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飞机生存力和弱点测试


美国海军(U.S. Navy)

概述:
飞机设计师最重要的目标之一是为飞行员设计坚固的飞机,能承受在战斗中可能遇到的各种攻击和威胁。在位于加利福尼亚州中国湖的海军空战中心,美国军方各部门对飞机进行生存力和弱点评估测试。测试对象包括部件、子系统、全尺寸飞机和武器,采集到的数据被用于查找设计的弱点部位,由此提出改进方案,并进一步测试检验改进效果。
 

解决方案:
飞机生存力测试需要测量多种信号,因此需要使用各种传感器。测量包括撞击过程中的流体冲击压力(动应变计)、机翼油箱的轴向变形(静应变计、动应变计)、撞击过程中的冲击力(压阻式加速度计)、动压力、静压力(4-20mA压力传感器)、爆炸压力(硅膜片传感器)、载荷过程中机翼位移(弦线电位计)以及机翼载荷(测力传感器)等等。


由于被测试飞机将受到实弹射击,测量系统位于距离飞机相当远的控制室内。信号调理系统必须支持用于生存力测试的各类传感器,信号带宽高达100kHz。测试专家选择PFI 28000系统,为256个传感器提供模拟信号调理。PFI 28114四通道传感器调理卡支持以上提到的所有传感器。另有两个通道需要使用PFI 28524频压转换卡,专门用于测量燃油流量和发动机转速。PFI 28000信号调理系统输出的信号直接连接到NI的PXI数据采集系统。


一套支持所有测试信号的调理系统将明显节省维护、培训、备件、布线等综合成本。由于测试方案不断变换,海军空战中心需要高度自动化的设备,以减少测试设置时间和试验周期。28114插卡为海军空战中心使用的各类传感器提供了一套高性能、全程控的通用信号调理解决方案。28114插卡可为桥路式传感器提供恒压激励,为动应变测量提供PFI独创的2线/4线对称恒流激励。

PFI平坦/脉冲 (FLAT/PULSE) 滤波技术允许用户程控设置滤波器的频响特性。在做瞬态测试或时域波形比较重要的测试,采用脉冲模式滤波器。脉冲模式具有线性相位响应特性,这是时域波形再现以及低过冲、低抖动的瞬态响应所必需的。对于频域分析,采用平坦模式滤波器将获得出色的传递函数平坦度和陡峭的滤波特性,带宽可进行精细选择。


通常实弹测试仅仅持续几分之一秒。爆炸过程中,由于滤波器的设置,即便信号有带外能量,数据采集系统也不能检测出瞬时的输入过载。28114插卡具有过载检测器,可以锁存通道出现的短暂饱和状态,提示用户测试过程中曾发生了内部过载,应仔细检查该通道数据的有效性。


由于测试成本昂贵(几十万美元以上),而且有些试验不能重复,采集数据的机会往往只有一次,海军空战中心需要高性能、高可靠性设备确保有效地采集数据。在许多难度很大的测试中我们和用户有多年的密切合作,我们知道实弹测试中的恶劣环境将造成传感器、电缆和接头的损坏。下面的情况时有发生:传感器或电缆在上一次测试中被弹片破坏;而在随后的测试中发现传感器或电缆故障,但为时已晚,已经造成无法弥补的数据损失。方便快捷的电缆、传感器健康状态监测功能使得用户可以根据健康状态,及时采取措施来保存重要的数据。28000信号调理系统内置的测试硬件和软件允许用户轻松地执行全自动的传感器和电缆健康状态检查。


所有的测试和测量系统都需要定期校准。通常情况下,这意味着测试系统被拆解,插卡被拔出,并运到内部校准实验室或运回原厂。这个过程需要30天的停机时间。海军空战中心严格的测试进度不允许每年1个月的停机时间,因此需要现场自动校准。PFI系统内置的测试硬件和软件允许用户在现场执行NIST可溯源的校准测试,无需从机柜中移出系统。

方案特点:
• 256通道可扩展的通用信号调理解决方案
• 通用放大器模块支持多种传感器信号:静应变、动应变、压力、加速度(力)、荷载、位移、温度、流量、转速
• 提供对称恒压激励(零共模)或对称恒流激励
• 程控传感器桥路配置:1、2、4桥臂,120、350、1000欧姆桥路电阻
• 程控恒流配置:2线或4线制(开尔文连接)
• 支持4-20mA电流输出传感器
• 实时显示传感器激励、传感器电阻和泄漏电阻值
• 锁存过载探测器可检测出瞬时过载状态
• 程控平坦/脉冲低通滤波器,针对测量要求优化系统响应
• 高达100kHz带宽
• 高密度:256通道仅占用42英寸高的机柜空间
• 程控滤波器,以适应静态或动态测量
• 传感器、电缆、信号调理器的自动验证
• 全自动NIST可溯源的现场校准测试

海军空战中心测试中使用的PFI设备

数量:4 28016机箱及外置电源,28000F-BIF1-FT背板接口卡(支持28000-TEST测试子系统)


数量:64 28114-FX01-LP4FP四通道通用传感器调理器


数量:1 28524频压转换调理器


数量:4 28000-TEST测试子系统,用于执行系统验证以及现场NIST可溯源校准测试
 
参考文献:
Weapons Survivability Laboratory (WSL): Quick Facts!, 2011
NAWCWD Corporate Communications: News Release, One-of-a-kind Testing at NAWCWD Means More Survivable Aircraft, 2012
Joint Aircraft Survivability Program Office (JASPO): Aircraft Survivability, Spring 2010
这份文件/手册中的信息并不以任何方式构成对PFI公司、或其服务和产品的政府支持。

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