全自動應變采集系統(tǒng)校準器設計

黃曉龍，堯建平，郭宏民，李映樸

(中國飛機強度研究所 七室，陜西 西安 710065)

1 引 言

標準模擬應變量校準器可代替標準電阻應變計產生模擬標準應變信號，能夠用于檢定各種交流或直流供橋的靜態(tài)電阻應變儀及應變量數據采集系統(tǒng)。目前，市面常見的標準模擬應變量校準器是中國計量院生產的DR系列單通道設備，其具有準確度高、量程寬、線性度好等特點，但其只有單通道輸出，且為手動模式，工作效率低。

全自動多通道模擬應變量校準器是通過自動控制繼電器開關實現(xiàn)多路模擬應變量同時輸出，通過校準軟件實現(xiàn)數據采集系統(tǒng)與標準器實時通信，進行數據采集并自動處理的計量標準器，其校準原理如圖1所示。

圖1 校準原理框圖

2 設計方案

2.1 校準點設計

根據JJF 1048-1995《數據采集系統(tǒng)校準規(guī)范》，校準點的選取一般是在測量范圍內選擇11個校準點，因此計量標準器通常使用為固定的11個點。

表1 標準應變對應的橋臂電阻值

為精確實現(xiàn)標準器輸出阻值，并控制誤差在萬分之五以內，本次設計采用并聯(lián)電路搭建阻值，繼電器切換輸出點。通過多次迭代優(yōu)化和評估，確定以126Ω電阻為基準，并聯(lián)1344Ω固定電阻加變化電阻的模式，各校準點阻值分配如表2所示。

表2 各校準點阻值設計

2.2 控制方案設計

一般數據采集系統(tǒng)每個端口有4或8通道，在結構強度試驗中，多使用DB50接頭將多個端口進行轉接，再通過線纜連接應變片，此時每個端口最多連接16個通道。為實現(xiàn)一次校準最少一個接線端，本校準器設計16通道并行輸出。每通道制作一個線路板，每個校準器含16個線路板，電路設計如圖2所示。

圖2 電路設計圖

為實現(xiàn)程序控制標準器自動輸出，使用單片機控制繼電器實現(xiàn)標準器的輸出和校準點切換。以控制16通道、每通道11個校準點計算，單片機需要實現(xiàn)176個繼電器的控制。因此，使用38譯碼器進行IO口擴展。為了實現(xiàn)半橋和全橋輸出，需要控制多路協(xié)同輸出，共需實現(xiàn)以下3種控制模式：

1/4橋模式：16個通道并行輸出，單片機控制所有通道按序切換校準點。

半橋模式：8個通道并行輸出，單片機控制相鄰兩路正負向校準點協(xié)同切換。

全橋模式：4個通道并行輸出，單片機控制相鄰4路正負向校準點協(xié)同切換。

控制原理如圖3所示。

圖3 輸出控制原理框圖

3 誤差分析

校準器的誤差來源主要有繼電器、電阻和連接線。其中，電阻阻值的不準確和連接導線的線阻引入的誤差屬于系統(tǒng)誤差，繼電器接觸電阻的波動屬于隨機誤差。校準器誤差來源如圖4所示。

圖4 誤差來源分析

3.1 電阻不準確引入的誤差分析

圖5 并聯(lián)電路誤差模型

考慮r的誤差Δr引起的應變誤差：

式中：ΔR為阻值變化量，R0為標準120Ω電阻，r為并聯(lián)電阻，ε為應變值，ε′為引入誤差后的應變值，Δε為應變值變化量?？梢钥闯觯势饔呻娮枰氲恼`差小于并聯(lián)電阻的誤差。定制電阻誤差可做到0.01%，所以電阻不準確引入的誤差小于0.01%。

3.2 繼電器接觸電阻阻值波動引入的誤差分析

校準器按照0.05級指標要求進行設計，其最大允許誤差為±(0.05%輸出+0.2με)，通過等長布線消除線路阻值誤差后，允許繼電器引入的誤差還有0.04%，據此計算繼電器接觸電阻阻值波動引入誤差的允許值，計算結果如表3所示。本文僅列出了最關鍵的2000με點，可以看出，繼電器接觸電阻的阻值波動應不超過192μΩ。

表3 繼電器接觸電阻阻值波動允許值

一般繼電器的接觸電阻在50mΩ左右。水銀繼電器是通過水銀導通觸點，具有微小且穩(wěn)定的接觸電阻，本校準設計選用水銀繼電器，在使用前需要對繼電器接觸電阻進行測量。使用8508A高精度數字多用表對水銀繼電器進行篩選，用其測量50mΩ時絕對不確定度小于5μΩ，可以滿足繼電器篩選要求。

通過以上分析可以看出，使用單片機控制繼電器，實現(xiàn)模擬應變量信號輸出的校準器設計方案是可行的。

4 結束語

飛機結構強度試驗，特別是全機強度試驗，試驗中動輒要進行成千上萬的應變片粘貼，需要大量通道的數據采集系統(tǒng)進行測量。數據采集系統(tǒng)的計量校準關乎試驗數據的準確可靠。在對手動式單通道模擬應變量校準器使用多年后，研究了多通道全自動校準器設計方案，開發(fā)專業(yè)軟件程序控制該裝置，可實現(xiàn)數據采集系統(tǒng)的全自動計量校準，極大地提升了計量檢定的工作效率，為試驗節(jié)省設備和時間成本，具有很高的使用價值。