基于SPRT技術(shù)的溫度／壓力表綜合試驗(yàn)器的設(shè)計(jì)
本文研制一種能快速檢查不同飛機(jī)、各種型號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度表和壓力表等100多個(gè)信號(hào)的溫度/壓 力表綜合試驗(yàn)器。該試驗(yàn)器采用PC104總線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)設(shè)備的綜合化、數(shù)字化，它能取代幾十個(gè)老式、相 對(duì)獨(dú)立的檢測(cè)設(shè)備，與老式試驗(yàn)器相比維護(hù)效率提高了 8倍以上。采用改進(jìn)的Wald的序慣概率比法(SPRT)對(duì) 溫度表傳感器的軟故障進(jìn)行檢測(cè)，解決了飛機(jī)溫度表傳感器軟故障無法檢測(cè)的難題，使檢測(cè)傳感器的誤警率從 原來的5%下降到1%。
0.引 言
在國內(nèi)外先進(jìn)的飛機(jī)上都配有溫度表、壓力表 和三用表。它們具有測(cè)量精度高、抗干擾能力強(qiáng)的 特點(diǎn)，準(zhǔn)確地測(cè)量飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的壓力和溫度，對(duì)于 正確操縱飛機(jī)、保證飛行安全有著重要意義。溫度 表、壓力表和三用表一旦出現(xiàn)故障，輕則會(huì)影響飛 行訓(xùn)練任務(wù)的完成，重則會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的飛行事故。 為保障飛行安全，在維護(hù)工作中必須快速準(zhǔn)確地對(duì) 發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度表、渦輪發(fā)電裝置排氣溫度表、發(fā) 動(dòng)機(jī)三用表、燃油壓力表、剎車壓力表指示器、壓力表傳感器及全套進(jìn)行檢查。目前國內(nèi)外飛機(jī)溫度/ 壓力表檢測(cè)設(shè)備多采用模擬式，模擬式壓力(溫度） 表試驗(yàn)器的缺點(diǎn)是操作復(fù)雜、顯示不直觀、不具備 自檢能力及維護(hù)效率低下。
隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)及信號(hào)處 理技術(shù)的發(fā)展，各發(fā)達(dá)國家為更新維護(hù)手段，在飛 機(jī)機(jī)載設(shè)備和維修保障設(shè)備中競(jìng)相采用這些新技 術(shù)，以提高飛機(jī)的安全性、可靠性及快速反應(yīng)能力。 我們研制的溫度/壓力表綜合試驗(yàn)器基于計(jì)算機(jī)控 制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)的數(shù)字化，與模擬式試驗(yàn)器相 比，維護(hù)效率提高了 8倍以上。采用SPRT技術(shù)對(duì)溫度表傳感器的軟故障進(jìn)行檢測(cè)，該檢測(cè)方法解 決了飛機(jī)溫度表傳感器軟故障無法檢測(cè)的難題。
本文基于計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和SPRT技術(shù)， 對(duì)飛機(jī)溫度/壓力表綜合試驗(yàn)器進(jìn)行了研究，主要 介紹了其功能、軟硬件設(shè)計(jì)及應(yīng)用情況。該試驗(yàn)器 能實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)溫度表、壓力表和三用表的性能參數(shù) 檢測(cè)及校驗(yàn)，提高檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，縮短維護(hù)時(shí) 間，對(duì)記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)溫度、壓力和三 用表的各種故障及故障隱患，防患于未然。
1.硬件設(shè)計(jì)
該試驗(yàn)器用于內(nèi)、外場(chǎng)場(chǎng)檢查和校驗(yàn)不同飛 機(jī)、不同型號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度表、渦輪發(fā)電裝置 排氣溫度表、發(fā)動(dòng)機(jī)三用表、燃油壓力表、剎車壓力 表指示器、莊力表傳感器及全套的性能參數(shù)，及時(shí) 發(fā)現(xiàn)儀表的故障。試驗(yàn)器的硬件原理框圖如圖1 所示。
