結構水平沖擊試驗系統校準技術研究

鄧江流

摘要：本文立足于民機專向科研課題，以大型試驗系統計量測試技術的研究制定為指南，研制了一套針對結構水平沖擊試驗系統的校準技術，為該水平沖擊試驗系統試驗數據的準確可靠、試驗結論的正確性提供了量值溯源依據。本文首先根據該試驗系統的結構組成和工作原理設計了一種基于虛擬儀器的測試數據采集方案，并以最優化的方案搭建了該水平沖擊臺校準試驗系統的硬件。另外，為了在功能上滿足了整個水平沖擊試驗臺的測試要求，軟件部分我們利用LABVIEW設計了一種包含數據采集、存儲、時域分析處理、數值積分和數值微分為一體的程序。最后，對試驗臺的急推率指標進行了量值校準和不確定度評估。

關鍵詞：水平沖擊臺；校準試驗系統；數據處理；不確定度評估

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）03-0244-04

結構水平沖擊試驗系統主要用于中國民用航空規章第25部運輸類飛機適航標準中規定的應急著陸情況下的結構試驗，此類試驗通過檢驗飛機結構和座椅及相關安全設備在飛機應急著陸時對乘員的保護能力，驗證飛機的結構設計是否能夠在輕度撞損著陸過程中給每一乘員提供以避免嚴重受傷的一切合理機會[1]。

目前，隨著國外模擬碰撞技術的發展，結構沖擊試驗系統也越來越多地被各個實驗室用于仿真汽車、飛機和其他運輸形式所經歷的撞擊試驗中，用于確定其結構的抗沖擊性能及其抗沖擊設計和分析計算，國外發達國家為了保證飛機撞擊試驗量值的準確可靠及統一，對試驗設備的校準結果及影響的各項因素進行考核，以獲得可靠的溯源性。但目前國內飛機撞擊試驗采用這種模擬碰撞技術還較少，沒有公認的校準方法和專門的校準規范技術，無法保證測量結果和試驗數據的準確可靠，因此需要對該試驗臺的校準技術進行研究，以滿足試驗系統校準要求，并為試驗驗證結論的正確性提供量值溯源依據。

1 結構水平沖擊試驗系統

1.1結構水平沖擊試驗系統的研究技術指標

該試驗系統被設計用于模擬汽車、飛機、機載設備、艦載設備和車載設備等運輸形式所經歷的沖擊試驗。本文主要是通過對試驗系統的急推率、人體頭部傷害指標HIC等指標進行校準研究，根據美國Seattle Safety （SESA）公司對水平沖擊試驗臺制作材料的技術規定各個相應量值指標及其校準范圍的具體要求如下：

1）沖擊試驗臺的加速度峰值：≤100g

2）沖擊試驗臺的急推率

①≤20000g/s，有效負載：250kg

②≤8000g/s，有效負載：3000kg

校準裝置的主要測量參數為急推率，校準結果應滿足研究技術指標的要求。

1.2結構水平沖擊試驗系統的工作原理和結構組成

該水平沖擊試驗系統的設計基于美國Seattle Safety Servolsed原理，采用了計算機控制的氣動—液壓伺服系統，氣動部分通過高壓氣室和低壓氣室的壓差推動活塞桿，為試車臺提供驅動力，伺服剎車系統則通過液壓裝置驅動剎車片在試車臺上施加反向的剎車力，試車臺在這兩個力的合力作用下完成了水平方向的沖擊試驗，其組成框圖如下：

實驗過程中，若安裝在試車臺面上的負載較大，將會給沖擊波形帶來嚴重的影響，因為該水平沖擊試驗系統的設計和相關物理量計算均是基于單自由度機械系統進行的，產生波形的脈寬、加速度幅值等參數均與氣缸驅動腔中氣體的壓力、氣缸背壓腔中氣體的壓力和伺服剎車系統特性等因素均有關系。因此，為了消除對整個試驗的模擬性、再現性帶來不良后果，正式試驗前必須用試驗樣品或模擬試件對系統進行預調整。

1.3結構水平沖擊試驗系統的校準原理

結構水平沖擊試驗系統校準原理框圖[2]如下：

結構水平沖擊試驗臺的校準采用沖擊測試臺校準裝置直接對測試臺進行測量。沖擊測試臺校準裝置一般是由加速度計（含三軸向加速度計）、橋路應變放大器、同步數據采集卡和計算機等輔助設備組成。

