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航空测试技术概论

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【摘要】:
测量与测试  人类在探求和认识客观事物及其规律的过程中,要用到各种不同的测量方法以获取数量概念。虽然,所用方法随着时代的不同和技术的发展而各异,但就其技术观点而言,是有共性的。人们通常把有关探讨测量方法、研究测量理论、研制测量仪器仪表称为测量技术。早期的测量技术只是针对不同的被测对象简单地把由被测参数中检测出来的信号用模拟量形式加以指示,同时用记录器记录下来,或者把检测出来的信号经过数字化,用计数

测量与测试

  人类在探求和认识客观事物及其规律的过程中,要用到各种不同的测量方法以获取数量概念。虽然,所用方法随着时代的不同和技术的发展而各异,但就其技术观点而言,是有共性的。人们通常把有关探讨测量方法、研究测量理论、研制测量仪器仪表称为测量技术。早期的测量技术只是针对不同的被测对象简单地把由被测参数中检测出来的信号用模拟量形式加以指示,同时用记录器记录下来,或者把检测出来的信号经过数字化,用计数器进行计数,再用打字机打印结果,并根据这些结果进行数据处理。

  测试技术与测量技术在名词术语上所包括的含意差别不大,但近年来,测试技术这一术语在我国被广泛采用。从技术发展角度看,现代的测量技术与控制技术、信息技术有着密切的联系,测量领域和测量范围不断扩大,而且与试验对象和试验设备密切相关。其获取被测对象量值的过程不再是单纯的测量,而是要在实验过程中获取对象量值,并且还要对测量结果加以处理并进行反馈,同时还要求有更多的信息。这就使测量技术越来越复杂,远远超出了早期测量的概念,从而产生了测试这一概念和与之相应的测量系统到测试系统的变化。

  由“测量”到“测试”的演变,它的含意更为广泛,在这里谈到的测试,可认为是从试验件提取必要信号的行为即在试验过程或对象运动过程中,对被测参数进行测量、收集和显示数据,还要对其结果进行分析、转换、处理、反馈等,从而将被测参数的测量、数据处理与试验过程构成一个完整、统一的整体,即测试系统。当今,计算机及其应用技术的发展,给测试系统带来崭新的变化。过去是人和测试仪器组成测试系统,现在则是由计算机软件通过接口控制测试系统中的各个单元,管理测试系统,在软件和硬件的统一控制下协调工作。

 

测试相关术语

  与测试相关的技术名词和术语很多,比如“检测”、“监测”、“测量”、“控制”、“试验”、“测控”等概念,这些概念之间彼此有着密切的关系,但又有一定的差异,尤其是针对研究对象的不同,其定义也有一定的差别。

  “测量(measurement)”是以确定被测对象量值的存在或大小为目的而进行的全部操作。测量的内涵体现在被测量与一个标准进行比对,从而对被测对象进行量化描述的过程,它与测量结果的预期用途、测量程序和特定测量条件下运行测量程序的校准测量系统相关。

  “检测(detection)”是利用各种物理、化学效应,选择合适的方法与装置,将生产、科研、生活等各方面的有关信息通过检查与测量的方法得到定量结果的过程。

  “监测(monitoring)”是指利用人工或专用的仪器工具,在规定的位置,对被测对象进行间断或连续的监视与检测,通过对与设备状态相关特征参数(如振动、噪声、温度等)进行测取,将测定值与规定的正常值(门限值)进行比较,以判断设备的工作状态是否正常,从而掌握设备异常的征兆和劣化程度。

  “控制(control)”是指为确保状态稳定和在需要改变状态时能够正确改变状态所采用的技术。

  “试验(test)”是在真实或模拟的条件下,对被试对象(如材料、元件、设备和系统等)的特性、能力和适应性等进行测量和度量的研究过程。

  “测控(measurement and control)”是测量与控制的结合,它以测量为手段,以控制为目的。

  “测试(testing)”是指对给定的产品、材料、设备、生物体、物理现象、过程或服务按规定的程序确定一种或多种特性的技术操作。测试是人们通过试验认识客观世界取得试验对象的定性或定量信息的一种基本方法。测试一般是指为满足试验要求所采取的测量活动,它以试验为需求,以测量为手段。

