(中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院 測(cè)試所，西安 710089)

0 引言

飛行試驗(yàn)中，機(jī)載測(cè)試是獲取飛行數(shù)據(jù)的重要途徑，而腳蹬力參數(shù)是機(jī)載測(cè)試中的重要測(cè)試參數(shù)之一。對(duì)試飛員施加于腳蹬力傳感器的力值信息進(jìn)行精確的測(cè)量與分析，對(duì)試驗(yàn)機(jī)的操穩(wěn)性能的有效評(píng)價(jià)具有重要意義。應(yīng)變式力傳感器由于其測(cè)量范圍大、分辨率高、測(cè)量精度高等特點(diǎn)，在飛行試驗(yàn)機(jī)載測(cè)試領(lǐng)域常用于測(cè)量飛行中操縱力的變化。

機(jī)載腳蹬力測(cè)試系統(tǒng)[1]的測(cè)量準(zhǔn)確程度直接影響到飛行試驗(yàn)科目的試飛質(zhì)量。定期對(duì)機(jī)載腳蹬力測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)是系統(tǒng)準(zhǔn)確測(cè)試的可靠保證。工程上應(yīng)用的腳蹬力傳感器是力值與其輸出呈線性關(guān)系的傳感器，國(guó)內(nèi)對(duì)機(jī)載腳蹬力測(cè)試系統(tǒng)按照Q/FY.J02.52.2-2013進(jìn)行校準(zhǔn)[2]，校準(zhǔn)周期為一年。由于腳蹬力傳感器安裝于狹窄的駕駛艙內(nèi)，通過在現(xiàn)場(chǎng)施加標(biāo)準(zhǔn)力進(jìn)行校準(zhǔn)非常困難，因此采用拆卸后實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)的方式。將傳感器與采集器拆除，在實(shí)驗(yàn)室使用標(biāo)準(zhǔn)施力裝置進(jìn)行校準(zhǔn)，完成后再將其恢復(fù)安裝，最終曲線用作后續(xù)飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理標(biāo)準(zhǔn)[3]。

傳統(tǒng)校準(zhǔn)方式存在的問題：整個(gè)拆校過程一般需2天時(shí)間，易影響型號(hào)任務(wù)的進(jìn)度；傳感器和采集器經(jīng)頻繁拆卸，極易損壞，造成國(guó)有資產(chǎn)浪費(fèi)。因此，亟需設(shè)計(jì)一種切實(shí)可行的在線校準(zhǔn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)腳蹬力傳感器在機(jī)上原位快速、準(zhǔn)確校準(zhǔn)，以適應(yīng)目前快節(jié)奏高效率的試飛工作需求。本文旨在從傳感器原理出發(fā)，結(jié)合傳統(tǒng)傳感器校準(zhǔn)方式，對(duì)在線校準(zhǔn)技術(shù)進(jìn)行研究，尋求一種切實(shí)可行的校準(zhǔn)方法，并對(duì)最終效果進(jìn)行驗(yàn)證。

1 腳蹬力測(cè)量原理及校準(zhǔn)簡(jiǎn)述

應(yīng)變式傳感器具有測(cè)量范圍大、分辨率高、測(cè)量精度高等特點(diǎn)；測(cè)量結(jié)果便于傳遞、處理；既可測(cè)靜態(tài)，也可測(cè)快速交應(yīng)變力；性能穩(wěn)定、工作可靠；能在各種惡劣環(huán)境、大加速度和振動(dòng)條件下工作；只要進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及選用合適的材料，能在高溫/低溫、強(qiáng)腐蝕及輻射條件下可靠工作[4]。應(yīng)變式腳蹬力傳感器用于測(cè)量飛機(jī)腳蹬板受力大小，屬于力傳感器。采用應(yīng)變式測(cè)量原理，通過粘帖在彈性元件上的電阻應(yīng)變計(jì)感受應(yīng)力的變化，產(chǎn)生與應(yīng)力成比例的電信號(hào)，該電信號(hào)經(jīng)變換器信號(hào)調(diào)理后輸出與被測(cè)力成比例的電壓信號(hào)，橋路原理如圖1所示。

圖1 橋路原理圖

校準(zhǔn)時(shí)，通常對(duì)由腳蹬力傳感器、采集器等測(cè)試儀器組成的腳蹬力參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)，獲取在規(guī)定的條件下具有置信度概念的測(cè)試儀器的輸入—輸出特性[5]。校準(zhǔn)前首先將機(jī)上的傳感器與采集器拆除，在實(shí)驗(yàn)室使用標(biāo)準(zhǔn)施力臺(tái)進(jìn)行校準(zhǔn)，記錄標(biāo)準(zhǔn)力值與碼值數(shù)據(jù)，處理校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，完成初始校準(zhǔn)曲線；在實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)完成后將傳感器與采集器恢復(fù)機(jī)上安裝，記錄下此時(shí)傳感器的機(jī)上零位，將初始校準(zhǔn)曲線以該零位進(jìn)行修正，生成最終的校準(zhǔn)曲線，傳遞至數(shù)據(jù)處理人員，用作后續(xù)飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的標(biāo)準(zhǔn)使用。

