CN109342251A - 一种用于应变量采集系统的自动校准装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种用于应变量采集系统的自动校准装置及方法，属于电学测量技术领域。本发明的装置包括电阻增量比率网络模块、网络切换模块、内嵌式温度控制模块、输出补偿模块、控制模块构成；本发明还公开基于所述一种用于应变量采集系统的自动校准装置实现工作方法：基于内部总线接收的用户命令控制模块通过网络切换模块调节电阻增量比率网络模块的模拟应变量输出值，并通过输出补偿模块对输出模拟应变量的偏差进行补偿，提高应变量采集系统的自动校准精度和效率。本发明通过自动校准网络能够对应变数据采集系统进行现场快速自动校准，满足国内对飞机静力和疲劳试验设备的校准设备的需求，保证飞机静力和疲劳试验的测试结果量值准确，溯源统一。

Description

一种用于应变量采集系统的自动校准装置及方法

技术领域

本发明涉及一种应变量采集系统的自动校准装置及方法，特别涉及一种飞机全尺寸强度试验中使用的应变数据采集器的自动校准装置方法，属于电学测量技术领域。

背景技术

飞机整机静力试验和疲劳试验是全尺寸强度试验中最重要试验之一，应变测量又是其中最重要的手段，在飞机全尺寸强度试验中需要使用大量的应变测试设备，其应变测量通道数通常都在数千乃至数万通道数量级，在进行试验前都必须进行校准。

传统的模拟应变量校准器其结构与电阻箱类似，通过不同量程的十进制旋钮来改变输出的应变量，且输出通道较少，如DR-6标准模拟应变量校准器。如果仅通过计量人员使用以上设备对应变量采集系统进行手动校准，校准工作量将十分庞大，时间成本难以接受。

发明内容

为解决飞机全尺寸强度试验中应变数据采集器的现场校准问题，本发明公开的一种用于应变量采集系统的自动校准装置及方法要解决的技术问题是：提供一种应变量采集系统的自动校准装置，基于内部总线接收的用户命令控制模块通过网络切换模块调节电阻增量比率网络模块的模拟应变量输出值，并通过输出补偿模块对输出模拟应变量的偏差进行补偿，提高应变量采集系统的自动校准精度和效率。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明公开的一种用于应变量采集系统的自动校准装置，包括电阻增量比率网络模块、网络切换模块、内嵌式温度控制模块、输出补偿模块、控制模块构成。

所述电阻增量比率网络模块是由主链电阻和多路并联电阻构成。多路并联电阻由多个电阻多路并联形式组成，阻值的变化满足所需输出模拟应变量要求。采用多路并联结构时，每一路上的电阻阻值相对于单路并联结构的电阻阻值大，能够有效降低网络切换模块的导通电阻引入的误差。

所述网络切换模块由程控开关构成，用于实现电阻增量比率网络模块中的电阻串并联切换，从而调整输出模拟应变量。

所述内嵌式温度控制模块用于使校准装置工作温度稳定以适应现场温度变化。

所述输出补偿模块主要由数字电位器构成，用于对输出模拟应变量的偏移进行修正。

所述控制模块根据总线命令通过网络切换模块控制电阻增量比率网络模块改变其连接状态以实现不同的模拟应变量输出。

本发明公开的一种用于应变量采集系统的自动校准装置的工作方法，包括如下步骤：

步骤一，所述内嵌式温度控制模块启动，将校准装置工作温度稳定于合适的数值上；

步骤二，所述控制模块接收到用户通过总线传递的命令，传递给网络切换模块；

步骤三，所述网络切换模块中的各个程控开关根据接收到的命令切换开关状态，以调整所述电阻增量比率网络模块的内部连接方式，从而输出相应的模拟应变量；所述接收到的命令根据预设的输出模拟应变量设定。

步骤四，当发现校准装置输出值有偏移，则通过调节输出补偿模块的数字电位器的阻值，对输出模拟应变量的偏移进行修正补偿，提高应变量采集系统的自动校准精度。

有益效果：

1、对比单路并联结构的标准器，如DR-6标准模拟应变量校准器，本发明公开的一种用于应变量采集系统的自动校准装置，电阻增量比率网络采用多路并联结构，每一路上的电阻阻值相对于单路并联结构的电阻阻值大，能够有效地降低网络切换模块的导通电阻引入的误差。

