摘 要 針對(duì)氣壓高度壓力變送器定期校準(zhǔn)的要求，在考慮實(shí)際工作環(huán)境條件改變及傳統(tǒng)校準(zhǔn)方法存在風(fēng)險(xiǎn)的基礎(chǔ)上，提出了一種可在試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)原位校準(zhǔn)的方法。在該方法中，為了提高校準(zhǔn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，計(jì)入了環(huán)境溫度變化對(duì)結(jié)果的影響且計(jì)算了整套校準(zhǔn)裝置的不確定度，驗(yàn)證了其符合性。利用該套校準(zhǔn)裝置完成了氣壓高度壓力變送器的原位校準(zhǔn)，通過與實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)數(shù)據(jù)比對(duì)，計(jì)算各點(diǎn)校準(zhǔn)結(jié)果的|E n |值且均小于 1，驗(yàn)證了該方法的有效性。

0 引言

在直升機(jī)研制及試飛測(cè)試中，直升機(jī)飛行位置和姿態(tài)等信息對(duì)直升機(jī)的穩(wěn)定控制至關(guān)重要，而氣壓高度、壓力變送器作為其主要信息獲取的方式之一［1］ ，其數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確將直接影響飛行安全 ［2］ ，因此必須對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行定期校準(zhǔn)。雖然傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)方法可信度高，但其校準(zhǔn)周期長(zhǎng)，且重復(fù)拆卸與安裝傳感器對(duì)整個(gè)機(jī)身管路的密封性及傳感器本身都帶來風(fēng)險(xiǎn);此外，傳感器實(shí)際工作使用過程中環(huán)境條件的改變、傳感器內(nèi)部管路的相互連接均可能對(duì)測(cè)量結(jié)果存在影響，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)方法無法復(fù)現(xiàn)傳感器的真實(shí)工作情況，無法準(zhǔn)確對(duì)其實(shí)際工作中的數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確進(jìn)行有效評(píng)估。因此，必須開展氣壓高度、壓力變送器原位校準(zhǔn)工作。本文提出了原位校準(zhǔn)方法，利用該方法校準(zhǔn)了傳感器且進(jìn)行了驗(yàn)證，滿足當(dāng)前型號(hào)該類傳感器的原位校準(zhǔn)需求，確保試驗(yàn)試飛中數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠。

1 校準(zhǔn)原理及裝置要求

1． 1 校準(zhǔn)原理

直升機(jī)高度、速度參數(shù)的測(cè)量主要利用安裝在飛機(jī)頭部的空速管進(jìn)行氣壓感受，產(chǎn)生相應(yīng)的靜壓和動(dòng)壓信號(hào)，并作用于與其相連的氣壓高度、壓力變送器從而產(chǎn)生相應(yīng)的電信號(hào) ［3］ 。在校準(zhǔn)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，通過空速管上的靜壓孔和動(dòng)壓孔，標(biāo)準(zhǔn)壓力源輸出不同的壓力值給氣壓高度、壓力變送器，通過數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集傳感器電量輸出值，利用輸出值計(jì)算其校準(zhǔn)結(jié)果是否滿足要求，從而達(dá)到校準(zhǔn)高度、壓力變送器的目的。原位校準(zhǔn)系統(tǒng)原理如圖 1 所示。原位校準(zhǔn)時(shí)，機(jī)上高度壓力變送器的振動(dòng)、環(huán)境溫濕度、管路、電磁場(chǎng)環(huán)境等情況，均與實(shí)際工作情況一致，因此，原位校準(zhǔn)結(jié)果可信度更高。

1． 2 校準(zhǔn)裝置及要求

校準(zhǔn)裝置主要由標(biāo)準(zhǔn)壓力源、數(shù)據(jù)采集器、電源、氣路軟管、專用工裝、計(jì)算機(jī)和相關(guān)軟件組成，如圖 2 所示。標(biāo)準(zhǔn)壓力源用于向高度壓力變送器提供標(biāo)準(zhǔn)壓力信號(hào);數(shù)據(jù)采集器實(shí)現(xiàn)傳感器輸出信號(hào)的測(cè)量;電源向標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備供電;氣路軟管搭建標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備輸出端與空速管上工裝入口的連接;專用工裝實(shí)現(xiàn)空速管上靜壓孔和動(dòng)壓孔的密封;計(jì)算機(jī)及軟件存儲(chǔ)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)并分析計(jì)算校準(zhǔn)結(jié)果。

氣壓高度、壓力變送器原位校準(zhǔn)裝置，應(yīng)在不影響直升機(jī)高度、速度測(cè)量系統(tǒng)正常工作的前提下實(shí)現(xiàn)原位校準(zhǔn)功能，且作為計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，應(yīng)具備良好的不確定度指標(biāo)［4］ ，即:①整個(gè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備引入的擴(kuò)展不確定度應(yīng)小于被測(cè)傳感器#大允許誤差覺對(duì)值的 1/4;②具有良好的控制穩(wěn)定性能，工作溫度范圍寬，易攜帶;③管路接口應(yīng)具有良好的匹配及密封性。

2 校準(zhǔn)方法

2． 1 氣壓高度傳感器校準(zhǔn)