1.1組成和基本原理
溫度表/壓力表綜合試驗(yàn)器由PC104總線計(jì)算 機(jī)、PC104數(shù)據(jù)采集卡、繼電器控制卡、適配板、電 源、標(biāo)準(zhǔn)壓力源和被測(cè)設(shè)備及接口等部件組成。
當(dāng)測(cè)量壓力傳感器時(shí)，首先通過標(biāo)準(zhǔn)壓力源向 被測(cè)壓力傳感器輸出標(biāo)準(zhǔn)壓力信號(hào)，被測(cè)壓力傳感 器輸出相應(yīng)的直流壓力信號(hào)，采集卡將直流電壓信 號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，再將數(shù)字信號(hào)輸給PC104總線 計(jì)算機(jī)，以檢測(cè)壓力傳感器的工作情況，檢測(cè)結(jié)果 由液晶顯示器加以顯示。
當(dāng)檢查指示器時(shí)，程序可根據(jù)檢測(cè)的需要，通 過繼電器控制卡控制適配器轉(zhuǎn)換電路上相應(yīng)的繼 電器通或斷，實(shí)現(xiàn)溫度/壓力表指示器同計(jì)算機(jī)之 間的連接;與此同時(shí)，繼電器控制卡控傳感器信號(hào) 產(chǎn)生電路，使其產(chǎn)生兩個(gè)高精度電阻，以模擬壓力 傳感器，其產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的傳感器信號(hào)加到指示器上， 來完成對(duì)溫度/壓力指示器的效驗(yàn)，如果指示器指 示值在其誤差范圍內(nèi)，則說明指示器工作正常，否 則故障。PC104采集卡還用于測(cè)量電壓/電流傳感 器輸出的代表被測(cè)儀表所需的電壓、電流大小，以 檢測(cè)供電電壓和儀表所消耗的電流是否符合要求。 電源包括3個(gè)直流電壓模塊，為設(shè)備提供所需電 源。
1.2各部件組成及功用
PC104總線計(jì)算機(jī)包括CPU板、電子硬盤、液 晶顯示器、鍵盤、鼠標(biāo)等部件。它是整個(gè)試驗(yàn)器的 核心，控制所有信號(hào)的采集、校正、解算、輸出、顯示 等，并對(duì)輸入、輸出信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。
PC104采集卡用于測(cè)量飛機(jī)壓力傳感器輸出 的電壓信號(hào)，以檢測(cè)壓力傳感器的工作情況。還用 于測(cè)量電壓電流傳感器輸出的代表被測(cè)儀表所需 的電壓、電流大小，以檢測(cè)供電電壓和儀表所消耗 的電流是否符合要求。為了滿足測(cè)量精度，PC104 采集卡采用16位A/D變換器。繼電器控制卡用 于控制適配板轉(zhuǎn)換電路上的所有繼電器的切換，以 實(shí)現(xiàn)不同的測(cè)試功能。
適配板用于實(shí)現(xiàn)壓力表指示器同計(jì)算機(jī)、傳感 器同計(jì)算機(jī)以及指示器同傳感器之間的連接;用于產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的傳感器信號(hào);用于產(chǎn)生指示器轉(zhuǎn)動(dòng)均勻 性檢查信號(hào)。主要包括功能轉(zhuǎn)換電路，傳感器信號(hào) 產(chǎn)生電路，均勻性檢查信號(hào)產(chǎn)生電路。功能轉(zhuǎn)換電 路由一些繼電器組成。這些繼電器由繼電器控制 卡控制。程序根據(jù)不同的測(cè)試需要，通過繼電器控 制卡接通或斷開相應(yīng)的繼電器，以實(shí)現(xiàn)指示器同計(jì) 算機(jī)、傳感器同計(jì)算機(jī)以及指示器同傳感器之間的 連接，從而完成不同的測(cè)試功能。與指示器、傳感 器和計(jì)算機(jī)之間的連接關(guān)系如圖2所示。
傳感器信號(hào)產(chǎn)生電路由繼電器和精密電阻構(gòu)成， 用于模擬傳感器信號(hào)。該板由22個(gè)繼電器和22個(gè)精 密電阻組成一^分辨率為0.1 0的模擬傳感器電路， 使得檢測(cè)精度達(dá)到更高。程序可根據(jù)檢測(cè)的需要，通 過繼電器控制卡控制相應(yīng)的繼電器通或斷，產(chǎn)生兩個(gè) 高精度電阻，以模擬溫度/壓力傳感器，來完成對(duì)?/ 壓力指示器的效驗(yàn)。傳藤信號(hào)產(chǎn)生電路與指示器和 計(jì)算機(jī)之間的連接關(guān)系如圖3所示。
均勻性檢查信號(hào)產(chǎn)生電路是由電阻和電子開關(guān) 構(gòu)成的一個(gè)功率較大的程控可變電阻。程序可以比較 連續(xù)的改變可變電阻的阻值，來改變指示器的指示，以 檢查指示器指示的均勻性。均勻性檢查信號(hào)產(chǎn)生電路 與指示器和計(jì)算機(jī)之間的連接關(guān)系如圖4所示。
