tdc(数字时间转换)测量技术在飞机机体变形上的研究.pdf

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编号:20181111074054362112    类型:共享资源    大小:1.07MB    格式:PDF    上传时间:2019-02-16
  
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工业技术 T D C( SCIENCE&TECHNOLOGY 盔愿群丽盈匪皿删!!!苎墨!‘! 数字时间转换)测量技术在飞机机体变形上的研究 何超 (中国民航飞行学院航空工程学院 四川广汉 6I 8307) 摘要:飞机在高空飞行时,由于空气阻力以及机体内外存在大气压差,机体内外会产生一个作用力。由于这个作用力,使得机体会产生 一个微小的变形。这种变形在机鼻与机翼处尤为明显,影响飞机的空气动力特性。因此,很有盛要研翻能够精确测量机体变形的测力装 置。TDC时问数字测量系统由于其特殊的转换原理,抗干扰能力强,因此本文采用了此种测量系统。本文讨论了基于TDC的测量转换原理。 另外,也讨论了在工程测量中应变测量的硬件实现和温度偏移,零点偏移的调整。 关键词:TDC 时间数字测量 温度补偿 机体变形 中图分类号:U21 6 文献标识码:A 文章编号:1 672--3791(201 3)09(c)一0087-02 传统的应变测量方法是采用电阻应变 片来进行测量的。其工作方式是将应变片 粘在被测物体上,被测物体受到载荷之后 发生了微小变形,这个变形也被传递到了 应变片的栅丝上,改变了应变片电阻值的 大小,依据所测量到的结果不同,就可以间 接测量出应变的大小。但是,由于飞机独特 的风洞实验环境,电阻应变片的工作环境 比较恶劣,也暴露出一些问题。例如,应变 片所测量的电压信号很容易受到飞机上各 种电磁干扰,引入不必要误差;其次,我们 也需要为电阻应变片提供一个稳定的工作 电源。 图1 TDC惠斯通电桥 采用高精度数字转换(TDC Time—to— Digital Converter)进行测量可以很好的回 避这些问题。TDC是从实验核物理中发展 起来的一门技术…。TDC的测量基本原理是 采用逻辑门延迟阵列,这使得TDC测量刷 新率、精度以及电流消耗的灵活性高。因 此,TDC测量技术运用于强干扰的飞机机 体测量是有非常大的实际意义的。 1 TDC时间数字测量的原理 TDC核心测量单元的内部是利用信号 通过逻辑门的绝对时间延迟来精确量化时 间间隔的。它计算了在一段时间内通过的 反向器的个数(21。 芯片的最小门传播延迟时间决定了 TDC的最高分辨率。测量是在Start信号与 Stop信号之间。通过环形振荡器的位置和 粗值计数器的数值,就可以计算出Start和 Stop之间的时差。PS081这种芯片有两种测 量方式:小量程模式和大量程模式【3】。 以小量程模式工作时,TDC的两个通 道都是由start脉冲的边沿触发的,每个独 立的通道可以检测到四个采样值,这些采 样值与start脉冲的时间被存储到各个通道 的采样寄存器中。在start信号和第一个stop 信号之间,不能少于3ns的时间间隔,如果 小于这个值,开始的stop信号是要被忽略 的;在同一个通道的stop信号之间,规定需 Load 月 兰 C J_ b 一 3 世 』 一I ∞ 色 0 Rs∞n q TDC ■一 —— 卜 TIme-DigIta}一◆_叫= =Cin目 ∥ Converter 3 ∞ ∞] l爪 一“。 、 Z b 土j 』 _L 图2 TDC测量原理图 要有1 5毫秒的间隔,低于l 5毫秒的信号会 被忽略掉;而不同通道的stop信号就没有1 5 毫秒的时间间隔规定;但无论是否是相同 通道的两个stop信号,都不能超过716 u s。 当PS08l以大量程模式工作时,记FCl 为stop信号和接下来的第一个参考时钟信 号的正跳沿之间的时间。计时器是从第一 个正跳沿之后被触发的。记cc为触发后直 到第一个StoP信号被检测到这段时间内 TDC记录下的时钟周期数。记FC2为第一 个stop脉冲和接下来的第一个参考时钟信 号的正跳沿之间的时间。至此,一轮计数完 毕,开始下一轮计数。由时间计算式可算出 时间值,如式(1)。其后的stop信号处理方法 同理。 Time=period X(CC+(FCl一FC2)/ (Cal2-Call)) (1) CC为预先测量的时间周期;Cal2一Call 为校准时钟周期;Time为测量时间值。 2基于TDC时间测量系统原理的实现 该方案的测量系统是由采集端和接收 端所组成的。本文仅讨论采集端。