楊冬英，趙慶嵐，劉 健

（1.山西大學(xué)商務(wù)學(xué)院，太原 030031；2.北京軍代局駐207所軍代室，太原 030006；3.北方自動(dòng)控制技術(shù)研究所，太原 030006）

0 引言

火炮的核心部件是火炮身管，身管狀態(tài)的好壞，直接影響到火炮發(fā)射精度?；鹋谏砉軆?nèi)徑測(cè)量，是確?；鹋谏砉艿募庸べ|(zhì)量和火炮使用后剩余生命的一個(gè)重要依據(jù)[1]；對(duì)于具有特殊用途的鋼管類產(chǎn)品，根據(jù)其應(yīng)用需求，管道內(nèi)壁會(huì)有特殊的軌跡或截面，若其發(fā)生變化會(huì)嚴(yán)重影響管道的工作狀態(tài)和壽命，而管道由于長(zhǎng)時(shí)間使用，內(nèi)壁會(huì)出現(xiàn)不同程度的腐蝕或磨損，導(dǎo)致管道內(nèi)徑發(fā)生變化，若不及時(shí)采取措施會(huì)影響管道的使用壽命和工作效率，嚴(yán)重時(shí)甚至造成管道破裂釀成重大事故。閻文、姚建國(guó)、李榮祥[2]提出了一種使用光杠桿測(cè)量原理，采用光電位置敏感器（PSD）和具有放大功能的信號(hào)處理電路組成身管內(nèi)徑測(cè)量系統(tǒng)，但該系統(tǒng)中光敏元件靈敏性可靠性不高。張青峰、唐力偉、鄭海起等[3]提出了一種利用線陣CCD技術(shù)測(cè)量火炮身管內(nèi)徑的測(cè)量系統(tǒng)，但該系統(tǒng)的調(diào)理電路過于復(fù)雜。針對(duì)小口徑身管內(nèi)徑測(cè)量過程，傳感器較難進(jìn)入并測(cè)量?jī)?nèi)徑較小的身管，并且測(cè)量后數(shù)據(jù)處理復(fù)雜，測(cè)量結(jié)果難以保存等問題，本文提出了一種基于虛擬儀器技術(shù)的小口徑身管內(nèi)徑測(cè)量系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)小口徑身管內(nèi)徑的高精度測(cè)量。該系統(tǒng)的檢測(cè)裝置能在較為狹窄的工作空間內(nèi)按照固定軌跡運(yùn)動(dòng)，檢測(cè)管道內(nèi)徑值，并且能夠測(cè)量管道內(nèi)壁具有特殊截面的管徑[4-10]，同時(shí)具有數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、顯示結(jié)果、打印等功能。

1 系統(tǒng)主要硬件組成

測(cè)量系統(tǒng)由位移傳感器測(cè)徑頭、定位機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)（齒輪齒條，電機(jī)和推桿）、激光位移傳感器LDM42、工業(yè)PC機(jī)系統(tǒng)、RS485-USB轉(zhuǎn)換器、控制柜、打印機(jī)等組成。

對(duì)于固定或移動(dòng)的物體進(jìn)行距離測(cè)量一般采用LDM42型激光測(cè)距儀傳感器。測(cè)量范圍大致為0.1 m～30 m，最大可以達(dá)到100 m；測(cè)量精度為1 mm；輸入電壓范圍寬10～30VDC，功耗小于1.5 W；內(nèi)部具有溫度補(bǔ)償功能，能在較寬的溫度范圍內(nèi)使用；測(cè)距的頻率與觸發(fā)有多種方式可以靈活選擇。主要應(yīng)用傳感器發(fā)射不同頻率的可見激光束，然后接收從被測(cè)物返回的散射激光，將接收到的激光信息與參考信號(hào)進(jìn)行比較，利用微處理器就可以計(jì)算出相應(yīng)相位偏移所對(duì)應(yīng)的物體間距離，精度可以達(dá)到毫米級(jí)。若調(diào)制光角頻率為w，在待測(cè)量距離D上往返一次產(chǎn)生的相位延遲為φ，則對(duì)應(yīng)時(shí)間t可表示為：

