辐射计校准技术的研究
宋葵阳
【摘 要】铁鸟试验中大型的测试系统众多，当前采用的校准方法存在较多缺陷，不能完全满足铁鸟试验对测试系统校准的要求。本文主要介绍了在线校准技术的特点，并分析了在铁鸟测试系统中进行在线校准的可行性以及应用情况。
【关键词】在线校准；铁鸟；测试系统
Research and Application of Online Calibration Method For Iron Birds Test Systems
SONG Kui-yang
（COMAC Shanghai Aircraft Design and Reseach Institute）
【Abstract】Many large test systems are used for iron bird test. The current calibration methods of these systems have some defects， which can not meet the requirements of the iron bird test. This paper mainly introduces the characteristics of online calibration technology， and analyzes the feasibility and application of on-line calibration in iron bird test system.
【Key words】Online calibration； Iron bird； Test system
0 引言
鐵鸟试验台是飞机系统综合、优化设计、适航取证和交付运营、持续适航必不可少的关键试验设施。铁鸟试验台是按照真实飞机的状态构建各种试验组件/系统，以求试验状态与真实的飞行状态保持一致。当前的铁鸟试验台综合了飞机的飞控系统、液压系统等，是一个复杂的试验综合平台，能完成飞机系统级的大量试验。铁鸟试验能够极大程度上验证飞机多个系统性能是否满足要求和安全性是否满足要求。每种型号的飞机只有通过了铁鸟试验才能进一步开展飞行试验。[1]
铁鸟试验是飞机研制过程的重要环节，是提供设计依据，验证设计效果的数据来源。铁鸟试验获取的试验数据，是开展飞行试验的重要依据。对试验效果的评价离不开对试验数据的分析处理。对试验数据来说，其是否有效不仅与试验的技术方法有关，也涉及到测试设备所测参数的准确性、可靠性和溯源性。试验数据的准确、可靠必须靠计量技术来保障。[2]
本文将从目前某型号飞机铁鸟试验中测试设备的校准情况着手分析，分析当前主要的校准手段及其存在的问题，对在线校准技术在铁鸟试验中的应用进行探讨。
1 铁鸟测试设备校准现状分析
铁鸟试验台的测试设备主要测试对象为飞控、液压、起落架等系统，其中飞控系统所需要测试的系统有副翼、升降舵、方向舵、扰流板、水平安定面、驾驶舱控制系统等，系统的组件分布于飞机各处，测试系统都是采用多类型的传感器加多通道的数采分析系统组成。这种形式的测试系统广泛应用于铁鸟试验台各个系统的试验中，是当前进行试验测试的主流形式，提高此类测试系统的校准精度，确保测试系统采集数据准确可靠是铁鸟试验计量保障工作一项重点，也是本文研究的出发点。
图1 测量过程示意图
通过对于当前铁鸟上测试设备的统计分析，测试系统前端的测试传感器和部分便携的通用仪器仪表都属于通用测试设备，几乎都是从铁鸟试验台架上拆取下送至对应的校准实验室，按照对应的规范进行计量校准。而数采分析系统这类的设备一般都体积大、重量重、不便于搬迁，大多采用请计量校准人员携带校准设备到试验现场进行计量校准的方法。
以上的方式大量地运用在铁鸟试验测试设备的计量校准中，保证了参与铁鸟试验的测试设备完全计量受控，但是现有的计量方式还存在着如下问题[3]：
其一，测试设备拆装送检效率低，经济时间成本高，存在一定风险。铁鸟试验台包含了大量的传感器和仪器仪表，拆卸送检计量再安装需要投入一定规模的人力时间成本，期间还可能存在诸如人员伤害和设备损坏的风险。
其二，校准实验室对环境有着严格的要求，和试验现场存在一定差异，测试传感器在校准实验室的环境中进行校准不一定能还原其正常工作状态，校准结果可能无法准确反映设备使用时的状态。
其三，采用分步校准方法校准的设备只能分别得出前后端测试设备的校准结果，对于整个测试系统而言，其整体精度不仅和前后端的测试设备有关，其安装联接过程的环境因素，人为因素都会对其整体精度产生一定影响。
2 铁鸟在线校准方案分析
相比于上述校准方法，在线校准方案在铁鸟试验中具有明显的优势。
将标准设备带至试验现场，免除了对于测试仪器的拆卸送检步骤，也保证了测试设备校准的环境与实际工作环境一致，校准结果更能反映设备在实际工作情况下的性能。将测试系统以整个测试通道作为一个校准单元，进行校准，其结果反映了整个测试通道的性能，直接反映了测试系统整体的性能是否满足要求，减少了环境和人为因素引入误差的可能。
测试系统的测量范围及精度都是根据对应参数的测量需求确定的，需要实现这些系统的在线整体校准，需满足如下几项条件[4]：
（1）标准装置需满足测量系统的溯源要求，其范围覆盖测试系统的测量范围，精度须比测试系统高三至五倍以上；
（2）标准设备需能够携带至试验现场并且正常工作，方便接入测试系统进行校准，尽量少对测试系统进行改动；
（3）标准设备在校准过程中不引入干扰，不对现场产生过大影响；
（4）校准需要有参考规范以指导校准活动，给出合适的校准结果。