2 機(jī)載腳蹬力在線校準(zhǔn)方式分析

傳統(tǒng)校準(zhǔn)方式下整個(gè)拆校過程一般需2天時(shí)間，易影響型號(hào)任務(wù)的進(jìn)度；傳感器和采集器經(jīng)頻繁拆卸，極易損壞，造成國(guó)有資產(chǎn)浪費(fèi)。為縮短工作時(shí)間、提高工作效率、減少拆卸損傷，腳蹬力傳感器的機(jī)上在線校準(zhǔn)技術(shù)是試飛測(cè)試校準(zhǔn)專業(yè)中亟待解決的問題。

2.1 在線校準(zhǔn)方法思路

選擇一只高精度標(biāo)準(zhǔn)力傳感器，用作實(shí)現(xiàn)機(jī)上腳蹬力傳感器在線校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)。在實(shí)驗(yàn)室使用標(biāo)準(zhǔn)施力臺(tái)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)力傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，記錄標(biāo)準(zhǔn)力值與傳感器輸出電壓值，形成標(biāo)準(zhǔn)力傳感器實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)曲線。將標(biāo)準(zhǔn)傳感器緊密貼合并固連于機(jī)上傳感器之上[6]，通過機(jī)上采集器為標(biāo)準(zhǔn)力傳感器及機(jī)上腳蹬力傳感器供電，準(zhǔn)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(zhǔn)計(jì)算機(jī)持續(xù)記錄標(biāo)準(zhǔn)力傳感器與機(jī)上腳蹬力傳感器的輸出碼值數(shù)據(jù)。將標(biāo)準(zhǔn)傳感器的實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)曲線作為參考，從記錄的數(shù)據(jù)中提取相應(yīng)校準(zhǔn)點(diǎn)，最終形成機(jī)上傳感器的校準(zhǔn)曲線。

2.2 在線校準(zhǔn)問題分析

在實(shí)驗(yàn)室使用標(biāo)準(zhǔn)施力臺(tái)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)力傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)的過程中，均采用標(biāo)準(zhǔn)的10 VDC供電；但在飛機(jī)機(jī)艙內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，一般只能由采集器為該傳感器進(jìn)行供電。這將造成標(biāo)準(zhǔn)傳感器在實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)與機(jī)上校準(zhǔn)時(shí)供電電壓值的不一致。由于標(biāo)準(zhǔn)力傳感器采用的是應(yīng)變電橋原理，傳感器的輸出與其供電電壓成比例關(guān)系，供電電壓值的不一致會(huì)導(dǎo)致傳感器輸出電壓的不一致，影響機(jī)上腳蹬力傳感器的最終校準(zhǔn)數(shù)據(jù)[7-8]。

理論上，應(yīng)變電橋原理的傳感器輸出與其供電電壓成正比關(guān)系，但仍需要對(duì)標(biāo)準(zhǔn)力傳感器的輸出電壓與供電電壓的關(guān)系進(jìn)行進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。選擇一只標(biāo)準(zhǔn)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(shù)據(jù)如表1。

表1 不同供電電壓下傳感器輸出(mV)數(shù)據(jù)表

由表1可以分別計(jì)算出各組供電電壓下標(biāo)準(zhǔn)腳蹬力傳感器輸入力值X(N)—輸出電壓Y(mV)的關(guān)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(guān)系，以10.004 V供電下標(biāo)準(zhǔn)腳蹬力傳感器的輸出電壓為基準(zhǔn)，將傳感器輸出電壓與其供電電壓間的正比關(guān)系以斜率(mV/N)/供電(V)來考察，其相對(duì)誤差在0.06%以內(nèi)。腳蹬力參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)要求校準(zhǔn)精度在1%內(nèi)，因此在校準(zhǔn)過程中可以忽略這一誤差的影響，可以將標(biāo)準(zhǔn)力傳感器輸出電壓與供電電壓作為完全的正比關(guān)系進(jìn)行處理。

表2 不同供電電壓下傳感器輸出數(shù)據(jù)表

因此，由實(shí)驗(yàn)室與機(jī)上標(biāo)準(zhǔn)力傳感器供電電壓不一致導(dǎo)致的標(biāo)準(zhǔn)力傳感器輸出電壓不一致的問題，可利用標(biāo)準(zhǔn)力傳感器輸出與供電電壓間的正比關(guān)系進(jìn)行修正[9]。