采集端分 为四个模块。这四个模块又构成了测试系 统的硬件部分。它们分别是:基于TDC的惠 斯通电桥模块、测量模块、控制模块以及数 据存储模块。 2.1 TDC惠斯通电桥 科技资讯SCIENCE&TECHNOLOGY lNFORMATION 87 万方数据 !!!i型堕:型 SCIENCE&TECHNOLCOY INFORMATION }l 围 强:图画 图3 模拟测量应变温漂标定 图4 TDC测量应变温漂标定 TD’C惠斯通电桥模块中传感器的结构 非常简单,如图1所示。普通的惠斯通电桥 上应该有6个补偿电阻,而我们只采用了1 个补偿电阻。我们通过控制软件来调整 RSpan电阻的电阻值。 2.2 TDC测量模块 电容Cload首先通过芯片的load管脚充 电到电源电压,然后Cload通过RSGl至IJRSG4 分别对GND(芯片内部)进行放电。电容Cload 会人为设置一个电压值,我们称为坎值电 压,时间数字转换器会测量该电容放电到 坎值电压所花费的时间。TDC具有测量精 度高的优点,能够达到1 5ps的级别¨1。 Rdson是开关电阻,其本身的电阻值为 3欧姆到5欧姆。但其电阻值又受到电压和 温度的影响,会有正负l欧姆的误差。这个 误差会直接影响测量结果,必须进行补偿。 为了补偿,开关被分为两个三级管。对于每 个应变电阻电容器将放电3次,通过三极管 1,三极管2,最后通过1,2的并联。PS081内 部DSP从这三个数据中计算出Rdson校准 值。也就是说,图中和每个电阻串联的三极 管内部本身是两个三极管的并联[51。如图2 为TDC测量原理图。 2.3控制模块 主芯片需要同时具备高速时钟和串口 通信能力,同时还需要低功耗,从这几个角 度出发,STM32是不错的选择。 2.4存储模块 对于长时间采集的原始数据,为了方 便保存和擦除,采用了SD存储卡,并以文件 系统的方式进行保存。 2.5测试结果分析 为了达到精确测量的目的,有必要进 行增益补偿以及零点偏移调整。增益偏移 的意思就是桥臂的电压信号输出会受到温 88 科技资讯SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION 工业技术 度的影响【引。由于增益偏移的存在,势必影 响测量精度。现在的办法是采用焊接一个 40欧姆的电阻,通过软件调整这个焊接的 电阻与传感器网络阻值之间的比值,进行 增益补偿,理论上可以到零【71。在实际电路 中,偏移被降低到2 ppm/K。[81零点偏移的 调整也是采用这种方法。 接收端上位机采用了delphi编程可视 化界面,将采集到的数据结果显示到电脑 显示屏上。选取相同的温度环境,图3表示 了模拟测量应变温漂标定结果,与之相对 应的图4表示了TDC测量应变温漂标定的 结果。由这两幅图可以看出,在温度影响 上,TDC有更好的稳定性。 3结论 本文主要介绍了TDC的工作原理,如 何利用TDC实现对机体应变的测量,以及 在测试之前对于出现的增益补偿和零点偏 移问题也进行了调整,并罗列了模拟温漂 标定干I:ITDC温漂标定的区别。在具有强电 磁干扰环境、温差变化很大的飞机风洞参 数测量实验中,本数字测量系统将比传统 的模拟测量更加准确。 参考文献 [1】雷武虎,刘松秋,李鹏宇.一种高精度大 范围时间测量电路的实现[J].核电子学 与探测技术,2005,25(3):239—242. [2】Acam mess.Electronic Ltd The TDC Cookbook[Z].2002. [3】王文川I,韩焱,张丕状.基于时间一数字 转换的精密时差测量系统设计[J].现代 电子技术,2009(4):29-31. [4]徐国华,宋书锋,吕瑜.基于PIC单片机 :}IJTDC芯片的智能化磁致伸缩位移传 感器[J】.仪表技术与传感器,2004(5): 36—38. [5】邢燕.高精度时间间隔测量系统[J】.电 子测量技术,2010(5):1-3,9. [6]张立民,金学松.基于测力机体的轮轨 瞬态作用力仿真计算【J].铁道学报, 1998,20(6):28-34. [7]PockLintn,A.R Improved Data from Load—Measuring Wheels【J】.Railway Engineer,1977,2(4):37-43. 【8]Akorithm for Time—varying Fourier [J】.Transform IEEE.Trans,SP.,1993, 4l(7). 一啜一啜墨。Q坐僻 蚺l| 妣≯。。;裂≯ 万方数据
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