與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室拆卸后單個(gè)校準(zhǔn)方法不同，因直升機(jī)機(jī)身內(nèi)部氣壓高度傳感器的靜壓端與壓力變送器的參考端相互連接，為了防止校準(zhǔn)氣壓高度傳感器的過程中對(duì)壓力變送器造成損壞，需將空速管上的靜壓孔(P s )和動(dòng)壓孔(Q c )的工裝入口利用氣路軟管分別連接至標(biāo)準(zhǔn)壓力源的測(cè)試端。在校準(zhǔn)管路搭建完成且密封性測(cè)試合格的情況下，將標(biāo)準(zhǔn)壓力源的壓力輸出模式調(diào)為絕壓模式，然后參考規(guī)程要求［4］ ，測(cè)量范圍內(nèi)至少均勻或合理地設(shè)置 5 個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)。校準(zhǔn)時(shí)從壓力下限開始，待標(biāo)準(zhǔn)壓力源達(dá)到目標(biāo)點(diǎn)時(shí)，計(jì)算機(jī)通過數(shù)據(jù)采集器采集此時(shí)的電量輸出值。逐點(diǎn)升壓至測(cè)量上限，依次采集上行程各目標(biāo)壓力點(diǎn)的電量輸出值。然后，逐點(diǎn)降壓至測(cè)量下限，倒序采集各目標(biāo)壓力點(diǎn)的下行程輸出值。上行程和下行程校準(zhǔn)為 1 個(gè)循環(huán)，如此進(jìn)行 2 個(gè)循環(huán)。為了消除標(biāo)準(zhǔn)壓力源的測(cè)試端與靜壓孔和動(dòng)壓孔的高度差，校準(zhǔn)時(shí)盡量將三者放置在同一水平面上，具體校準(zhǔn)方法如圖 3 所示。

2． 2 氣壓壓力變送器校準(zhǔn)

在完成上述氣壓高度傳感器校準(zhǔn)后，只需將空速管上動(dòng)壓孔(Q c )的工裝入口通過氣路軟管連接至標(biāo)準(zhǔn)壓力源的測(cè)試端，靜壓孔(P s )與大氣連通即可。在校準(zhǔn)管路搭建完成且密封性測(cè)試合格的情況下，將標(biāo)準(zhǔn)壓力源的壓力輸出模式調(diào)為表壓模式，然后參考規(guī)程要求，后續(xù)校準(zhǔn)步驟與氣壓高度傳感器類似，具體校準(zhǔn)方法如圖 4 所示。

2． 3 不確定度計(jì)算

氣壓高度、壓力變送器測(cè)量誤差不確定度來源［5］ 主要有標(biāo)準(zhǔn)壓力源引入的不確定度分量 μ(p)、數(shù)據(jù)采集器引入的不確定度分量 μ(v)。現(xiàn)以校準(zhǔn)測(cè)量范圍為(0 ～1)psi、輸出(2． 5 ～5)V、0． 5 級(jí)的氣壓壓力變送器為例，標(biāo)準(zhǔn)壓力源輸出壓力#大范圍15kPa(2． 2psi)，#大允許誤差 ± 0． 01% FS，在(15～45)℃范圍內(nèi)使用時(shí)，溫度影響可忽略。數(shù)據(jù)采集器的#大允許誤差為 ± (0． 0024%讀數(shù) +50μV)，使用時(shí)，環(huán)境溫度超過(23 ± 5)℃ 時(shí)溫度影響為±10μV/℃。

1)標(biāo)準(zhǔn)壓力源引入的不確定度分量 μ(p)，標(biāo)準(zhǔn)壓力源與被測(cè)傳感器之間高度差影響忽略，因此，標(biāo)準(zhǔn)壓力源#大誤差不超過 ±1． 5Pa，按均勻分布，則:

被檢傳感器的#大允許誤差為 12． 5mV，從上面分析可知，整套原位校準(zhǔn)裝置#大引入的測(cè)量擴(kuò)展不確定度小于被檢傳感器允許誤差的 1/4，即

3． 125mV，因此本套校準(zhǔn)裝置滿足要求。

3 校準(zhǔn)結(jié)果驗(yàn)證

為了驗(yàn)證校準(zhǔn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，以校準(zhǔn)某型號(hào)為PPT0001DWW2VB － BE 的氣壓壓力變送器為例，分別開展原位校準(zhǔn)與實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)如表 1 所示，結(jié)果按公式進(jìn)行評(píng)價(jià)。

由圖 5 可知，原位校準(zhǔn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室各點(diǎn)校準(zhǔn)結(jié)果|E n |均小于 1，因此本校準(zhǔn)方法完全滿足氣壓高度壓力變送器的原位校準(zhǔn)要求。

4 結(jié)論

直升機(jī)氣壓高度、壓力變送器原位校準(zhǔn)方法目前已應(yīng)用于部分型號(hào)直升機(jī)機(jī)載高度、壓力變送器的校準(zhǔn)，該校準(zhǔn)方法具有以下三個(gè)特點(diǎn):

1)本文校準(zhǔn)方法針對(duì)被檢傳感器的實(shí)際工作環(huán)境條件開展校準(zhǔn)，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)真實(shí)、準(zhǔn)確、可靠，對(duì)后期客戶使用校準(zhǔn)數(shù)據(jù)具有更高的應(yīng)用價(jià)值;

2)與傳統(tǒng)校準(zhǔn)方法相比，原位校準(zhǔn)避免了被檢傳感器的拆卸與安裝，大量節(jié)省了維護(hù)時(shí)間，同時(shí)杜絕了因拆卸不當(dāng)造成的人為故障與損傷，大幅度縮短了校準(zhǔn)時(shí)間，提高了校準(zhǔn)工作效率;

3)本文針對(duì)直升機(jī)氣壓高度、壓力變送器的原位校準(zhǔn)方法，對(duì)后續(xù)其他類機(jī)載傳感器開展原位校準(zhǔn)有很好的借鑒作用。