电子测量技术 第３１卷第１Ｏ期 ２００８年１Ｏ月 ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ ＭＥＡＳＵＲＥＭＥＮＴ ＴＥＣＨＮＯＬｏＧＹ 飞机结构应变测试系统的设计与实现 李 猛 杨（空军第一航空学院钰毕大圆 ４６４０００） 信阳摘要：监测飞机关键疲劳部位的应力变化是预测飞机结构疲劳损伤程度的重要途径，对飞机单机寿命监控具有重 大意义。本文以ＮＩ ＣｏｍｐａｃｔＲＩＯ技术为核心设计了机载应变测试系统，给出了在应变测试中消除长线传输误差的方 法，并采用基于变级差有效载荷历程构建算法实现了有效载荷历程的构建，为后续疲劳损伤分析提供了可靠的保证。 关键词：机载应变测试；ＣｏｍｐａｃｔＲＩＯ；载荷历程 中图分类号：Ｖ２３１．９５ 文献标识码：Ａ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｔｒａｉｎ ｔｅｓｔ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ａｉｒｃｒａｆｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｌｉ Ｍｅｎｇ Ｙａｎｇ Ｙｕ Ｂｉ Ｄａｙｕａｎ （ｔｈｅ Ｆｉｒｓｔ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ａｉｒ Ｆｏｒｃｅ，Ｘｉｎｙａｎｇ ４６４０００） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｔ ｉｓ ｖｅｒｙ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ａｐｐｒｏａｃｈ ｆｏｒ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ａｉｒｐｌａｎｅ ｋｅｙ ｐａｒｔｓ ｔＯ ｈｅｌｐ ｃｏｎｆｉｒｍｉｎｇ ｔｈｅ ｆａｔｉｇｕｅ ｌｉｆｅ ｏｆ ａｉｒｐｌａｎｅ ａｎｄ ｉｔ ｉｓ ｖｅｒｙ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ ｆｏｒ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｉｒｃｒａｆｔ ｌｉｆｅ．Ｔｈｅ ａｉｒｂｏｒｎｅ ｓｔｒａｉｎ ｔｅｓｔ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＮＩ ＣｏｍｐａｃｔＲＩＯ．Ｔｈｅ ｗａｙ ｔＯ ｅｌｉｍｉｎａｔｅ ｌｏｎｇ ｗｉｒｅ ｔｒａｎｓｆｅｒｒｉｎｇ ｅｒｒｏｒ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ． Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ １ｏａｄ ｈｉｓｔｏｒｙ ｉｓ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｏｆ ｔｈｅ ｕｎｆｉｘｅｄ ｌｅｖｅｌ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ａｎｄ ｉｔ ｉｓ ｃｒｅｄｉｂｌｅ ｇｕａｒａｎｔｅｅ ｔＯ ａｎａｌｙｓｉｓ ｔｈｅ ｆａｔｉｇｕｅ ｄａｍａｇｅ ｌｉｆｅ １ａｔｅｒ． Ｋｅｙｗｏｒ￣：Ａｉｒｂｏｒｎｅ Ｓｔｒａｉｎ Ｔｅｓｔ；ＣｏｍｐａｃｔＲＩＯ；ｌｏａｄ ｈｉｓｔｏｒｙ ０引 言 同时从工程实践角度来说，飞机上可供粘贴应变片的 位置较小，可达性差，因此桥路中工作应变片越少越好。 