结构强度试验应变测量误差来源分析

韩 涛，聂小华，段世慧

（中国飞机强度研究所，陕西 西安 710065）

飞机结构强度试验应变测量是试验测试的重要工作之一，在试验实施过程中，测量数据的准确性和可靠性是衡量试验成败的重要依据，而在电测任务书从设计到应变测量实施的过程中，需要经过许多工序，其中包括应变的划片、制片、贴片、焊线、拉线等环节，如图1所示。

图1   应变测量实施工序

在接到电测任务书之后，测量工程师首先需要对应变进行编号，同时根据应变规模进行应变片制片，然后根据图纸在试验件结构上划片，同时进行测量线缆布置，最后进行应变粘贴和测量通道分配，以上应变测量系统接入采集系统进行联机调试，开始执行测量实施，直到试验逐级加载测量结束时，对试验数据进行回收，试验测量的整个流程结束。在整个应变测量过程中，各个环节都存在引入误差的可能性，本文就应变测量的误差来源进行分析。

结构强度试验应变测量原理在以往文献中已有研究，徐晗等[1]从应力应变电测技术的基本原理出发，考虑了材料的泊松效应，推导了应变计算公式，消除了非线性误差，修正了导线电阻引起的误差。初庆林等[2]对电线电缆导体直流电阻测量不确定度的来源进行了分析，并提出降低测量不确定度的措施，提高了测量的准确度。杨怿等[3]分析了电子引伸计应变测量误差形成的主要原因以及对金属材料拉伸试验强度测试的影响，提出了引伸计使用中的一些经验和注意事项。张功等[4]针对惯导测试装置的测量精度问题，在分析多面棱体测量原理的基础上提出了基于误差平均的线性补偿方法和利用傅里叶变换对测角误差进行分析，2种方法均可大幅提高角位置定位精度，该研究方法为应变误差的有效处理提供了参考。李自武等[5]详细分析了力传感器灵敏度和直线度因素对并联测力仪测量误差的影响。

以上分析为结构强度试验应变测量给出了经验方法，但是其研究的范围对于结构强度试验误差来源并不完全适用，基于此，本文针对结构强度试验过程中的误差来源问题进行深入分析，并提出了数据处理过程中的误差处理的基本方法。

1 误差来源分析

结构强度试验应变测量过程中，试验数据不可避免存在误差，误差产生的原因可以归纳为以下几个方面。

1.1 装置误差

结构强度试验应变测量系统标定时使用的固定形式复现标准值的器具，不可避免都含有误差。在试验过程中，使用的仪器及时进行了标定，除去标准仪器误差之外，标定后的仪器本身的误差也不可避免[6]。此外，装置误差还包括测量仪器的外接设备引起的误差，例如较长的测量线缆以及线缆接头等在测量过程中接入的除设备以外的误差。

1.2 环境误差

由于结构强度试验规模较大，试验环境复杂多变，如温度、湿度、气压、振动、照明、重力加速度、电磁干扰等各种环境因素与规定的标准状态不一致而引起的测量装置和被测量本身的变化所造成的误差[6]。

1.3 方法误差

测量方法不完善会导致误差。对飞机结构而言，用应变片测量结构受力产生的应变是常用测量方法，但是对于油箱浸油、充压试验等特殊情况，该测量方法会引起一定的误差[7]。

1.4 人员误差

由于测量设备操作人员的水平经验参差不齐，甚至在试验进行过程中由于疲劳引起的视觉生理变化以及固有习惯引起的测量误差。例如，在应变粘贴过程中，从划片到贴片都会使用坐标定位测量，在人员的操作过程中会引起一些在测量规范允许范围内的误差[7]。

综上所述，从各自的误差特点可以看出，有的误差可以在源头上得到有效控制，有的误差不能从根本上消除，需要在数据处理过程中重点关注，尤其针对粗大误差，需要判断剔除。

2 降低误差方法

2.1 应变自检

为了在试验之前进一步对试验配备的应变状态进行检测，设计了应变上电自检系统。如图2所示，试验开始时，系统对下位机所有的应变配置进行读取，传输至上位机系统，对应变进行阻值检测，然后进行应变零点检测，最后对所有检测结果进行汇总，并输出报表。

图2   应变上电自检流程

应变自检可以在系统上电之后实时对现场应变状态进行检测，当出现应变电阻异常或者导线异常等状况时，即时输出报表，从根本上抑制粗大误差及装置误差的产生。

2.2 应变溯源

图3   应变溯源系统界面

为了减少设备故障造成的应变误差，建立了应变溯源管理系统。如图3所示，系统在应变测量系统布置过程中需要导入应变数据，应变测量工程师需要根据应变的测点空间坐标对应的测量线缆将数据录入数据库。在测量系统联机调试过程中，应变测量工程师可以从应变溯源管理系统中查到任意应变片的空间坐标，可以通过系统追溯应变在试验现场的实际位置。应变溯源系统可以配合应变自检功能，提高应变故障的处理速率，从源头上控制应变测量误差的产生。

3 有效性判别方法

3.1 粗大误差剔除法

试验实施过程中，由于测量设备较多，测量通道及规模较大，加载过程中温度、湿度、电磁干扰等环境因素复杂，所以测得数据中发生零点漂移、数据突变造成的粗大误差偶尔发生。在数据处理过程中，对于明显的粗大误差数据进行剔除处理，对该应变位置进行检测，排除问题，以保证后续试验的测量准确性。如果应变所在的位置不影响飞机整体应变水平，可直接标记坏片，试验数据仍然有效。粗大误差的处理要满足试验要求，与试验电测任务书一致，避免造成关键应变数据的损失，以确保试验数据的完备性。粗大误差处理方法适用于预试或第一次试验初步数据预处理。

3.2 重复性对比法

在预处理阶段剔除了粗大误差的数据，飞机强度试验需要进行多次测量，数据处理过程中对于测量结果进行重复性分析，求得其中2次测量数据差值和误差。

误差：

根据相对误差大小判断试验数据的重复性，当2次试验数据差值较小以及相对误差不大时，可以认定数据重复性较好。数据处理过程中可以根据重复性选定一组比较理想的数据进一步进行处理和分析。

4 结    论

通过对结构强度试验应变测量误差来源分析，得到以下结论。

（1）试验应变测量误差来源包括系统误差和环境误差等多个方面，其中环境误差可以采用应变维护和校正方法进行减小和消除。

（2）应变自检和溯源手段是减少测量误差的有效方法，针对大规模测量时，可以大大提高装置的可靠性，从而减少误差的产生。

（3）针对大规模应变测量，采用粗大误差剔除法和重复性对比法可以有效提高误差数据处理效率，为结构强度试验的测量系统设计和数据处理提供一定的指导和依据。