2、本发明公开的一种用于应变量采集系统的自动校准装置，通过所述网络切换模块调整所述电阻增量比率网络模块的内部连接方式以改变输出的模拟应变量，相对于传统的旋钮调节模拟应变量的方式，能够显著提高工作效率。

3、本发明公开的一种用于应变量采集系统的自动校准装置，与被校应变数据采集系统和校准计算机组成快速自动校准网络，通过所述自动校准网络能够对应变数据采集系统进行现场快速自动校准，满足国内对飞机静力和疲劳试验设备的校准设备的需求，保证飞机静力和疲劳试验的测试结果量值准确，溯源统一。

附图说明

图1为本发明公开的一种用于应变量采集系统的自动校准装置的组成原理图；

图2并联电阻的模拟开关工作原理图；

图3为主链电阻、多路并联电阻和数字电位器的连接关系；

图4为本发明的工作方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明进行详细说明。

下面以飞机全尺寸强度试验中应变数据采集器的现场校准装置为例进行说明。其结构示意图如图1所示，由图中可以看出，该装置由电阻增量比率网络模块、网络切换模块、内嵌式温度控制模块、输出补偿模块、控制模块构成。基于内部总线接收的用户命令控制模块通过网络切换模块调节电阻增量比率网络模块的模拟应变量输出值，并通过输出补偿模块对输出模拟应变量的偏差进行补偿。其中电阻增量比率网络模块由精密电阻构成，通过多路并联方式调节阻值从而改变输出的模拟应变量，同时多路并联方式有利于降低程控开关导通电阻的影响；网络切换模块由程控开关构成，实现电阻增量比率网络模块中的电阻串并联切换从而调整输出模拟应变量；内嵌式温度控制模块是为了使校准装置工作温度稳定以适应现场温度变化；输出补偿模块的核心是数字电位器，用于对输出模拟应变量的偏移进行修正；控制模块根据总线命令通过网络切换模块控制电阻增量比率网络模块改变其连接状态以实现不同的模拟应变量输出。

所述电阻增量比率网络模块是由多个电阻以特定的连接方式组成，其阻值的变化满足特定规律的电阻网络，由主链电阻和多路并联电阻构成。

所述网络切换模块，由程控开关构成，程控开关与并联电阻串联，控制并联电阻的连接，如图2所示。

由于采用多路并联结构时，程控模拟开关串联的电阻明显大于单路并联结构，所以开关自身的导通电阻的变化所引起的误差也会明显减小。通过下面的计算可以将单路并联结构和多路并联结构开关导通电阻引入的误差进行量化比较。

表1为桥臂电阻为120Ω，主链电阻为8Ω时产生100με～1000με的并联电阻，以及当模拟开关的导通电阻变化0.025Ω时产生的输出应变误差。

表1

表2为桥臂电阻为120Ω，主链电阻为16Ω时产生1000με～10000με的并联电阻，以及当模拟开关的导通电阻变化0.025Ω时产生的输出应变误差。

表2

表3为桥臂电阻为120Ω，主链电阻为32Ω时产生10000με～60000με的并联电阻，以及当模拟开关的导通电阻变化0.025Ω时产生的输出应变误差。

表3

从上面的三个表格可以看出，无论哪种并联方式在60000με输出时产生的误差最大，单一并联结构的最大误差为1.758E-04，而多路并联结构的最大误差为2.992E-05，采用多路并联结构的优势非常明显。

所述输出补偿模块的核心是数字电位器，用于对输出模拟应变量的偏移进行修正。数字电位器与主链电阻和并联电阻的连接示意图如图3所示。

图中R0为电阻网络的主链电阻；R1为固定电阻，该电阻的作用是提高自动补偿电路的调整精度和降低数字电位器不稳定性所带来的误差；R2也是固定电阻，该电阻的作用是使得数字电位器的分辨率可以被充分利用。

作为补偿用的数字电位器的阻值范围应当是1kΩ至2kΩ，为了提高补偿分辨率抽头数越多越好。但目前DCP最小标称阻值为10kΩ，抽头数最大为1024，且市场上能够买到的10kΩ1024抽头的数字电位器只有美信公司生产的MAX5496。该型号数字电位器为双可变电阻(两端电位器)封装；三线SPI兼容接口；工作电压为+2.7V至+5.25V，可双电源工作；温度系数为35ppm/℃；不编程时工作电流最大为1.5uA。