综合上述情况，采取了如图１所示的桥路配置。 飞机结构在使用中承受的各种疲劳载荷，代表着结构 的使用用途与承载历史，是给结构确定疲劳寿命时进行计 算或实验的重要依据。对飞机结构疲劳载荷的监控方式 目前是一种基于飞行参数型监控方式，采用这种方式监 控，需要通过全机有限元分析和全机疲劳试验建立起各危 险部位上的应变与飞行参数之间的对应换算关系。根据 这些换算关系就可以得到各部位上的应力变化历程数据， 进而可以计算出对应的疲劳损伤值 ｊ。这种方式由于危 其中，Ｒｌ工作应变片是工作应变片，Ｒ２补偿应变片是温度补偿应 变片，Ｒ、Ｒ 是桥路匹配电阻，ｒ 、ｒ 、ｒ。是线路电阻，ＥＸ为 桥压。 桥压加在 、兄两端（Ｒ 、Ｒ 是远端测量电阻；Ｒ。、Ｒ 是本地电阻，放置在设备箱内），初使条件下电桥平衡。 如果取Ｒ 一Ｒ 一Ｒ。一Ｒ 一Ｒ，及ｎ＝ｒ３一ｒ，也即这两 个引线必须一样长且为相同的导线，如果两条导线双绞在 一险部位的应变值是由飞行参数间接计算得到的，所以数据 可靠性低。本文设计并研制的应变采集系统是直接针对 关键危险部位的应变进行测量，为后续疲劳损伤分析提供 起则有Ａｒ１一Ａｒ３一Ａｒ 了可靠的数据保障。 应变的测量从力学的角度来说并不困难，但是对于在 空中飞行的飞机进行测量将会面临许多新的问题和困难。 １应变测试方案的选择 飞机在空中飞行的过程中，环境复杂，温度变化剧烈， 同时由于应变片所贴位置不同，到数据采集系统线路较 长，线路电阻造成的误差就比较大，因此消除温度和引线 的影响是实现精确测量的前提。 ・ ］］８・ 图１测量桥路原理图 李 猛等：飞机结构应变测试系统的设计与实现 当有应变及温度变化后： 第１Ｏ期 ＣｏｍｐａｃｔＲＩＯ技术为核心对系统进行综合设计。本数据采 集系统主要由应变采集模块、驱动模块、ＮＩ ＣｏｍｐａｃｔＲＩＯ、 ＾ｒ 一 。 ２。 ２ｒ ２（Ａｒ＋ＡＲ ） ＡＲ 电源滤波及隔离模块等组成。在地面时可通过网线对系 统内的数据进行下载。其原理结构如图２所示。 十 十———瓦一一十— 一 当 《Ｒ，△Ｒ 《Ｒ．ＡＲ 《Ｒ时，有： ＡＵ一 ９上 （１） Ｒ 由上式知，△Ｕ中已经消除了温度的影响。同时考虑到 了长线传输过程中线路电阻对测量结果的影响。 在具体实施过程中，又采取了相应措施： １）用两个相同型号的应变片组桥，即工作应变片和补 偿应变片的电阻值、灵敏度系数均相同。 ２）工作应变片贴在测量位置。补偿应变片需要在飞机 上找一个与主应变片同温度场而又不受力的点，将补偿应 图２测试系统原理框图 变片粘贴在这个地方，测量出来的应变值就只是主应变片 的形变量。但是飞机在飞行过程中由于空气产生的振动以 及各种因素会造成飞机各个部位都有一定的受力，而这个 受力又是不可避免。因此在实践过程中，采用加装补偿块 的方式，即在同一温度场中，加装一个主应变片粘贴点同材 料的９０。弯角片，将其一端固定在飞机框梁上，另一端悬空， ＮＩ ＣｏｍｐａｃｔＲ１０是一种小巧而坚固的工业化控制和采集 系统，采用可重复配置Ｉ／Ｏ（ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ Ｉ／Ｏ，缩写为ＲＩＯ） ＦｌｅＡ技术实现超高性能和可自定义功能，其基本结构包括 一个嵌入式实时控制器和一个可重复配置的ＦＰＧＡ芯片。 