合理的在线校准方案需要从对应测试参数的测量通道校准的需求出发，考虑以上的条件。铁鸟试验台飞控系统液压系统都包含了多个测试系统，每个系统都有大量的测试通道对应位移、压力、温度、电学等参数的测量需求。根据铁鸟试验的重要程度分类，飞控系统的数采测试系统、飞控加载系统和液压系统的试验数据采集分析系统等都是关键测量系统，对在线整体校准需求较为迫切，测量关键参数归类有线位移、角位移、压力、流量等。
对于在线校准可以采取的方式如下图所示：
图2 在线校准方案
以上两张表展示了两种类型的在线校准方案。第一种方法是采用标准源替换掉原测参数点，提供一个标准参数，通过测量系统得出测量结果与标准源提供的标准参数对比得出校準结果。第二种方法主要采用的是将标准的测试系统接入测量通道中，其测量的结果作为参照标准，原测试系统测量结果与参照标准对比可获得校准结果。这是主要的两种校准方法，实际校准中构建校准系统可能会有所变动，但其基本思路都与以上两种方法类似。
从图2中可以看出在线整体校准方案对于测试系统不进行破拆，保证测试系统的完整性，校准结果能比较好地反映测试系统的性能。但是需要将校准设备带至试验现场，对校准设备有一定要求。
3 铁鸟测试设备在线校准应用
铁鸟试验的测试设备开展在线整体校准研究，目前已经在几套测试系统的校准中获得了应用。以下将以一种已经开展应用的在线校准实例进行分析。
铁鸟的飞控加载系统是飞机地面模拟试验的一个重要的试验系统。它把飞控仿真机或者位移传感器送来的信号实时解算为相应的力载荷谱信号，并实现控制面气动铰链力矩的模拟，从而对飞控静、动态特性进行检验。飞控加载系统包含主控制面加载系统与襟缝翼控制面加载系统，两套系统基本结构类似，都是由加载控制器与液压执行机构两部分组成。加载控制器主要包括主计算机和相关控制器模板、信号处理器模板、网卡、信号转接卡，其主要作用是监控加载系统状态、下达控制指令和实现人机交互。液压执行机构是实际执行控制指令的部件，除了液压缸、伺服阀、保护阀块外还有力传感器和位移传感器。[5]载荷传感器和位移传感器后端接对应的数据采集系统，接入主计算机。这套测量系统就是加载系统主要的校准对象。
表1 飞控加载系统分步校准情况
表1列举了加载系统中以各个测量仪器为单位进行校准对应的校准设备，其中传感器直接从测试点采集参数信息，输出一般都是电信号，以往校准都是拆卸之后送至相应的校准试验室进行校准利用标准源提供一个标准信号，被传感器采集输出信号与标准电信号比对得出校准结果。后端数采分析系统采集传感器输出电信号处理计算得出测试结果，其计量方法是利用校准源提供标准电信号，通过数采分析系统采集得出测试结果，与标准源提供信号的理论结果对比得到校准结果。
根据图2中所提供的方案，在本例中，前端提供标准源主要是标准位移信号和标准力值信号，能够提供高精度的位移信号标准有很多种，量块就是最简单的一种，使用灵活性高。将量块安置于前端，借助特定加持件，用位移传感器测量多种量块的长度，与量块溯源过的标准长度对比即可获得校准结果。标准力信号一般都由力标准机产生，该设备较大，不便于带至试验现场，更难以实现安置于铁鸟台架的飞控加载系统上，因此转而采用了标准表法，将一个标准的力传感器与原力值传感器连在一起接入测力通道，其系统连接图如图3所示。
图3中力传感器与标准力传感器串联在测试通道中，相同的力作用下其测得的力大小相同，通过原测试通道反馈的参考力值信号控制加载系统产生该力值的力，标准力传感器和标准测试仪表测得当前力的实际值，与力传感器的参考值比较就能得到校准结果。
铁鸟加载系统的在线校准应用并未完全意义上的在线校准，由于飞控加载系统设计安装过程中未考虑在线校准的需求，没有对应的接口。后期进行在线校准难免对系统进行拆解，需要将传感器前端与待测设备分开，然后前端接上标准设备或者将标准传感器接入系统中。但是测试系统本身测试通道仍然完整，满足在线的基本要求。
图3 测力通道校准方式图
在线校准的最理想状态是保持测试通道完整，校准能够完全体现测试系统工作时的性能。对于需要在线校准的测试系统，最理想的情况是在该测试系统制造或者设计环节就在系统中预留校准接口，以便与标准设备连接进行校准。对于铁鸟中已经投入使用但未留有校准接口的测试设备，通过尽量保持通道完整，对测试系统进行有限更改更具可行性。随着测试技术的日益发展，利用声光电磁等场信号进行测量的方法也来越多地应用到计量校准中，这类非接触式的测量方法能够在系统正常工作状态下对测量设备进行校准，对系统要求较小不不会对系统产生实质影响。当前激光跟踪仪作为一种以激光为媒介的非接触式测量方法，已经成为一种较为常用的长度计量工具，对于线位移角位移参数的校准可以探索采用激光跟踪仪进行校准。
4 总结
本文主要介绍了铁鸟试验台测试设备的校准情况，分析在线校准的特点和在铁鸟试验台测试系统中的采用的可行性，借助当前已经应用的情况分析了在线校准方法的可行性。铁鸟测试系统众多，对在线校准的需求较高，目前在线校准手段并不完善，需要进一步研究铁鸟测试系统的在线校准方法。
【参考文献】
[1]李敬，张伟.论工程模拟器与铁鸟试验台在飞机研制中的应用[J].黑龙江科技信息，2014（33）：171+206.
[2]朱宏声，冯健.计量对“大飞机”的保障作用[J].中国计量，2012（07）：12-13.
[3]付军立.航空自动测试设备系统级校准方法探讨[J].计算机测量与控制，2014（08）：2402-2404.
[4]北京长城计量测试技术研究所.航空计量技术[M].北京：航空工业出版社， 2013.
[5]陈建国，司冀，白钧生，王靖，聂高攀，李鹏刚，郝旭峰，王宏利.飞机铁鸟舵面加载系统[J].兵工自动化，2015（01）：71-75.
[责任编辑：朱丽娜]