3 在線校準(zhǔn)方法研究

由本文上一節(jié)的分析可知，機(jī)載腳蹬力參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)在線校準(zhǔn)技術(shù)的整個(gè)實(shí)施環(huán)節(jié)可以按以下4個(gè)步驟分步進(jìn)行。

3.1 標(biāo)準(zhǔn)傳感器的選擇

選擇一只標(biāo)準(zhǔn)腳蹬力傳感器，用作腳蹬力測(cè)試系統(tǒng)在線校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)使用。由于在課題中對(duì)機(jī)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(biāo)準(zhǔn)腳蹬力傳感器的精度必須要高于0.17%。另外，為避免在機(jī)上在線校準(zhǔn)的過程中，由于受力點(diǎn)不一致導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)腳蹬力傳感器與機(jī)上腳蹬力傳感器的輸出產(chǎn)生不必要的偏差，需要選擇與機(jī)上腳蹬力傳感器結(jié)構(gòu)外形一致的高精度力傳感器作為標(biāo)準(zhǔn)[6]，要求其精度達(dá)到0.17%及以上。

3.2 標(biāo)準(zhǔn)傳感器的實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)

參照標(biāo)準(zhǔn)Q/FY.J02.52.2-2013[2]，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下(溫度為22 ℃，濕度為45%RH，場(chǎng)壓為97.02 kPa)使用檢定精度為0.05%的BJM-10標(biāo)準(zhǔn)施力臺(tái)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)力傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)。使用高精度可調(diào)直流電源為標(biāo)準(zhǔn)力傳感器進(jìn)行直流供電，供電電壓為10 VDC。通過標(biāo)準(zhǔn)施力臺(tái)逐步為標(biāo)準(zhǔn)力傳感器施加一系列共11個(gè)標(biāo)準(zhǔn)力值0 N、100 N、200 N、300 N、……、1000 N，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)力傳感器進(jìn)行逐點(diǎn)校準(zhǔn)。反復(fù)進(jìn)行3個(gè)正反形成的校準(zhǔn)，逐點(diǎn)記錄下施加的標(biāo)準(zhǔn)力值與傳感器輸出電壓值，具體數(shù)據(jù)如表3。

表3 標(biāo)準(zhǔn)傳感器校準(zhǔn)數(shù)據(jù)及分析

3.3 機(jī)上校準(zhǔn)

實(shí)驗(yàn)室將標(biāo)準(zhǔn)力傳感器校準(zhǔn)完成后，采用雙面膠貼合與鋁箔膠帶固定相結(jié)合的方式將標(biāo)準(zhǔn)力傳感器緊密貼合并固連于機(jī)上腳蹬力傳感器的表面。由機(jī)上的采集器為標(biāo)準(zhǔn)力傳感器及機(jī)上腳蹬力傳感器同時(shí)進(jìn)行供電。

實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)過程中標(biāo)準(zhǔn)力傳感器的供電電壓與機(jī)上校準(zhǔn)過程中采集器提供的供電電壓不一致，需要對(duì)標(biāo)準(zhǔn)傳感器的實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行供電電壓不一致的修正：

其中:V實(shí)為實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)過程中的供電電壓，單位為V；V機(jī)為機(jī)上現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)過程中采集器施加的供電電壓，單位為V；U為實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)力傳感器輸出電壓，單位為V；U修為經(jīng)供電不一致修正的標(biāo)準(zhǔn)傳感器的輸出電壓，單位為V。

最后，為將實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)力傳感器的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)中的電壓值換算成碼值，需要獲得標(biāo)準(zhǔn)力傳感器所在采集器采集通道的電壓-碼值對(duì)應(yīng)關(guān)系，采用現(xiàn)場(chǎng)為采集通道加電壓信號(hào)的方式獲得，對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖2所示。因此，經(jīng)供電不一致修正的標(biāo)準(zhǔn)傳感器輸出電壓對(duì)應(yīng)碼值M修為：

M修=1456.33U修+14563.33

由表3，將標(biāo)準(zhǔn)力傳感器的實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行供電不一致修正，并進(jìn)行碼值換算，獲得標(biāo)準(zhǔn)傳感器實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)最終修正數(shù)據(jù)如表4所示。

最后，人為緩慢為標(biāo)準(zhǔn)力傳感器與機(jī)上腳蹬力傳感器施加力值，施力過程中通過校準(zhǔn)計(jì)算機(jī)采集并記錄標(biāo)準(zhǔn)傳感器與機(jī)上傳感器的輸出碼值數(shù)據(jù)，記錄的兩只傳感器的碼值數(shù)據(jù)曲線如圖3所示。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)傳感器采集通道電壓-碼值關(guān)系圖

