邢 威

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動機(jī)研究所,遼寧 沈陽 110015）

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

微壓測試儀表自動校準(zhǔn)系統(tǒng)的工作原理是基于終端通訊技術(shù)，采用PC 機(jī)向數(shù)字壓力控制器，信號采集器發(fā)送控制指令，讓壓力測試儀表獲得由標(biāo)準(zhǔn)器傳輸?shù)膲毫χ?，并反饋相?yīng)信號。隨機(jī)，計算機(jī)保存采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，并就數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析和處理，生成文件包括校準(zhǔn)證書等供用戶使用。從結(jié)構(gòu)來看，系統(tǒng)可以分為硬件與軟件兩部分。依托高精度壓力控制器結(jié)合相應(yīng)功能延伸，組成硬件部分，軟件部分則是用于數(shù)據(jù)處理和控制器控制，二者相輔相成，缺一不可。

1.1 硬件部分

微壓自動校準(zhǔn)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要包括高精度壓力控制器、LPS-305 型直流穩(wěn)壓電源、壓力真空泵、PC 機(jī)、KEITHLEY2000 型多功能數(shù)字繁用表及壓力氣源等硬件設(shè)備組件?；赑C 機(jī)的通訊接口連接。微壓測試儀表自動校準(zhǔn)系統(tǒng)的基本硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

1.2 軟件部分

微壓校準(zhǔn)系統(tǒng)的軟件部分同樣由多個結(jié)構(gòu)組成，其功能室將信號采集系統(tǒng)、Fluke7252i 高精度壓力控制器、輸出端形成功能閉環(huán)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、信號輸出、判穩(wěn)等自動化運(yùn)行，軟件還設(shè)計了微壓校準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫運(yùn)維功能，以方便的管理和檢索，結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

2 關(guān)鍵技術(shù)

微壓測試儀表校準(zhǔn)部件起到基石作用，也是完成自動化校準(zhǔn)的第一步。由于不同的被校儀表的型號、廠家、量程等參數(shù)很可能不同，所以系統(tǒng)應(yīng)具有特定的參數(shù)設(shè)置頁面，以滿足不同儀表需要。軟件還起到協(xié)調(diào)整合的作用，將數(shù)據(jù)采集、參數(shù)設(shè)定、曲線顯示、校準(zhǔn)證書等模塊保持相互獨(dú)立又帶有一絲聯(lián)系，自動校準(zhǔn)程序流程如圖3 所示。

2.1 壓力信號判穩(wěn)功能

由于壓力控制器的發(fā)生信號具有一定的波動性，這種波動性是無法消除的，為保證提供的標(biāo)準(zhǔn)信號穩(wěn)定可靠，需要對其進(jìn)行判穩(wěn)驗證，實(shí)現(xiàn)的方法是設(shè)定一個滿足精度要求的穩(wěn)定限，確保波動壓力值在穩(wěn)定限以內(nèi)，并達(dá)到循環(huán)判定的約定次數(shù)。

2.2 結(jié)果判穩(wěn)功能

在校準(zhǔn)過程中，為獲得穩(wěn)定的數(shù)據(jù)結(jié)果，除了對微壓測試儀表承載載荷施加判定外，對測試儀表輸出信號的判讀也至關(guān)重要，一般采用軟件延時的處理方式。為更加確保數(shù)據(jù)穩(wěn)定，在系統(tǒng)設(shè)計過程中，通過觸發(fā)信號采集器的硬件設(shè)置和軟件延時技術(shù)的結(jié)合，以達(dá)到提升穩(wěn)定的延時時間，從而進(jìn)一步鞏固信號采樣速度，夯實(shí)信號判穩(wěn)的置信區(qū)間。

2.3 微壓傳感器輸出波動有效控制

從理論來說，通過以上多項技術(shù)處理后，微壓自動校準(zhǔn)系統(tǒng)就能夠投入實(shí)驗室工作，可是經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，出現(xiàn)了新的問題。當(dāng)輸出的標(biāo)準(zhǔn)信號穩(wěn)定后，微壓力儀表的采集數(shù)據(jù)也出現(xiàn)了很細(xì)微的變動，這種變動呈現(xiàn)一定的規(guī)律性。經(jīng)過研究得知，造成微小波動的內(nèi)因在于壓力標(biāo)準(zhǔn)器提供的壓力信號仍具有波動性，這種波動，是由控制器輸出端閥門的高頻率切換所致，這種波動是系統(tǒng)本身自帶的，沒辦法消除，因此只能從儀表端入手，依托濾波手段，將被校儀表的輸出誤差進(jìn)行修正，以抵消壓力標(biāo)準(zhǔn)器帶來的影響。

3 微壓傳感器數(shù)據(jù)及誤差處理

任何檢定校準(zhǔn)工作的開展，都必須遵照相應(yīng)的規(guī)程規(guī)范進(jìn)行。本系統(tǒng)依據(jù)壓力傳感器靜態(tài)校準(zhǔn)規(guī)程（JJG 860—2015），壓力傳感器性能測試國際標(biāo)準(zhǔn)GB/T 15478—2015 以及壓力傳感器性能試驗方法，以進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和誤差計算。

