取0psi、5psi、10psi、15psi、20psi、25psi、30psi七個(gè)壓力校準(zhǔn)點(diǎn)，每個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)正反行程各校準(zhǔn)一次，每個(gè)通道每次采集500個(gè)數(shù)據(jù)。

在壓力掃描閥的224000個(gè)比對(duì)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)中，我們發(fā)現(xiàn)31通道的硅壓阻傳感器在25psi的壓力點(diǎn)處出現(xiàn)了整個(gè)壓力掃描閥測(cè)試過(guò)程中的最大偏差。所以我們抽取31通道的1000個(gè)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)子樣本（如圖6所示）來(lái)確定由測(cè)量的重復(fù)性引入的不確定度。

先求得該子樣本的平均值：

用貝賽爾公式計(jì)算單次測(cè)量的不確定度為（n=1000）：

n 次測(cè)量取平均值的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

自由度：v1=1000-1=999

（2）由APC600標(biāo)準(zhǔn)壓力控制器引入的誤差不確定度（B類不確定度）

對(duì)掃描閥進(jìn)行比對(duì)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)中使用的APC600標(biāo)準(zhǔn)壓力控制器，其由中航工業(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所給出的校準(zhǔn)證書中得出，在0～30psi的范圍內(nèi)，包含因子k=2時(shí)的擴(kuò)展不確定度U=0.0003MPa，則該標(biāo)準(zhǔn)器引入的不確定為：

（3）由FDS主機(jī)測(cè)量分辨率引入的不確定度（B類不確定度）

FDS主機(jī)測(cè)量分辨率為0.003%，其引入的不確定度分布視為均勻分布，半寬a=0.0009psi ，包含因子，則由FDS主機(jī)測(cè)量分辨率引入的不確定度為：

估計(jì)該不確定的可靠程度為85%，它的自由度為：

合成不確定度

由于上述不確定度是不相關(guān)的，合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的為：

該合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的自由度為：

擴(kuò)展不確定

取置信概率p=95%，在服從t分布的條件下，其包含因子為1.96，拓展不確定度為：U=k×u=0.00439 psi

結(jié)語(yǔ)

FDS飛行測(cè)壓系統(tǒng)解決了飛行試驗(yàn)中狹小空間內(nèi)多測(cè)試點(diǎn)高精度的測(cè)試需求，是飛行試驗(yàn)壓力測(cè)試的一次變革。本文提出C1端加氣推閥，公共端CAL加壓的多通道校準(zhǔn)方案解決了單路校準(zhǔn)費(fèi)時(shí)費(fèi)力的難題，大大提高了以DTC ESP系列掃描閥為核心的FDS飛行測(cè)壓系統(tǒng)的校準(zhǔn)效率。經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)后的FDS測(cè)壓系統(tǒng)具有優(yōu)秀的測(cè)量準(zhǔn)確度與穩(wěn)定度，實(shí)現(xiàn)了飛行試驗(yàn)壓力參數(shù)的高精度實(shí)時(shí)測(cè)量。

白 雪 孫娟萍

中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院

白雪，女，2014年3月畢業(yè)于西安電子科技大學(xué)，碩士學(xué)位，2014年4月至今就職于中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院測(cè)試技術(shù)研究所。

DOI：10.3969/j.issn.1001-8972.2016.08.008