邓雪峰张 雨
(中国人民解放军92493 部队,葫芦岛 125001)
武器装备专用电气参数检测设备主要包括电气参数综合检测仪、火工品测试仪、综合检查台等,主要为武器装备提供标准的直流电压、直流电流、直流电阻、交流电压和交流电流信号,以及对这些信号进行测试。相关计量校准工作主要依据《JJF 1587-2016 数字多用表校准规范》和《JJF 1638-2017多功能标准源校准规范》,校准环境要求温度为20 ℃±2 ℃,相对湿度小于75% RH。由于武器装备多部署在高原、海岛,环境条件相对严酷,不具备标准的计量实验室环境条件,给专用电气参数检测设备的现场校准工作带来极大不便,甚至造成设备无法按期、按要求实施计量校准,严重影响武器装备技术性能的保持。针对武器装备现场保障实际需要,研制了一种通过构设现场校准微环境的小型化、智能化计量标准设备,以及辅助图像识别技术和程控开关触发装置,实现了符合相关校准规范要求的武器装备专用电气参数检测设备现场校准能力,主要设计技术指标如下:
（1）校准微环境控制
有效工作面积:1 m3;
温度控制范围为18 ℃～22 ℃,最大允许误差为±0.2 ℃,温度均匀性不大于0.5 ℃;
湿度控制范围为30% RH～75% RH,最大允许误差为±2%RH,湿度均匀性不大于3% RH。
（2）计量标准性能
直流电压为±（0.1 V～100 V）,最大允许误差为±0.05%;
直流电流为±（0.01 A～3 A）,最大允许误差为±0.05%;
直流电阻为0 Ω～100 kΩ,最大允许误差为±0.05%;
交流电压为1 V～120 V、50 Hz～1 kHz,最大允许误差为±0.1%;
交流电流为0.01 A～3 A、50 Hz～1 kHz,最大允许误差为±0.1%。
（3）自动计量软件
具备液晶数字图像信息自动识别功能和自动触发功能。
装备电气参数便携式智能校准装置主要包括校准微环境控制舱、板卡级计量标准和自动计量控制系统三部分,如图1 所示。
图1 装备电气参数便携式智能校准装置结构原理图Fig.1 Structural schematic of portable intelligent electrical parameters measurement and calibration device
2.1 校准微环境控制舱结构原理
控制舱提供1 m3校准工作空间,并实现温度为20 ℃±2 ℃和湿度为30% RH～75% RH 的校准环境。主要由雾化加湿室、加热室和空气循环动力室和冷凝除湿室四部分组成。设定好需要控制的温湿度值后,由温湿度传感器1 和温湿度传感器3 采集箱体内的温湿度数据并将结果传递给人机交互单元内置的温湿度控制系统,自动判断需要吹冲空气的温湿度值,根据判定结果自动选择控制冷凝除湿室、加热室和雾化加湿室的工作状态[1],依靠温湿度传感器2 反复测量并控制以获取需要的吹冲空气,实现舱内温湿度的自动控制。
该部分技术实现的难点主要是舱内温湿度控制算法的确定,以及舱内温湿度场均匀性的保障。经过反复试验分析,决定采取如下解决措施。
2.1.1 采用模糊PID 控制算法实现温湿度舱的快速精准控制
温湿度设定值与实际值存在较大偏差时,采用模糊控制算法;在两个值接近时,采用PID 控制算法,该算法可以大大提高温湿度稳定时间。
首先,模糊控制模型如图2 所示,经过多次手动试验控制和采信成熟的控制数据,确定模糊控制规则数据,写入温湿度控制系统存储器。
图2 模糊控制模型Fig.2 Fuzzy control model
其次,实际控制中,根据测得的舱内温湿度数据,读取模糊控制规则数据按公式（1）～公式（3）计算。
式中:KP——比例调节系数;TP——比例控制时间;TeP——输入偏差比例控制时间;Ki——积分调节系数;Ti——积分时间;Tei——输入偏差积分时间;KD——微分调节系数;TD——微分时间;TeD——输入偏差微分时间。
计算获得模糊PID 控制量u,按公式（4）计算,实现舱内温湿度的自动快速精准控制[2]。
式中:u（k）——模糊PID 控制量;ΔT（k）——采样时间;ΔT（i）——积分时间;ΔT（k-1）——下一采样时间。
2.1.2 采用多次试验获取最优结构设计解决均匀性控制问题