  一般来讲,“测试” 和“测量”都是从物理或化学的被测对象或过程中,获取各种信息并进行分析和状态评估的技术。通过这些获取的信息,来表征被测对象或过程的各种参数和各种变量,或表征被测对象的某些特性。“测量”和“测试”在很多场合具有同样的含义,但又有区别。“测量”是以单纯为获取被测对象的某个参数或某些参数为目的的过程或动作,如测量机械零件的尺寸,测量某时刻的环境温度等。而“测试”则具有试验性质,通常是指通过试验来获取信息的过程或动作,如飞机结构强度试验中的应力、位移测试,飞行试验中各种参数测试等。因而可以看出,“测试”是测量与试验的综合。近些年来,随着测试技术的不断发展,其应用场合在原有航空试验过程中的测试的基础上,已经扩展到产品生产过程中和产品维修保障过程中的测试。

 

航空测试技术的内涵

  测量是以确定被测对象量值的存在或大小为目的而进行的全部操作,是随着产品试验的阶段而划分的,不同阶段的试验内容或需求则有相对应的测量设备和系统,用以完成试验数值、产品状态和特性的获取、传输、分析、处理、显示、报警等功能。试验是指在真实情况下或模拟情况下对产品的特性、参数、功能、可靠性及适应性等进行测量和度量的研究过程,是为了检验产品性能而从事的试验准备、试验方案设计、试验组织管理、试验运行操作及给出试验结论等各项活动。通过试验能够获取理论计算不可能得到的技术数据,为产品改进、改型及鉴定定型提供技术依据,对航空产品或系统的功能及性能进行评价。航空产品试验的类型主要分为气动力试验、结构试验、地面试验、高空试验与飞行试验等。

  航空测试是通过试验和测量过程,获取被测对象的光、电、磁、声、机械、理化等各类参数和感知其特性、功能等信息,对航空产品的物理、化学、工程技术等方面的参量、特性等做数值的测定工作,并进行分析和评价产品特性、系统性能和完好性的工作和活动,是取得对航空产品的定性或定量信息的一种基本方法和途径。

  航空测试技术是指在航空产品的研制、试验、生产、使用和维护的全寿命周期过程中,对产品或试件进行测试,获取各种数据并对其进行处理和评定的原理、方法及其实现技术。航空测试技术不仅是对产品质量进行检验验证,而且还是优化设计、先期可行性研究的基本条件。在武器装备信息化的背景下,为满足“网络中心战”的需求,测试技术已经远远地超出了原有的应用范畴,特别是作为获取信息的源头的现代数字化测试技术,已极大地丰富和扩展了测试技术的内涵和应用领域,如远程测试、网络化测试、智能化诊断、故障预测等技术,都突破了传统测试的范畴,不仅与现代武器装备合为一体,而且还将融入到作战体系之中,成为“网络中心战”的重要组成部分。

具体来讲,航空测试技术是研究信号检测和处理的技术。任何物质(物体)都以不同形式运动着,并以一定能量或状态表现出来,这就是信号。测试的任务是检测出表征物质运动的各种信号以及信号与物质运动之间的关系。航空测试技术作为一门技术基础学科,它包括测试原理、测试方法和测试设备。

  信息的采集、处理与分析以及与其有关的理论和方法是测试技术的基础。因为,任何一项测试任务都是先从研究被测对象及其运动规律的特征入手的,然后决定选择测量什么参数(诸如压力、温度、应变、振动、流量、转速等等),再解决如何获取这些参数信息,以及如何对其转换、传输、存储、显示和处理等问题,从而获得最后结果,完成整个测试任务。其中如何取得被测参数信息是关键,对参数信息特征的研究是决定采用什么测试方法的基础,不同的特征有不同的测试方案和测试方法。