系統(tǒng)軟件包括測(cè)控軟件及程序軟件，試驗(yàn)器的 全部工作由軟件來控制，所有軟件以WINDOWS XP作為軟件平臺(tái)，采用VB、VC編程語言編寫。
電源包括3個(gè)直流電壓模塊。直流電壓+ 5V 模塊供PC104計(jì)算機(jī)使用。直流電壓+12 V模塊 1供功能轉(zhuǎn)換電路、傳感器信號(hào)產(chǎn)生電路和均勻性 檢查信號(hào)產(chǎn)生電路使用。直流電壓十12 V模塊2 供PC104計(jì)算機(jī)的液晶顯示器使用。以上所有模 塊的電源輸入為27 V直流電源。標(biāo)準(zhǔn)壓力源用于 提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的壓力信號(hào)，供壓力表全套測(cè)量時(shí)使 用。該標(biāo)準(zhǔn)壓力源的壓力產(chǎn)生范圍為0?60 MPa, 測(cè)量精度可達(dá)到0. 05%FS，并可以RS232串行通 信的形式與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信。
2.軟件設(shè)計(jì)
主程序采用VC編寫，用于完成系統(tǒng)初始化，試驗(yàn) 器自檢，根據(jù)測(cè)試需求調(diào)用檢測(cè)、核準(zhǔn)子程序等功能。
界面程序采用VB編寫，主要用來控制顯示器根 據(jù)實(shí)際測(cè)試內(nèi)容和測(cè)試結(jié)果顯示人機(jī)對(duì)話畫面;它可 以顯示被測(cè)設(shè)備、操作科目、輸入給定和檢測(cè)結(jié)果等。 每項(xiàng)檢查結(jié)束后，按操作齡進(jìn)行下一步檢查。
綜合試驗(yàn)器的軟件用于實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互界面建 立，對(duì)各個(gè)板卡進(jìn)行讀寫操作和檢測(cè)數(shù)據(jù)的處理。 具體的程序框圖如圖5所示。
結(jié)果顯示在屏幕上。 若有不清楚的地方，可進(jìn)人幫助菜單，求助幫助。
3.溫度傳感器信號(hào)的SPRT檢測(cè)
由于在溫度傳感器數(shù)據(jù)測(cè)量過程中不可避 免地帶有測(cè)量噪聲，因而溫度傳感器的FDI(故障 檢測(cè)和故障隔離)檢驗(yàn)存在錯(cuò)誤概率，如誤警率、漏 檢率和誤隔離率等。例如，如果溫度傳感器由于噪 聲影響誤警率過大，將使得溫度傳感器將完好無 故障的部件從系統(tǒng)中隔離出去，降低溫度傳感器的 可靠性，甚至?xí)饳z測(cè)溫度傳感器的失效。為了 降低溫度傳感器的誤警率、漏檢率和誤隔離率及檢 測(cè)溫度傳感器的軟故障而采用SPRT檢驗(yàn)法。其 基本原理是根據(jù)觀測(cè)所得的似然比rm求出對(duì)數(shù)似 然比函數(shù)Am。由故障檢測(cè)的誤警率《和漏檢率 計(jì)算故障檢測(cè)門限為：TD1。如果心<TD1，認(rèn)為系 統(tǒng)部件沒有故障發(fā)生;如果Am> Tdi，認(rèn)為有部件 發(fā)生故障。
根據(jù)MATLAB編程仿真&和;L曲線，如圖 6和圖7所示。
根據(jù)曲線分析，當(dāng)Am = 13. 96時(shí)，A?>：rD1，說 明此時(shí)雖然部件故障幅值為1 mV，沒有超過規(guī)定 誤差值1. 5 mV，但在噪聲影響下，系統(tǒng)已經(jīng)故障。 如每0.1 s采樣一次，在3. 6 s時(shí)溫度表傳感器出 現(xiàn)軟故障。
4.結(jié) 論
綜合試驗(yàn)器在數(shù)字化過程中，采用改進(jìn)的序貫 概率比法(SPRT)能夠判別溫度表傳感器在沒有超 過給定的誤差范圍內(nèi)是否故障，即檢測(cè)溫度表傳感 器的軟故障。采用人機(jī)交互界面，取代了現(xiàn)有檢測(cè) 設(shè)備的按鈕、開關(guān)等系統(tǒng)部件，簡化了操作程序，以 便于內(nèi)、外場(chǎng)均能方便使用。同時(shí)在軟件設(shè)計(jì)中采 用防差錯(cuò)設(shè)計(jì)，有效地解決了老式檢測(cè)設(shè)備由于使 用人員人為差錯(cuò)而損壞檢測(cè)設(shè)備的問題。采用本 文所述方案研制的數(shù)字化溫度/壓力表綜合試驗(yàn)器 已經(jīng)應(yīng)用2年，與模擬式試驗(yàn)器相比，維護(hù)效率提 高了 8倍以上，完全滿足儀表檢測(cè)精度要求。