温湿度场的均匀性与舱体气密性效果、检测温湿度传感器布设位置、进气和排气管路位置及结构直接相关。通过多组实际布设和控制试验,获取最优结构设计参数,同时在舱体材料内壁敷设钛合金材料,外胆采用A3 钢板喷塑,解决了温湿场均匀性控制的问题。
2.2 板卡级计量标准结构原理
板卡级计量标准主要由表贴式微处理器、表贴标准电阻阵列、7 V 电流电压基准、PWM 可调分压器、5 V 正弦波发生器、A／D 转换器、功能切换开关、调理电路、输出控制与测量采样反馈单元构成,如图3 所示。
图3 板卡级计量标准设计框图Fig.3 Design block diagram of board-level metrology standard
其中,7 V 直流电压基准经PWM 可调分压器输出0.1 V～7 V 的标准直流电压,经增益可调直流电压放大器输出0.1 V～100 V 直流电压,经直流V／I变换电流发生器后输出±0.01 A～3 A 直流电流;交流电压与交流电流由5 V 正弦波发生器、增益可调交流电压放大器和交流V／I 变换电流发生器产生;直流电阻采用1 Ω、10 Ω、100 Ω、1 kΩ、10 kΩ、100 kΩ 共6 只表贴金塑铂电阻阵列构成,由程控开关切换输出。输出控制与测量采样反馈单元兼顾标准源输出采样反馈和数字万用表测量采样两项功能,测量时,采样获取的信号经调理电路处理成线性直流和交流电压信号,经A／D 转换器转换为数字信息,由微处理器处理后,显示测量结果。
此部分电路设计主要难点在于直流电压基准的稳定性,以及电压、电流输出控制的稳定性设计。其中,7 V 直流电压基准采用了LTZ 1000 高稳定齐纳基准,温度系数为0.05 ppm／℃。为了增加计量标准输出控制的稳定性,设计中采用了模拟加数字双闭环反馈控制[3],控制精度得到较大提高。
2.3 自动计量控制系统结构原理
自动计量控制系统主要实现专用电气参数检测设备的自动化校准,包括设备显示数字信息的自动识别,以及设备功能与量程开关的自动切换。
2.3.1 图像识别
图像识别的难点在于图像准确定位截取、图像边缘化处理以及图像字符区域的分割和识别。在校准舱内设置二维摄像头滑道,放置被校准设备时,进行手动对焦定位,保证图像截取的准确性。同时,采用像素统计算法,识别和截除显示字符图形边缘,获取字符显示区域图像,再经过垂直投影算法分割字符,如图4 所示,并对照字符识别库识别确认字符信息[4,5]。
图4 字符分割示意图Fig.4 Character segmentation diagram
2.3.2 切换开关精准定位
采用步进电机来驱动旋钮开关,通过监测步进电机工作电流状态,结合视频图像匹配结果,使数字万用表开关旋钮精准地旋转到相应的功能位置。校准装置工作平台为矩形二维坐标平面,如图5 所示,其三个角的位置A、B、C 上有定位色块,用于定位被测设备在矩形中的坐标,开关切换模块D 由固定架支撑,通过机械结构可在x、y、z三个轴向上任意运动,并通过步进电机控制可围绕z轴旋转,摄像头F 固定在支架上读取被测设备E 的位置信息,并进行数值的图像采集。
图5 校准装置平台示意图Fig.5 Diagram of the calibration device platform
开关切换模块由步进电机提供转动动力。当D的拨爪转动时,电机工作电流持续增大;当电流突然由最大值降低为0 时,即检测出该万用表开关旋钮转动到了一个新档位。当开关旋钮的中心位置与拨爪支撑杆中心不对中时,步进电机可通过串联挠性联轴器继续提供旋转动力。拨爪支持杆通过弹簧与另一支持杆串联,并设置一个限位开关,拨爪下降的过程中压缩弹簧并触碰限位开关使其停止下降,因此,被检设备的高度将不会受到限制。由于被检设备开关旋钮的颜色一致,图像处理起来非常困难,因此,需在旋钮的两侧粘贴不同颜色的贴纸,用以区分开关旋钮的指向,并通过两个贴纸的相对位置确定开关旋钮的中心位置,提供开关切换模块在x、y轴上的运动坐标。
以直流电压10 V 点为例进行测量结果不确定度评定。
3.1 评定依据
根据《JJF1059.1-2012 测量不确定度评定与表示》以及《JJF1587-2016 数字多用表校准规范》进行不确定度评定。
3.2 测量方法
采用标准源法,用板卡级计量标准对某电气参数综合检测仪进行校准,板卡级计量标准的设定值为标准值,某电气参数综合检测仪的测量值为示值,计算其示值误差。