距離D可表示為：

將式（1）代入式（2）中，則距離D可表示為：

經(jīng)化簡(jiǎn)，距離D可表示為：

測(cè)量原理：在身管外部，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)從而帶動(dòng)齒條連桿推動(dòng)測(cè)徑頭行進(jìn)，在身管徑向方向，安裝在測(cè)徑頭前端的位移傳感器緊貼身管內(nèi)壁測(cè)量身管內(nèi)徑，實(shí)現(xiàn)內(nèi)徑的實(shí)時(shí)測(cè)量；軸向測(cè)距方面，利用激光位移傳感器（LDM42）水平測(cè)距，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確感知測(cè)徑頭的位置，結(jié)合測(cè)徑頭的內(nèi)徑值得到小口徑身管每一截面的內(nèi)徑值。徑向位移傳感器將測(cè)量信號(hào)通過RS485-USB轉(zhuǎn)換器接口與PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，PC機(jī)利用上位機(jī)軟件讀取傳感器的徑向位移量，經(jīng)過軟件的協(xié)議轉(zhuǎn)換和信號(hào)處理，實(shí)現(xiàn)最終的結(jié)果顯示和結(jié)果打印功能，系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

小孔徑身管測(cè)量系統(tǒng)中主要硬件包括激光測(cè)距儀、測(cè)徑裝置、定位裝置、運(yùn)動(dòng)組件、機(jī)械連桿等。測(cè)量裝置的主體是運(yùn)動(dòng)組件，也是其他部件的安裝載體。運(yùn)動(dòng)組件上安裝測(cè)徑傳感器和定位裝置，是測(cè)量時(shí)進(jìn)入管道內(nèi)部并進(jìn)行測(cè)量的運(yùn)動(dòng)部件。定位裝置固定測(cè)量單元中運(yùn)動(dòng)組件，使測(cè)徑傳感器在測(cè)量時(shí)能夠沿著固定軌跡在管道內(nèi)運(yùn)動(dòng)不隨意偏離。測(cè)徑傳感器用來(lái)測(cè)量管道內(nèi)徑值，輸出的是徑向信號(hào)；激光測(cè)距儀主要用來(lái)測(cè)量距離，其輸出信號(hào)是軸向的，表示測(cè)徑傳感器此時(shí)在管道中的位置。通過串口、計(jì)算機(jī)與兩種傳感器進(jìn)行通信，計(jì)算機(jī)以指令方式控制傳感器的工作狀態(tài)，其中激光位移傳感器和測(cè)徑裝置實(shí)物圖如圖2所示。其中，1為定位裝置、2為運(yùn)動(dòng)組件、3為測(cè)徑頭、4為機(jī)械連桿。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

小口徑身管測(cè)量系統(tǒng)的上位機(jī)軟件在Lab-VIEW7.1平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)，LabVIEW具有非常強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集和處理分析功能，良好的接口性能，與其他仿真工具軟件具有良好的兼容功能，給系統(tǒng)的開發(fā)帶來(lái)很大的方便快捷。

該測(cè)量系統(tǒng)的功能模塊主要包括標(biāo)定模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、測(cè)試模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和結(jié)果輸出模塊。

1）標(biāo)定模塊。標(biāo)定流程圖和程序前面板如圖3所示。

2）參數(shù)模塊。模塊包括了測(cè)量系統(tǒng)初始化的設(shè)置：電機(jī)的前進(jìn)和后退速度、激光測(cè)距儀的頻率、測(cè)量時(shí)間間隔、測(cè)徑頭行走的距離、測(cè)量模式（單次測(cè)量和連續(xù)測(cè)量）等。本模塊用于小口徑身管內(nèi)徑測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量前和測(cè)量中所有需要的參數(shù)設(shè)置，以滿足用戶不同的使用需求。

3）測(cè)量模塊。測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量模塊流程圖如圖4所示。驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)齒輪齒條傳動(dòng)，從而推動(dòng)連桿行走，進(jìn)而帶動(dòng)測(cè)徑頭行走。根據(jù)激光位移傳感器的實(shí)時(shí)測(cè)量來(lái)判斷測(cè)徑頭到達(dá)指定位置后，測(cè)量截面內(nèi)徑值，直至所有數(shù)據(jù)全部測(cè)量結(jié)束。

4）數(shù)據(jù)處理模塊。模塊包括數(shù)據(jù)的濾波和誤差補(bǔ)償算法。其中誤差補(bǔ)償算法的具體內(nèi)容包括數(shù)據(jù)粗大誤差的剔除和數(shù)據(jù)的平均值計(jì)算，剔除粗大誤差值后的數(shù)據(jù)平均值作為系統(tǒng)最后的輸出測(cè)量值。