3.1 數(shù)據(jù)處理

系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理采用最小二乘直線擬合法，這也是壓力傳感器系數(shù)計算的基礎(chǔ)算法，設(shè)置m 個校準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行n 次循環(huán)，每一個校準(zhǔn)點(diǎn)上依次有n 個正、反行程校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，線性傳感器特性方程一般為Y=a+bX，a為結(jié)局，b 為斜率，Y 和X 分別為輸出和輸入，對應(yīng)公式如下。

正行程平均值：

反行程平均值：

第i 點(diǎn)的平均值：

最小二乘法擬合直線系數(shù)如下。

截距：

3.2 誤差處理

壓力傳感器誤差處理涉及重復(fù)性分析和準(zhǔn)確度計算。

3.2.1 重復(fù)性

依據(jù)貝塞爾公式，每個校準(zhǔn)點(diǎn)正反行程的采樣標(biāo)準(zhǔn)偏差的計算方法如下。

正行程采樣點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)偏差SUi為：

反行程采樣點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)偏差SDi為：

全測量行程的采樣點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)偏差S：

3.2.2 準(zhǔn)確度

準(zhǔn)確度是系統(tǒng)誤差與隨機(jī)誤差的綜合結(jié)果，取決于系統(tǒng)誤差帶U1與隨機(jī)誤差帶U2的大小。

線性傳感器的系統(tǒng)誤差帶U1，采用最小二乘直線法。

正行程的系統(tǒng)誤差為：

反行程的系統(tǒng)誤差為：

Y 為最小二乘直線方程值，U1?。é）Ui和（ΔY）Di中的較大者。

傳感器的隨機(jī)誤差帶U2=±3S。

傳感器的精確度ξ 為：

4 應(yīng)用情況

微壓測試儀表校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計完成后，通過多種微壓測試儀表進(jìn)行了反復(fù)試驗驗證，可達(dá)到以下技術(shù)指標(biāo)，相應(yīng)功能亦如下頁表1 所示。

表1 航空發(fā)動機(jī)微壓測試儀表自動校準(zhǔn)系統(tǒng)功能指標(biāo)

表2 是對BP9365 型微壓測試儀表依托系統(tǒng)進(jìn)行的校核對比分析結(jié)果。采用不同時間點(diǎn)的6 次采集數(shù)據(jù)，可以看出讀數(shù)帶有一定波動性，但變化量不大，警告計算可知，波動量小于允許值，表明系統(tǒng)的判穩(wěn)功能室可靠有效的。

表2 數(shù)據(jù)判穩(wěn)比較

考慮到微壓力測試儀表系數(shù)測試環(huán)境差異以及年漂移量相對較大等影響，對不同期的儀表校準(zhǔn)后的性能判比分析價值有限，不過對同一批次儀表的同時段多次校準(zhǔn)結(jié)果對比意義就不同了，它對評定系統(tǒng)能力有著比較重要的參考作用。表3 是微壓測試儀表校準(zhǔn)系統(tǒng)對儀表同期多次校準(zhǔn)后的系數(shù)對比，結(jié)果表明同期儀表系數(shù)的系統(tǒng)誤差在0.03%以內(nèi)，校準(zhǔn)系數(shù)的偏差所導(dǎo)致的誤差在0.18 Pa 以內(nèi)，微壓測試儀表系數(shù)的校準(zhǔn)精度完全達(dá)到預(yù)期。

表3 系數(shù)對比

5 結(jié)論

微壓測試儀表自動校準(zhǔn)系統(tǒng)以PC 機(jī)為核心控制單元，將數(shù)字壓力控制器、信號采集系統(tǒng)、微壓儀表整合，從而實(shí)現(xiàn)微壓測試儀表的校準(zhǔn)過程全自動化。校準(zhǔn)系統(tǒng)的出現(xiàn)很好解決了以往低量程校準(zhǔn)難的問題，微壓檢定范圍在0～7 kPa。其現(xiàn)有檢定能力可實(shí)現(xiàn)量程0～1 kPa、精度0.1%的高精度微壓傳感器的檢定工作。

自成功研制以來，該系統(tǒng)已對我所數(shù)百件壓力參數(shù)測量箱、微壓傳感器、微差壓傳感器、微壓變送器、微壓掃描閥等壓力儀器儀表完成高質(zhì)量校準(zhǔn)工作，為精確測量發(fā)動機(jī)性能參數(shù)提供可靠的技術(shù)保障。此外嗎，校準(zhǔn)系統(tǒng)還具有良好的可拓展性，依托有效的硬件擴(kuò)展和后續(xù)開發(fā)，可對壓力測試儀表實(shí)現(xiàn)動態(tài)測試和遠(yuǎn)程控制，拓寬了系統(tǒng)應(yīng)用的延伸性。