ＮＩ ＣｏｍｐａｃｔＲＩＯ系统具有优良的抗震耐温性能，保证 了测试的可靠性和安全性，小巧的外形，使得系统的体积 大大减少，较低的功耗，也使得系统工作的稳定性增强。 悬空部分长度刚好能粘贴应变片及能将导线固定，以避免 由于悬空过长抖动而产生测量信号的不准确，而补偿片就 粘贴在悬空的面上，这样就可以保证补偿片的受力情况基 本为０，从而实现了只测量主应变片形变的目的。 Ｉ ０模块选取依据是应变传感器及底板匹配，本文选 用ＮＩ９２３７模块。ＮＩ ９２３７同步桥路模块主要用于测量应 变，它包含所有的信号调理和激励；其Ａ Ｄ分辨率为２４ 位，４路同步采样模拟输入，最大采样率５０ｋＳ／ｓ；半桥和全 桥可编程，最高可达到１０ Ｖ的内在激励。 ２测试系统组成 在总体设计原则上，采用模块化设计思想，考虑到设 ３系统软件设计 软件设计主要包括上位机软件设计和数据采集器软 开始 备的可扩充性和升级能力，注重产品的小型化．使用的方 便性．坚固耐用性，安装和拆卸的快速性。以ＮＩ公司的 开始 没置参数 建立网霜＼ 数据下载 芷线监测 建立湖绍 Ｙ ｌ ± ＝ 检查剩余存储空间如小于规定 存储空间则删除最早存储数据 主控菜单 创建新文件央以便存储本次数据 处理数据并填充马尔可夫频次阵 桥路检查 测试项目选择 以—：进制代码的形式报告通断状态 循环采集存储数据 断电结束 数据采集系统软件流程 设Ｉ霎ｆ ＩＪ数ｌ竿 ｌ在 数Ｊ Ｉ载『ｌ测 数 据 分 析 上位机软件流程 图３软件总体流程图 ・ １１９ ・ 第３１卷 电子测件设计，上位机和数据采集器通过ＬＡＮ连接，基于ＴＣＰ／ ＩＰ协议进行通信。其程序流程图如图３所示。 ３．１数据采集器软件设计 数据采集器软件的主要功能有：开机自检、数据采集 和存储、ＬＡＮ通信。 自检项目有两项：电桥线路的短路和断路检查、存储 空间的检查。当某～路桥路有故障时，隔离该路电桥并以 二进制码的形式报警；数据采集器的存储空间有限，为了 保证最新的记录数据不丢失，必须预留一定的存储空间， 当自检时发现存储空间小于规定值，就删除最早记录的数 据，直至达到规定的存储空间为止。 ３．２上位机软件设计 上位机的主要功能就是对数据采集器存储的数据进 行下载、分析。主要有参数设置模块、数据下载模块、数据 分析模块以及在线监测模块。 参数设置模块用于对数据采集器的时问信息、每个通 道的采样率、每个通道的应变系数、激励电压值等进行设置。 数据下载模块的主要功能是从数据采集器下载应变、 设置参数等信息，同时也可完成对数据采集器数据的删除。 在线监测模块主要可以在线观测每个通道的实时应 变、电压等信息。 数据分析模块可分析出被监测部位是否过载，以及所 承受载荷的交变情况。 ４数据处理 疲劳载荷对结构造成损伤主要是由于载荷的不断交 替变化而引起的。因此，疲劳载荷的表征方法必须反映出 载荷峰值、谷值的各种变化情况及其发生频次。对于飞机 机动载荷，最常见表征方法为载荷峰谷值累积超越数曲线 （ｆａ称“超越曲线”）。超越曲线表征方法虽然形象直观，但 其不便之处是难以直接得出各种疲劳载荷幅的作用频次。 本文采用马尔可夫频次阵来表征，该表征方法易于化为其 他表征方式，同时还包含有升降载的峰谷配对信息，这是 其他表征方式所缺乏的。 在填充马尔可夫频次阵前要把原始数据处理成峰、谷 历程。载荷历程的构建就是从大量不规则的数据中寻找 出应变变化的峰值、谷值序列。 ４．１基于变级差有效载荷历程构建算法 基于变级差有效载荷历程构建算法原理是在不同应 变区域设置不同的级差。如图４所示，在（ ，Ｙ。］区间内级 差为ａｙ ，（ ，ｙ ］区间内级差为Ａｙ。，（．）Ｉ。，ｙ ］区间内级差 为ａｙ３，（ ，Ｙ３］区间内级差为Ａｙ ，其中Ａｙ 、Ａｙ２、／ｘｙ３、 ａｙ 可根据实际情况进行合理设置，在小应变范围内的级 差可设置较大，在大应变范围内级差设置较小，从而保证 了在大应变值附近的小波动也被记录下来。在具体实现 上相对固定级差有效载荷历程算法是先判断预置的峰或 ・ ｌ２Ｏ・ 量技术 谷所在区间，得到该区间所对应的级差，然后再进行比较。 （应变） ，４Ｙ ｜ ３ Ｙ２ｌ 二ｌ－７ Ｙｏ ０ 图４应变值级差分段示意图 具体算法流程如图５所示。 ４．２峰谷值寻找算法验证 某一段数据进行对比实验，其结果如图６和图７所示。 变级差的级差设置为：在区间（４００，ｏ］内级差设置为 ２００ ￡，在区间（８００。４００］内级差设置为１００ ｅ，在区间 （１０００，８００］内级差设置为５Ｏ ￡。 对比图６和图７可得出以下结论：变级差有效载荷历 程构建可把大应变附近的波动很好地保存下来（８００ ￡附 近的峰谷值），同时可把小应变附近的波动很好滤除（图６ 中采样点为５５￣６５之间的应变值在２００ ￡的峰谷值） ４．３填充马尔可夫频次阵 马尔可夫频次阵是一个二维方阵，依据马尔可夫频次 阵表征载荷历程的原理其行号（或列号）代表着相应的载 荷状态。与概率阵有所不同的是，第ｉ行 列内的元素数 值，不再代表从ｉ状态转移到 状态的概率，而是代表着这 种状态转移实际发生的频次。 在填充时，对于历程中的任一个峰谷点，先查看它的 前一点（转移起点）状态相应于矩阵的哪一行（ｉ行），再查 看它的当前状态相应于矩阵的哪一列（ 列），查清行列号 后，将矩阵ｉ行 列元素之值增加１次，就处理完了这个载 荷点。逐次处理完历程中的所有峰谷点，则马尔可夫阵就 自然形成了。 图８即为图７中所表示的历程填充的马尔可夫频 次阵。 马尔可夫频次阵升载区域频次数是７，马尔可夫频次 阵降载区域频次数是８，升载频次数与降载频次数相差１。 第２行的出度比第２列入度多１历程的起点必为２００～ ４００这一级。 ５结 论 该系统研制成功后，对设备整机进行了高温、低温以 及振动冲击等试验，并在不同温度下测试了温度对应变数 据的影响。结果表明，产品满足飞机应变监控各项技术指 标的要求。飞机关键部位的应力监控是飞机健康状态监 控中一个很重要的内容，目前多数飞机还没有专用于飞机 关键部位应力监控的设备，该设备有着广阔的市场前景。 李猛等：飞机结构应变测试系统的设计与实现 第１Ｏ期 图５基于变级差有效载荷历程算法流程 图６某一段原始数据波形图 图７经过变级差处理后所得的历程图 参考文献 ［１］ 陈志伟，高海龙，王智．用图论方法分析马尔可夫频次 阵特性ＥＪ３．航空学报，２００３，２４（４）：３２８—３３１． ［２］ 薛军，王智，等．飞机结构疲劳损伤的工程类比法ＥＪ３． 机械强度，２００４，２６（Ｓ）：１３８—１４１． Ｅ３３ 田方正，皇莆大宏，沙永忠．新一代机载数据采集系统 的发展综述ＥＪ３．测控技术，２００７，２６（３）：１６—２１． 图８马尔可夫频次阵填充结果 （下转第１２４页） ・ １２１ ・ ３１卷 电 子测 量技术 温湿度监测系统运 的表１温湿度数据信息 熏皂如表 所示。 ６—１０． 参考文献一 王殊，阎毓杰，胡富平，等．