  测试原理是指进行测试所依据的原理,如监测材料塑性变形与裂纹的出现,可以利用材料的声发射原理来实现。测试方法是根据测试原理所采用的方法,可分为直接测量与间接测试、静态测试与动态测试等。测试系统是根据测试原理和测试方法制造或选择设备而组成的系统,是测量和分析试验对象各种信号的全部软件和硬件的集合。测试系统按测试程序的指令进行数据的采集、分析和处理,按要求对数据进行显示、记录或存储。通过测试系统获得的信号是信息的载体,它携带着有关被研究对象的物理过程的信息。信号分析通常是指分析信号的类别、构成以及特征参数。信号处理是指对信号进行滤波变换、调制/解调、识别、估值等处理,以便削弱信号中多余无用分量并增强信号中有用分量,或将信号变换成某种更为希望的形式,以便比较全面、准确地获取有用信号。

航空测试系统按实现技术可分为:模拟系统、数字系统、模拟和数字混合系统;按应用范围可分为:通用系统和专用系统。但其基本组成、内容及原理是共同的,测试系统由以下5个基本功能单元组成:

① 原始敏感单元,从被测对象中吸取能量,并产生按某种规律随被测量变化而变化的输出量;

② 变量转换单元,如各种传感器,将一些量(如机械量)转变为电量;

③ 量值处理单元,如信号调理器等;

④ 数据传输单元,分为有线传输与无线传输(如无线电遥测系统);

⑤ 数据处理、存储及显示单元,如计算机数据处理,各种分析仪及其他光电记录仪等。

一般情况下,测试的任务不同对测试系统的要求也不一样,但在研制测试系统时,应考虑以下要求:

① 性能稳定,即系统的各个环节具有时间稳定性。

② 准确度符合要求。准确度主要取决于传感器、信号调理器、采集器等变换部件。

③ 有足够的动态响应。现代测试中,高频信号的使用迅速增加,要求系统必须具有足够的动态响应能力。

④ 具有实时和事后数据处理能力,能在试验过程中处理数据,便于现场实时观察分析,及时判断试验对象的状态和性能。目的是确保试验安全,加快试验进度和缩短试验周期。系统必须有事后处理能力,待试验结束后对全部数据做完整分析。

⑤ 具有开放性和兼容性,主要表面在测试设备的标准化,计算机的结构和操作系统具有良好的开放性和兼容性,可根据需求扩展系统硬件和软件,便于使用和维护。

航空测试技术的任务与作用

航空测试技术的任务

航空测试技术作为航空工业的重要基础支撑技术,概括地可包括以下5个方面的内容:

① 设计过程中的测试,即在飞机设计过程中所需要进行的相关的测试技术。

② 试验过程的测试,即在飞机研制中的整机、系统及其部件的测试技术。

③ 生产过程中的测试,即从原料进厂、加工到成品出厂的整个过程的测试,包括理化测试、零部件成品检验与质量控制、计量、成品试验及成品出厂试验中的测试等。

④ 飞行过程中的测试,即飞机在飞行过程中,为了完成机体、发动机和各种系统的工作状态检查所进行的测试活动。

⑤ 维护保障过程中的测试,即在产品使用阶段,为了确定产品的性能以及检测和隔离产品的故障所进行的测试活动。

就测试技术而言,上述几个方面都很重要。虽然各自有其自身的特点和要求,但在基本理论、方法以及所采用的测试手段方面有很多相似之处。

随着我国航空工业的发展,航空飞行器已处在自行设计与研制阶段,产品己向高速、高空、高温领域迈进。新结构、新工艺、新材料的广泛采用,对测试技术提出了新的要求。试验设备与测试系统是发展新型机种的基础与保证,而测试技术又是发挥试验设备能力、取得高试验质量和缩短研制周期的关键。所以,加强飞机以及与飞机密切相关的气动力和试飞的测试技术研究,寻求最佳的测试方法,充实与完善测试手段,越来越为业内专业人士所重视。