2 結構水平沖擊試驗系統的硬件搭建

結構水平沖擊試驗臺校準技術總體方案框架如下：

本課題采用沖擊加度測量系統實時采集沖擊加速度-時間信號，得到與加速度相關的峰值、脈寬、上升時間等技術參數，本文的校準技術總體方案采用了虛擬儀器技術研制的便攜式數據采集系統來實現現場數據采集、數據分析和數據顯示，通過數據處理后得到相應的校準結果。試驗臺測量系統包含了加速度等多項參數，并分別對試驗系統的整體性能指標進行檢驗，完成對數據的采集、分析、判斷、顯示、存儲及生成。

在水平沖擊試驗系統的工作原理和實驗要求基礎之上，本文結合信號及數據采集方面的原理，給出了一種基于虛擬儀器的測試數據采集方案，并且對實現這一方案的硬件進行了最優化的選擇，配以ENDEVCO-2262型壓阻式加速度傳感器、ENDEVCO—136型橋路應變放大器、PCI-6251數據采集卡等搭建了該水平沖擊臺校準試驗系統的硬件，結構框圖如下：

3 結構水平沖擊試驗系統的算法研究和軟件設計

校準系統的軟件設計是整個數據采集系統的核心，也是整個校準系統重要組成部分[3]。系統的軟件設計采用模塊化和層次化的思想，由上至下設計，根據系統的總體要求和性能參數，將系統劃分為各個功能模塊，如：采集、數據分析、儲存和顯示等，再將各個模塊逐步劃分為更小的子模塊。系統可以實現對輸入數據進行采集、分析、顯示、儲存、打印和歷史數據回放等功能，并且具有良好的人機交互界面，易于維護和系統擴展。

信號顯示與控制部分通過截斷觸發點所對應序號（在采集模式下，序號為0）以前數據的方法，將觸發點以后的信號數據顯示在顯示屏上，從而實現了單點觸發功能。并可以通過修改顯示組件（Waveform Graph）的屬性節點，實時調整顯示時基。數據采集系統的主界面設計如下：

這是多通道數據采集系統的界面，實驗時可以對輸入終端、采集通道、數據采集卡的量程范圍、傳感器的極性、容差標準、觸發沿和采集參數等等進行設置，還可以自由選擇采集通道，點擊前面板上運行按鈕便可開始采集PCI-6251采集卡的九個通道的采集信號，若點擊停止采集，那么從開始到停止這段時間內的數據將會自動保存[4]。

3.1原始信號的頻譜分析和濾波處理

利用上述搭建的校準試驗平臺和DAQ數據采集程序從水平沖擊實驗中采集到峰值為100g，脈寬6ms的半正弦波如下，為了對信號進行準確測量和控制，我們將時域信號轉換到頻率域，對信號進行頻譜分析以了解信號的頻譜組成，進而對信號進行識別。從放大對比后可以看到，原始信號的頻譜主要集中在200Hz附近，在1300Hz、2000Hz等幾處有雜波分布。其中大約1500Hz以下、1Hz以上信號是我們所要保留的信號。

根據上述對原始信號的頻譜分析可知，我們需要的實際信號處于某一個通頻帶內，為了能夠得到相對平滑的波形曲線，將采集得到的數字信號應用于工程實際，我們采用巴特沃斯帶通濾波器對采集到的數據進行濾波，巴特沃斯濾波器擁有最平坦的頻率響應，在截止頻率以外，頻率響應單調下降，在通帶中是理想的單位響應，在阻帶中響應為零。對于半正弦脈沖，我們將巴特沃斯帶通濾波器的截至頻率上、下限分別設置為0.008/T、10/T，其中T表示半正弦脈脈沖在高于10%AP（AP加速度脈沖的峰值）之間的持續時間，即波形的脈寬，從圖中可以計算出在高于10%AP之間，半正弦脈沖的持續時間為0.006781s，故截至頻率的上、下限分別為1.1799Hz、1474.9Hz，于是，我們重新調用以上程序對采樣序列進行帶通濾波，并根據濾波前后的散點數據，將其繪制于同一坐標系中，并通過局部放大進行對比，從對比圖不難看出，濾波后的沖擊波形圖比濾波前平滑很多，這樣不僅讓采集到的加速度幅值信號經過數字化處理后去掉其他高頻和低頻信號的干擾，而且通頻帶內的頻率響應曲線能最大限度平坦，對于后面指標的校準實施提供了極大的方便。