无线传感器网络的理论及 应用［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出版社，２００７： 段勇，昂志敏，金海红．基于ＺｉｇＢｅｅ技术的森林火灾 自动报警系统［Ｊ］．国外电子测量技术，２００７，２６（４）： ４９—５２． 黄双华，赵志宏，郭志，等．ＺｉｇＢｅｅ无线传感器网络路 由研究与实现［Ｊ］．电子测量技术，２００７，３０（２）： ５９—６１． 瞿雷，刘盛德，胡咸斌．ＺｉｇＢｅｅ技术及应用［Ｍ］．北京， 使用１０个ＺｉｇＢｅｅ模块，包括一个ｃｏｏｒｄｉｎａｔｏｒ节点和 ９个路由及终端节点，完成了对实验室及其周边办公室温 北京航空航天大学出版社，２００７：３－５． 张宏亮．ＺｉｇＢｅｅ软件开发人员指南（基于Ｊｅｎｎｉｃ ＪＮＳ１ＸＸ）［Ｍ］．北京：北京科技有限公司．２００７， ６—８． 湿度数据信息的监测，实验结果表明，系统有很好的适 用性。 ５结 论 ］作者简介 ］ ］ 口 ］ ］ 高文华，女，山西繁峙人，副教授，电子 教研室主任、电工电子实验教学中心主 本文提出的基于无线传感器网络ＺｉｇＢｅｅ技术的温湿 度监测系统，采用覆盖度大的簇状网络组网，组网方式灵 活，适应性强，通过在实验室及其周边办公室的实际应用， 说明系统有很好的实用性。 在实际的推广中，根据实现目标的需要确定路由器和 终端设备的数量，本系统可以适用于生产生活的更多领 域，解决实际应用中有线网络布线成本过高及不便到达、 环境恶劣地区环境温湿度监测的问题。 ＺｉｇＢｅｅ以独特的组网方式和独有的低功耗使得温湿 任，主要研究方向为智能信息处理。 ●一 康琳，女，太原科技大学电子信息学 Ｅ—ｍａｉｌ：ｇｗｅｎｈｕａ１６８＠ｙａｈｏｏ．ＣＯＦ／１．ｃｎ 院，讲师，从事嵌入式系统方向的研究。 Ｅ－ｍａｉｌ：ｋａｎｇｌｉｎｆｅｂ＠ｙａｈｏｏ．ｃｏｍ，ａｎ 度信息在实时传递的同时，降低了系统成本，节省了能耗， 节约了资源，它的低成本为在工业领域的推广提供了便 捷，随着ＺｉｇＢｅｅ芯片价格的降低，这一新兴的温湿度监测 系统也必将有更广阔的应用前景。 太原科技大学电子信息学院，助教，从事 无线传感器方向的研究。 ，Ｅ－ｍａｉｌ：ａｃｈａｉ２００３＠ｓｉｎａ．ｔｏｍ Ｉ－－…¨¨ ’ ＿。－…¨¨… ｔ－…¨¨ 。¨¨ｌ －¨ “ ＿－ ’｝…‘＿－一 ｌ。－。‘¨¨Ｉ－・ ｆＩ¨・－ ｔ－ 【＿一¨ｌＩ一 ＿－。 … ＿’－… ｝ｒ‘ ．－一’¨¨ｌ （上接第１２１页） ［４］ 侯俊明．应变测量系统误差分析［Ｊ］．现代电子技 术，２００２（５）：１２—１４． ［８］ 李猛，金世俊．基于ＣｏｍｐａｃｔＲＩＯ的应变采集系统 设计和实现＿Ｊ］．国外电子测量技术，２００７，２６（６）： ２９—３１． ［５］ 刘宝华．多通道高精度应变测量技术研究［Ｊ］．计量 学报，２００３，２４（３）：２０５—２１０． ［６］ 万旭，彭宝进，廖延彪，等．消除温度对应变测量的 影响［Ｊ］．激光与红外，２００５，３５（１０）：７５５—７５７． ［７］ 李学军，蒋玲莉，宾光富．一种准分布式光纤光栅 传感实验仪的设计［Ｊ］，电子测量与仪器学报，２００８ （１）：７０—７４． 作者简介 李猛，男，１９７７年６月出生，在读硕士，讲师，主要研究 方向为数字信号处理、智能测控系统、虚拟仪器等。 Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｉｍｅｎｇ９７６＠ｓｏｈｕ．ｃｏｍ ・１２４・