航空测试技术的任务可概括为:

① 基础测试技术研究,如测试技术的基本理论、测试系统的标准化、系列化、通用化,以及研究不同测试方法的评定标准等。

② 准确度高、稳定性好、可靠性强的新型传感器研制,以丰富获取数据的手段。选用何种测试方案,采用何种具体的测试方法,要考虑到获得数据的可能性、完整性、精确性。

③ 新型数据采集模块的研制,以提高基础测试能力。

④ 通用自动化测试系统(含硬件及软件)的研制,以提高测试效率。

⑤ 专用测试系统研制,如风洞试验的测试系统、飞机结构强度的测试系统、飞控系统试验数据采集系统、航空发动机试车测试系统等。

⑥ 测试性设计与验证工作,提高测试性设计水平。

⑦ 状态监测系统的研制,如航空液压系统、航空发动机、大功率电源系统及飞机结构系统的状态监测设备。

⑧ 新技术、新产品应用与推广。

 

航空测试技术的作用

  航空测试技术是保障飞机设计、研制、生产和使用维护各个阶段正常运转的重要支撑技术,它有着广泛的服务对象和技术发展领域。从飞机气动试验、强度试验、发动机试验,到各种机载设备的试验等,航空测试技术都具有非常重要的作用。就航空产品发展的全过程而言,从基础技术研究、型号研制、试飞到生产定型,都需要提供先进而可靠的试验测试手段。这种试验测试技术的先进与否,直接影响航空产品的先进性与可靠性,同时对产品的研制周期也起着关键作用。

  航空测试技术贯穿于航空产品的设计、研制、生产和使用维护的全寿命过程,其作用是获取在实验或试验中、产品生产或使用维护中的定性、定量的数据和信息,并进行分析和评定,用来验证新理论、新方法、新方案的正确性或可行性;确定或验证被测对象的性能和状态;发现或预测产品的故障,提出合理的维修动作。航空测试技术的发展直接关系到航空科学基础的发展,关系到航空产品的性能和质量,对提高航空装备完好性、降低寿命周期费用具有重要作用。

  航空测试技术应用于航空工业的各个领域,是现代航空科学技术发展的基础和手段,其主要作用体现在如下几个方面:

①航空测试是航空工业科学技术发展和产品技术水平提高的重要基础技术。

航空测试技术及其物化的测试设备在航空产品的科研、试验、生产、服务的全过程中都是不可缺少的。从对发达国家高新技术产业的研发费用和时间的统计分析来看,产品的测试费用、测试周期占其研发费用和周期的40%左右,并保持上升趋势。因为,高新技术产品与传统产品的一个重要区别在于:高新科技产品越来越先进,而错误的种类和数量也越来越多。所以,只有通过充分的测试与试验验证,才能有效提高产品的可靠性和稳定性,满足使用要求。

② 航空测试技术是航空科技体系的重要组成部分。

和设计、制造技术一样,航空测试技术也是国防科技和装备发展的共性基础技术,同时还是航空科技体系的重要组成部分。一方面,它要物化为适用的多种类型的测试设备或系统;另一方面,它与产品研制过程联系紧密,融入其他专业,例如研发中的测试性设计,生产过程中的检测活动,以及维护保障过程中的诊断测试等。

③ 航空测试技术是获取被试对象信息不可缺少的手段。

任何一种现代装备的出现,都离不开先进测试技术的支持。随着科学技术发展,各学科领域对测试技术都提出了越来越高的要求。先进工业国家都对测试技术、测试设备和系统投入巨资进行开发、研究,并取得了惊人的成就。在当代航空科技发展中,测试已成为生产率、制造能力及实用性水平的重要标志,是保障现代装备达到实际性能指标的重要手段。