3.2急推率的算法研究和校準

該試驗系統校準技術指標中的急推率是指試驗臺輸出的加速度的時間變化率，急推率反映了試驗臺輸出的加速度對時間的變化快慢，實際就是對加速度時域信號的再次微分，可通過軟件設計來實現，即對實時測量的加速度-時間歷程進行微分，其微分方程：

急推率曲線圖9所示：

上述數值算法實驗表明：本文運用的中心差分算法在處理光滑數據的能力很強，但由于局部導數有間斷點，導致急推率曲線是凹凸不平滑的，不能滿足實際工程的要求，因此必須利用數字濾波器濾波后才能使原來的微分信號的發散狀態有較大改善、信號品質得到進一步提高，將一個純凈的微分信號從很強的噪聲背景中提取出來，從圖10可看出濾波后得到的急推率曲線相對平滑。通過以上實驗分析，可以得到以下幾點結論：

1）急推率反映了在沖擊過程中試車臺加速度對時間變化的快慢，對于水平沖擊臺而言，由于臺面較大，會使各處受力不均勻，從而九個通道的急推率波形有所不同，另外，試驗臺的厚度、材料、諧振頻率等因素也會影響急推率曲線的峰值和平滑程度；

2）由于存在各種干擾，致使采用數值微分得到的信號一般不能直接使用，需要采取各種可行方法進行數字微分信號的提取和降躁處理，選取一定形式和階次的數字濾波器對數字微分信號進行濾波，可以較好的改善數字微分信號的品質。

3）若數字微分信號在經過數字濾波器濾波后，如果還不能達到工程要求，可以在此基礎上施加死區、慣性等非線性環節，可進一步改善信號品質。

以上我們利用水平沖擊模擬試驗中采集到的波形，編寫微分算法求解了急推率，并對其進行校準，但在實際試驗中，由于受到試車臺面上負載大小的影響，會導致急推率曲線的峰值有所不同，簡單來說，負載小的話，加速度峰值會較大，急推率峰值較小，反之，若負載較大，加速度峰值較小，急推率峰值會偏大；另外，臺面上負載分布的方式也會導致九個通道的急推率的不同，從動力學的角度來分析，臺面上負載分布相對集中的位置加速度峰值較小，但急推率峰值較大，而負載分布相對稀疏的位置加速度峰值較小，急推率較小。

綜上所述，為了能過綜合評定和反映整個試車臺的急推率，實際試驗時我們需對九個通道的急推率的峰值數據按照如下方法來處理：即

1）當試車臺面負載分布均勻的情況下，我們可以對九個通道波形的急推率峰值取平均值來當作整個臺面的急推率；

2）當試車臺面負載分布不均勻的情況下，我們可以對各種波形的急推率峰值取加權平均值來當作整個臺面的急推率，其中權重因子按如下方法設定，[λi=wiW]，[i]可以取一至九，wi表示每個區域內負載的質量，W表示臺面上總的負載質量，且[i=19λi=1]；

3）當試車臺面的負載為零時，我們可對取九個通道波形中最大的急推率峰值來做為整個臺面的急推率。

4 不確定度的評估

試車臺的急推率是通過對加速度時域信號的再次微分而求得，上一節運用中心差分算法做了詳細的推導，即

[H=-ai+8ai+1-8ai-1+ai-212Δt] （7）

由上述公式易知，在進行數值微分求解計算的過程中，引入了微分算法的不確定度，所以急推率的不確定度來源主要包括以下幾項：加速度a引起的不確定度分量uc（a）、微分算法引入的不確定度分量u1和時間t引起的不確定度分量，但由于時間的測量不確定度很小，因此急推率的不確定度主要是由加速度和算法的不確定度分量引起的，為了簡化描述，這里我們忽略時間的影響分量[6]。

在加速度為38g的校準點，急推率峰值參量的合成標準不確定度如下表所示：

參考文獻：

[1]. 吳溪浚，孟建軍，祁文哲.中國民用航空法律法規匯總.中國民航總局，1992.

[2].杜小軍.連續沖擊實驗控制與數據采集系統研究[D].西北工業大學，2007.

[3].孫春龍.基于LABVIEW多通道數據采集分析系統開發[D].武漢大學，2004.

[4]. 高品賢.測試信號分析處理方法與程序[J]..成都：西南交通大學出版社， 1999，54-60.

[5]. 曲東才.MATLAB平臺下數字微分信號提取研究[J].控制系統仿真學報，14 （8）.

[6]. 李榮鋒，譚伯聰.沖擊試驗測量不確定度實例分析[J].武鋼技術學報，2004，42（2）.