采用3片MAX5496并联，共有6个10kΩ数字电位器。并联数字电位器所构成的补偿电路的串联电阻为300Ω；并联电阻为44Ω时，通过编程可以计算出对于±2Ω范围内补偿最大误差为±0.0034Ω。该误差远小于模拟开关的导通电阻误差(±0.025Ω)，所以其产生的输出应变误差可以忽略不计。

所述内嵌式温度控制模块是为了使校准装置工作温度稳定以适应现场温度变化，主要由恒温槽及其驱动电路构成。

恒温槽的温度控制采用半导体制冷和加热的工作方式，因为半导体虽然可以制冷和加热，但不允许在制冷和加热方式之间快速接环，通常间隔时间需要几分钟，所述时间间隔不能满足本项目对温度精度的要求，因此采用两个半导体制冷器的方式，一个加热另一个制冷。

为了有效地控制温度，恒温槽采取数字控温方式。除了测试内部温度外，还要测试外部温度，以便实现更好的控温算法。为了方便用户使用，恒温槽需显示加热状态和达到温度恒定状态，并具有I2C接口以便必要时可以通过数据总线读出和设置温度。

所述控制模块根据总线命令通过网络切换模块控制电阻增量比率网络模块改变其连接状态以实现不同的模拟应变量输出，主要由系统初始化、通讯任务、温度控制任务、风扇控制任务和应变输出控制等几个单元组成。

如图4所示，本实施例公开的一种用于应变量采集系统的自动校准装置的工作方法，具体实现如下：

步骤一，所述控制模块启动，完成系统初始化，通过温度控制任务单元令所述内嵌式温度控制模块启动，测试校准装置的内外温度，根据内外温度的高低决定制冷或制热模式，从而将校准装置工作温度稳定于25℃；

步骤二，所述控制模块接收到用户通过总线传递的应变输出控制命令，传递给网络切换模块；

步骤三，所述网络切换模块中的各个程控开关根据接收到的命令切换开关状态，以调整所述电阻增量比率网络模块的内部连接方式，从而输出相应的模拟应变量；

步骤四，当发现校准装置输出值有偏移，则通过调节输出补偿模块的数字电位器的阻值，对输出模拟应变量的偏移进行修正补偿，提高应变量采集系统的自动校准精度。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种用于应变量采集系统的自动校准装置，其特征在于：包括电阻增量比率网络模块、网络切换模块、内嵌式温度控制模块、输出补偿模块、控制模块构成；

所述电阻增量比率网络模块用于有效降低网络切换模块的导通电阻引入的误差；

所述网络切换模块由程控开关构成，用于实现电阻增量比率网络模块中的电阻串并联切换，从而调整输出模拟应变量；

所述内嵌式温度控制模块用于使校准装置工作温度稳定以适应现场温度变化；

所述输出补偿模块主要由数字电位器构成，用于对输出模拟应变量的偏移进行修正；

所述控制模块根据总线命令通过网络切换模块控制电阻增量比率网络模块改变其连接状态以实现不同的模拟应变量输出。

2.如权利要求1所述的一种用于应变量采集系统的自动校准装置，其特征在于：所述电阻增量比率网络模块是由主链电阻和多路并联电阻构成；多路并联电阻由多个电阻多路并联形式组成，阻值的变化满足所需输出模拟应变量要求；采用多路并联结构时，每一路上的电阻阻值相对于单路并联结构的电阻阻值大，能够有效降低网络切换模块的导通电阻引入的误差。

3.如权利要求1或2所述的一种用于应变量采集系统的自动校准装置，其特征在于：工作方法包括如下步骤，

步骤一，所述内嵌式温度控制模块启动，将校准装置工作温度稳定于合适的数值上；

步骤二，所述控制模块接收到用户通过总线传递的命令，传递给网络切换模块；

步骤三，所述网络切换模块中的各个程控开关根据接收到的命令切换开关状态，以调整所述电阻增量比率网络模块的内部连接方式，从而输出相应的模拟应变量；所述接收到的命令根据预设的输出模拟应变量设定；

步骤四，当发现校准装置输出值有偏移，则通过调节输出补偿模块的数字电位器的阻值，对输出模拟应变量的偏移进行修正补偿，提高应变量采集系统的自动校准精度。