航空产品在设计、研制、生产和使用维护过程中,必须通过测试设备和测试系统获取相应参数,对产品进行全面的评定,随时掌握产品的状态,才能保证研制出的产品性能高并且可靠,才能保证产品的使用最有效、最充分。因此,测试技术是具有全局性的关键技术,尤其在高新技术领域,更是具有极其重要的地位。以航空产品为例,在新机研制过程中,需要开展大量的试验工作,如飞机的气动力试验、结构强度与疲劳试验,发动机部件与整机的性能试验、强度试验、寿命试验,以及飞行试验、高空模拟试验、弹射救生试验、辅机系统试验等等。而在这些试验中,如果没有完善的测试手段,来获取全面的试验结果,那么试验的作用就不复存在了。因此,测试是保证达到试验目的,进而保证产品质量的重要手段。

  随着航空工业的发展,现代飞机的设计和研制日益依赖于先进的试验测试手段,缺乏先进的试验测试装备,将严重制约航空产品的发展。同时,由于产品性能的提高,在生产过程中,对产品的性能试验测试也提出了更高的要求。目前,我国的航空工业面临着全面技术改造的迫切需求,针对这种需求,测试技术必须有一个较快的发展,才能为航空工业提供先进的测试技术和装备。

 

航空测试技术的体系与特点

航空测试技术的体系

  航空测试技术有多种分类方法,如测试原理、测试对象、测试目的、测试参数及测试环境等多角度去归类。本书仅从技术体系角度对航空测试技术进行划分,主要包括传感器技术、数据采集和处理技术、测试性设计技术、综合测试技术等,测试性设计技术包括机内测试(BIT)技术等,综合测试技术包括自动化测试技术、地面试验测试技术、试飞测试技术和维护保障测试技术等内容。此外,地面试验测试技术又包括空气动力试验测试技术、强度试验测试技术、发动机试验测试技术、航电系统试验测试技术、机电系统试验测试技术及武器系统试验测试技术等内容。航空测试技术体系如图1所示。

 

 

图1 航空测试技术体系

 

航空测试技术的特点

  航空测试技术以通用测试技术为基础,但由于飞机及其机载设备均属高新技术产品,它们的工作和使用环境恶劣,因此航空测试技术有其自身的特殊性。而航空测试设备就是针对上述要求的多样化,为适应复杂使用环境和满足对体积、重量、功耗等的严苛要求(特别是机内)而设计制造的。随着航空技术的发展,产品性能和可靠性的提高,对航空测试技术提出了更高的要求,突出表现在:

① 测试设备应具有更高的准确度、速度、分辨率、带宽、稳定性和实时性。

② 鉴于外场用测试设备工作环境条件恶劣,因此测试设备应具有抗各种恶劣气候和环境条件的能力,还要便于携带和运输,容易组装和拆卸、便于作战部署等。

③ 满足飞机等武器装备飞行过程中对动态测试的要求。

④ 满足航空发动机、武器系统在高空、高压、高温、高转速条件下对特种测试的要求。以航空发动机为例,其疲劳试验有轴疲劳试验和叶片疲劳试验等,而叶片疲劳试验又包含叶片冷热疲劳、高温疲劳、高周疲劳、低周循环疲劳等试验。要在复杂飞行条件下满足航空发动机的设计要求,就必须进行大量的特殊条件下的试验项目,获取重要的测试数据。

⑤ 满足机载、弹载测试设备体积小、重量轻、测量参数类型多、被测点数多、存储容量大、远距无线传输、空地测试一体化等特殊要求。

⑥ 飞机、发动机的结构件价格往往非常昂贵,在检测其内部缺陷或损伤时,要求进行无损检测。

一般说来,航空测试的基本特点是多参数(气动、热力、几何、电磁等)、多模态(动态与稳态、瞬态与常态、周期性与随机性等)、采样速率高、数据量大、范围宽和高精度、高复杂性等,以下部分将对其进行具体介绍。

 

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