3.3 测量模型
式中:ΔU——被校某电气参数综合检测仪的示值误差;UX——被校某电气参数综合检测仪的示值;UN——板卡级计量标准的设定值。
3.4 不确定度来源
在标准条件下,温度、湿度、输入零电流、输入阻抗等带来的影响可忽略,测量结果不确定度来源主要包括:
（1）板卡级计量标准引入的不确定度分量u1
（2）被校某电气参数综合检测仪分辨力引入的不确定度分量u2
（3）被校某电气参数综合检测仪测量重复性引入的不确定度分量u3
3.5 测量结果不确定度评定
（1）板卡级计量标准在10 V 点引入的不确定度分量u1
根据板卡级计量标准允许误差指标,其直流电压10 V 点最大允许误差为
其半宽度为5×10-3V,在区间内认为服从均匀分布,包含因子,则板卡级计量标准在10 V点引入的不确定度分量为
（2）被校某电气参数综合检测仪分辨力引入的不确定度分量u2
某电气参数综合检测仪10 V 测量点的分辨力为0.001 V,半宽度为0.000 5 V,服从均匀分布,包含因子,则被校某电气参数综合检测仪分辨力引入的不确定度分量为
（3）被校某电气参数综合检测仪测量重复性引入的不确定度分量u3
用板卡级计量标准对某电气参数综合检测仪直流电压10 V 点独立测量6 次,测量数据如表1所示。
表1 直流电压测量数据Tab.1 DC voltage measurement data
计算得到试验标准偏差为
以单次测量结果为测量值,则测量重复性引入的不确定度分量为
（4）计算合成标准不确定度
考虑到被校某电气参数综合检测仪读数的重复性和分辨力存在重复,在合成时将二者中较小的值舍去,即u2和u3取大者,则合成标准不确定度为
（5）确定扩展不确定度为[6,7]
研制的验证样机,如图6 所示,对校准微环境控制舱恒温恒湿效果和板卡级计量标准性能进行验证。
图6 验证样机外观图Fig.6 Appearance of the verification prototype
4.1 校准微环境控制舱恒温恒湿效果验证
在外部环境-15 ℃和45 ℃两个条件下,设定现场校准装置微环温度为20 ℃,相对湿度为60% RH,校准舱工作平台中心位置标准温湿度传感器实际测试数据如表2 所示。
表2 温湿度验证数据Tab.2 Temperature and humidity verification data
实测数据显示,验证样机在温度控制20 ℃时满足最大允许误差±0.2 ℃的要求,相对湿度控制60% RH 时满足最大允许误差±2% RH 的要求。
4.2 板卡级计量标准性能验证
用FLUKE8508A 数字多用表和FLUKE5730A校准源采用标准源法对板卡级计量标准性能进行测试,数据如表3 和表4 所示,板卡级计量标准性能满足设计指标要求。
表3 输出功能验证数据Tab.3 Output functional verification data
表4 测试功能验证数据Tab.4 Test functional verification data
通过试验验证,该装备电气参数便携式智能校准装置技术指标符合设计要求,可以解决高山、海岛等复杂环境下武器装备配套检测设备的现场校准技术难题,对提高武器装备计量保障工作质效具有较好的促进作用,推广应用前景广阔。
猜你喜欢板卡检测仪温湿度温湿度控制器在回收砂冷却系统中的应用装备制造技术(2021年5期)2021-08-14基于DSP的多路温湿度监测系统漳州职业技术学院学报(2019年1期)2019-11-16一种防雷接地装置的便携式检测仪电路电子制作(2019年7期)2019-04-25基于PCI9054的多总线通信板卡的研制测控技术(2018年3期)2018-11-25基于FPGA的多通道模拟量采集/输出PCI板卡的研制测控技术(2018年12期)2018-11-25基于温湿度控制的天气预测装置电子制作(2018年11期)2018-08-04基于555振荡器的地沟油频率检测仪电子制作(2017年20期)2017-04-26蒸发冷却温湿度独立控制空调系统的应用西安工程大学学报(2016年6期)2017-01-15一种基于光纤数据传输的多板卡软件程序烧写技术火控雷达技术(2016年3期)2016-02-06巧用故障检测仪中的Reset功能汽车维修与保养(2015年8期)2015-04-17