5）結(jié)果輸出模塊。模塊包括數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示圖表和測(cè)試結(jié)束后數(shù)據(jù)報(bào)表的生成和打印。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)誤差分析

為驗(yàn)證該測(cè)試系統(tǒng)性能，以某段小孔徑身管為測(cè)試對(duì)象進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)。通過激光測(cè)距儀測(cè)量測(cè)徑頭在身管內(nèi)的實(shí)時(shí)位置，以25 mm、75 mm、125 mm、175 mm為采樣點(diǎn)，徑向位移傳感器實(shí)時(shí)記錄身管內(nèi)徑測(cè)量數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

選擇75 mm處測(cè)量數(shù)據(jù)為分析對(duì)象進(jìn)行數(shù)據(jù)可靠性分析。由于被測(cè)管道是使用過的，并不知道其內(nèi)徑真實(shí)值，所以通常選擇多次測(cè)量的平均值作為內(nèi)徑真值的估計(jì)值。然后依據(jù)貝塞爾公式，如式（5）計(jì)算出各點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)偏差，見下頁(yè)表2所示。

式中：σj為各測(cè)試點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)偏差；j為標(biāo)定點(diǎn)序號(hào)，j=1，2，3，…，m；i為循環(huán)次數(shù)，i=1，2，3，…，n；yji為各標(biāo)定點(diǎn)輸出值。

得到各點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)偏差后，將其代入式（6），可以很方便地計(jì)算出整個(gè)測(cè)試過程的標(biāo)準(zhǔn)偏差σ。

再根據(jù)式（7）得到同一激勵(lì)量對(duì)應(yīng)多次循環(huán)的同向行程相應(yīng)量的絕對(duì)誤差ΔR。

表2 75 mm處測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果（單位：mm）

式中：σ為標(biāo)準(zhǔn)偏差。K為置信因子。取K=3時(shí)，置信度為99.73%。

最后，根據(jù)式（8）得到重復(fù)性為δR。計(jì)算結(jié)果如表2中最后一項(xiàng)所示。

式中：YFS為滿量程輸出。本文中YFS=1 mm。

由表2可知，測(cè)試能夠滿足一般工程精度要求。

測(cè)試過程中的誤差主要存在系統(tǒng)誤差、人為誤差和環(huán)境誤差。具體如下：

1）系統(tǒng)誤差：在本測(cè)試系統(tǒng)中，誤差主要有影響系統(tǒng)準(zhǔn)確性的誤差和影響系統(tǒng)精密性的誤差。影響系統(tǒng)準(zhǔn)確性的誤差主要體現(xiàn)在標(biāo)定誤差。系統(tǒng)誤差的另一重要來(lái)源是測(cè)頭的制造精度誤差。

2）人為誤差：測(cè)量過程中人為造成炮管的晃動(dòng)或者轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)力度過大都會(huì)產(chǎn)生一定的誤差。

3）環(huán)境誤差：在測(cè)量過程中，環(huán)境對(duì)測(cè)量結(jié)果也有較大的影響，環(huán)境中的溫度、振動(dòng)、灰塵等都會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果造成影響。

另外，測(cè)量過程中齒輪齒條的空回誤差，身管里殘留的黃油和鐵屑等因素依然會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果造成一定的誤差影響，因此，必須在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后檢查測(cè)量?jī)x器情況，以保證以后的正常使用。

4 結(jié)論

針對(duì)目前現(xiàn)有小口徑測(cè)量?jī)x存在的量程小、人工操作繁瑣、勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、維護(hù)保養(yǎng)難等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)開發(fā)了小口徑身管內(nèi)徑測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了小口徑身管內(nèi)徑的自動(dòng)精確檢測(cè)和圖形化顯示功能，具有數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、顯示結(jié)果、打印等功能，同時(shí)該系統(tǒng)能夠測(cè)量管道內(nèi)壁特殊截面的管徑。通過對(duì)該測(cè)量系統(tǒng)的檢測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理，數(shù)據(jù)精度滿足工程要求，達(dá)到了預(yù)期效果，該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)為小口徑身管內(nèi)徑的測(cè)量提供了一種切實(shí)可行和精度較高的技術(shù)手段，具有較高的軍事經(jīng)濟(jì)效益和良好的推廣應(yīng)用價(jià)值。