基于分路校准误差的测力传感器常见问题分析与处理

2020-02-03 07:22张永兴李晓宁
工程与试验 2020年4期
关键词:分路测力断路

毛 爽,张永兴,李晓宁

(中国飞机强度研究所,陕西 西安 710065)

1 引 言

在飞机结构强度试验中,测力传感器通常需要利用协调加载控制系统的分路校准功能,来检验传感器的准确性[1]。分路校准误差不仅可以确定测力传感器的准确性,还可以在一定程度上反映传感器和线缆等存在的问题。文献[1]对灵敏度校准和分路校准两种校准方法进行了理论对比和试验验证,得出分路校准精度更高的结论。文献[2]比较了多种传感器的接线方式,认为八线制接线方式具有更高的可靠性和安全性。文献[3]通过分析测力传感器校准误差来源,确认线缆类故障是测力传感器校准误差的主要来源。

本文采用八线制接法[2],针对文献[3]提出的测力传感器校准误差来源进行进一步的深入研究,通过对分路校准误差原理的分析和统计试验线缆问题的经验,总结测力传感器常见问题与分路校准误差的关系,得到基于分路校准误差的测力传感器常见问题分析方法,快速确定问题来源,提高测力传感器常见问题的处理效率。

2 分路校准原理分析

本文以简单的单臂电桥为例,其分路校准原理如图1所示。

图1 测力传感器分路校准原理

测力传感器激励电压为Ui,电桥电阻为R,在任意桥臂并联校准电阻R校准,此时电桥输出电压U0即为分路校准值。

(1)

根据文献[4],在飞机结构强度试验中,测力传感器的分路校准误差E可以表示为:

(2)

其中,U实际为控制系统分路校准值,U期望为计量检定分路校准值。

3 常见问题与校准误差

3.1 常见问题来源

根据文献[3]提出的分路校准误差来源分析,测力传感器的常见问题主要来源可归纳为4类:参数配置问题、线缆问题、传感器问题、控制系统采集板卡问题,如表1所示。

表1 测力传感器常见问题主要来源

其中,参数配置问题主要是由于控制系统软硬件配置导致的,属于人为原因,易于排查;线缆问题为出现频率最高的问题,且不易排查;传感器问题为传感器灵敏度、零点、稳定性等原因导致,不易排查。

3.2 常见问题对校准误差的影响

通过式(1)、式(2)的分路校准误差理论分析,可获得测力传感器常见问题对校准误差的影响。

3.2.1 分路校准电阻问题

在测力传感器的桥路中未使用分路校准电阻,导致传感器输出为0,此时U实际=0,再由式(2),可得分路校准误差为-100%。

在测力传感器的桥路中使用错误的分路校准电阻时,根据文献[4]的改进方法,假设标准校准电阻R1的实际校准值为U1,校准误差为E1,U1理论上应与计量检定值U期望相同,则E1理论值为0,错误校准电阻R2的实际校准值为U2,校准误差为E2,则有:

U期望×R1=U1×R1=U2×R2

(3)

进而可得:

(4)

由上式可以得到使用与标准校准电阻不同校准电阻的理论校准误差值,如表2所示。

表2 错误电阻校验误差(单位:%)

3.2.2 线缆问题

为保证力载荷测量具有更高的可靠性和安全性,目前测力传感器采用八线制线缆,同时具有双屏蔽保护,如图2所示。

图2 测力传感器八线制接线

(1)线缆断路

a)激励信号或反馈信号线缆断路,传感器反馈异常,双向校准误差大于-100%。

b)激励检测信号或反馈检测信号线缆断路,与断路线缆同向的校准误差为-100%,反方向则正常1%以内。

c)屏蔽信号线缆断路,一般不会出现校准误差过大,存在外界环境干扰时,校准误差过大,为不确定值。

(2)线缆短路

a)激励信号或激励检测信号线缆短路,协调加载控制系统会提示激励故障和板卡故障,此时传感器反馈为0,双向校验误差为-100%。

b)反馈信号或反馈检测信号线缆短路,反馈输出值为0,双向校准误差均为-100%。

c)激励信号与反馈信号线缆短路,传感器在不受力时,根据图1电桥测量原理,分路校准值如下。

R1被短路,正激励与正反馈短路:

(5)

R2被短路,负激励与正反馈短路:

(6)

R3被短路,正激励与负反馈短路:

(7)

R4被短路,负激励与负反馈短路:

(8)

综合上述四种情况可以得出,当激励与反馈短路时,分路校准值约为激励电压的±1/2,即±5V。

d)激励或反馈信号线缆与屏蔽线缆短路时,通过传感器进行屏蔽线缆短接测试,结合大量的工程试验统计发现,激励或激励检测与大小屏蔽、反馈或反馈检测与小屏蔽短路时,校准误差基本和表3数据相近,但反馈或反馈检测与大屏蔽短路时,校准误差为随机值。

表3 激励或反馈与屏蔽线缆短路

3.2.3 其他问题

当传感器出现反馈不稳、零点漂移大等问题时,多为传感器自身问题或控制系统采集板卡问题,此时力反馈测量不准确,分路校准不通过,分路校准误差为不确定值。

3.3 主要问题与校准误差关系

根据上述理论计算和试验经验,归纳分路校准误差现象,可分析测力传感器的问题来源:

(1)双向分路校准误差均为-100%时,一般为传感器未接、校准电阻未插、激励或激励检测线缆断路、反馈或反馈检测线缆断路、激励或激励检测短路、反馈或反馈检测短路。

(2)单向分路校准误差为-100%、反向为0%时,一般为-100%误差对应的激励检测或反馈检测线缆断路。

(3)分路校准误差为±90%时,一般为激励或激励检测与大小屏蔽断路,反馈或反馈检测与小屏蔽短路。

(4)分路校准值为±5V时,一般为激励或激励检测与反馈或反馈检测短路。

(5)分路校准误差为随机值时,一般为反馈或反馈检测与大屏蔽断路,屏蔽线缆断路受到干扰。

(6)出现如表2所示的特殊分路校准误差时,一般为分路校准电阻错误。

4 测力传感器常见问题处理方法

飞机结构强度试验中,可以利用协调加载控制系统的激励反馈检测功能和分路校验功能,根据控制系统错误信息和分路校准误差,快速定位测力传感器在试验使用中的主要问题来源。

根据文献[3]的结论,按照表1的测力传感器使用常见问题出现频次由高到低进行排查和处理,具体方法和过程如下:

(1)检查参数配置问题,核对控制系统参数配置与测力传感器,确认传感器与控制通道对应,灵敏度、分路校准值、校准方式等参数与计量证书一致。

(2)若参数配置准确,检查传感器是否接线,当出现传感器反馈超量程时,一般为传感器未接或线缆断路。

(3)检查校准电阻是否与计量证书一致,当分路校准误差出现与表2数值相近值时,一般为校准电阻问题。例如,当校验误差约为-16.67%时,可能是标准电阻为50kΩ的传感器实际插入60kΩ的电阻或者标准电阻为100kΩ的传感器实际插入120kΩ的电阻。

(4)当校准误差出现与表3接近或者随机数值,一般归结为线缆问题,通过分路校准误差与表3数值比对,可以基本判断出具体线缆问题,及时更换或修理。

(5)检查传感器自身问题。若确定参数配置线缆均无问题,检查传感器问题;若出现零点漂移大、测量线性度差等问题,应禁用该传感器。校验误差较大超出试验允许范围时,一般使用另一只完好的同量程传感器进行比对。若新传感器使用正常,则原传感器存在问题禁用,及时更换新传感器。

(6)检查控制系统通道板卡问题,一般采用已通过正常使用确定的另一完好通道,接入传感器和线缆,若传感器使用正常,则原通道故障,更换新通道。

5 结 论

本文针对测力传感器常见问题来源进行深入分析研究,通过分路校准原理得到部分问题与分路校准误差的理论关系,结合线缆问题测试与试验统计,得到线缆问题与分路校准误差的关系,总结得到基于分路校准误差的测力传感器常见问题分析和处理方法。利用该方法可快速确定测力传感器问题来源,提高测力传感器常见问题的处理效率。

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