表4 標(biāo)準(zhǔn)傳感器修正數(shù)據(jù)

圖3 標(biāo)準(zhǔn)傳感器及機(jī)上腳蹬力傳感器碼值曲線圖

3.4 校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的計(jì)算

以標(biāo)準(zhǔn)力傳感器的實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)后經(jīng)修正的數(shù)據(jù)(如表4)作為參考標(biāo)準(zhǔn)，并從機(jī)上校準(zhǔn)過程中校準(zhǔn)計(jì)算機(jī)記錄的數(shù)據(jù)曲線(如圖3)中提取相應(yīng)合適的11個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)(0 N、100 N、200 N、300 N、……、1000 N)，將兩組數(shù)據(jù)相結(jié)合，形成最終機(jī)上腳蹬力傳感器的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，并將機(jī)上腳蹬力傳感器的輸出碼值按自由狀態(tài)的零位值進(jìn)行零位修正，最終數(shù)據(jù)如表5所示。

4 工程驗(yàn)證

選擇多架試驗(yàn)機(jī)上共6個(gè)腳蹬力參數(shù)作為研究對(duì)象，對(duì)本文提出的腳蹬力參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)在線校準(zhǔn)技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。

分別采用傳統(tǒng)的腳蹬力實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)方法以及本文提出的腳蹬力參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)機(jī)上在線校準(zhǔn)方案來實(shí)現(xiàn)腳蹬力參數(shù)的校準(zhǔn)。原實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)的方法已經(jīng)經(jīng)過幾十年飛行試驗(yàn)的驗(yàn)證，其準(zhǔn)確度與可信度非常高，可以將其作為基準(zhǔn)與本文提出的新校準(zhǔn)方法進(jìn)行一致性比對(duì)來進(jìn)行新校準(zhǔn)方法的工程驗(yàn)證[5]。

表5 腳蹬力傳感器校準(zhǔn)數(shù)據(jù)

依據(jù)Q/FY.J02.52.2-2013試飛操縱力參數(shù)測(cè)試校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)，分別采用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)的方法與本文提出的新校準(zhǔn)方法對(duì)6個(gè)腳蹬力參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)。由此分別得到一共12組測(cè)量點(diǎn)(fmi,nmi),m≥9，i≥4。

由式(1)～(4)，按最小二乘法分別擬合這6個(gè)參數(shù)在兩種校準(zhǔn)方法下的校準(zhǔn)曲線[10]，(fm,nm)為各校準(zhǔn)點(diǎn)測(cè)量結(jié)果的平均值。

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

(1)

其中：

(2)

(3)

(4)

以某架機(jī)的一個(gè)腳蹬力參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)為例，如圖4，采用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)方法與本文提出的機(jī)上在線校準(zhǔn)新方法得到的校準(zhǔn)曲線基本重合。

圖4 兩種方法下校準(zhǔn)曲線對(duì)比圖

截取這6個(gè)腳蹬力參數(shù)的部分飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別使用由傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)方法與本文提出的機(jī)上在線校準(zhǔn)新方法獲得的校準(zhǔn)曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，校準(zhǔn)結(jié)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(zhǔn)方法下的最大碼值偏差與總量程的比值不超過0.15%。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)Q/FY.J02.52.1-2013《試飛參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)校準(zhǔn)總則》[11]可知，采用本文提出的機(jī)上在線校準(zhǔn)新方法獲得的校準(zhǔn)曲線均能夠滿足測(cè)試精度需求，該方法切實(shí)有效，可以應(yīng)用于機(jī)上腳蹬力參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)的校準(zhǔn)工作。

表6 兩種校準(zhǔn)方法結(jié)果分析

5 結(jié)論

本文從理論分析出發(fā)，研究了一種機(jī)載腳蹬力參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)在線校準(zhǔn)方法，解決了其中供電不一致的問題，并最終完成了實(shí)驗(yàn)室與工程驗(yàn)證。該方法合理地解決了傳統(tǒng)校準(zhǔn)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(yàn)中，對(duì)多個(gè)腳蹬力參數(shù)采用傳統(tǒng)校準(zhǔn)方法與新校準(zhǔn)方法分別得到的校準(zhǔn)曲線具有高度一致性，最大碼值偏差不超過總測(cè)量范圍的0.15%,滿足飛行試驗(yàn)機(jī)載測(cè)試精度需求，能夠應(yīng)用于機(jī)載腳蹬力參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)的校準(zhǔn)工作。