楊冬英，趙慶嵐，劉 健

（1.山西大學商務學院，太原 030031；2.北京軍代局駐207所軍代室，太原 030006；3.北方自動控制技術研究所，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。火炮身管內徑測量，是確?；鹋谏砉艿募庸べ|量和火炮使用后剩余生命的一個重要依據[1]；對于具有特殊用途的鋼管類產品，根據其應用需求，管道內壁會有特殊的軌跡或截面，若其發(fā)生變化會嚴重影響管道的工作狀態(tài)和壽命，而管道由于長時間使用，內壁會出現不同程度的腐蝕或磨損，導致管道內徑發(fā)生變化，若不及時采取措施會影響管道的使用壽命和工作效率，嚴重時甚至造成管道破裂釀成重大事故。閻文、姚建國、李榮祥[2]提出了一種使用光杠桿測量原理，采用光電位置敏感器（PSD）和具有放大功能的信號處理電路組成身管內徑測量系統(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技術測量火炮身管內徑的測量系統(tǒng)，但該系統(tǒng)的調理電路過于復雜。針對小口徑身管內徑測量過程，傳感器較難進入并測量內徑較小的身管，并且測量后數據處理復雜，測量結果難以保存等問題，本文提出了一種基于虛擬儀器技術的小口徑身管內徑測量系統(tǒng)，可以實現對小口徑身管內徑的高精度測量。該系統(tǒng)的檢測裝置能在較為狹窄的工作空間內按照固定軌跡運動，檢測管道內徑值，并且能夠測量管道內壁具有特殊截面的管徑[4-10]，同時具有數據的自動采集、顯示結果、打印等功能。

1 系統(tǒng)主要硬件組成

測量系統(tǒng)由位移傳感器測徑頭、定位機構、行走機構（齒輪齒條，電機和推桿）、激光位移傳感器LDM42、工業(yè)PC機系統(tǒng)、RS485-USB轉換器、控制柜、打印機等組成。

對于固定或移動的物體進行距離測量一般采用LDM42型激光測距儀傳感器。測量范圍大致為0.1 m～30 m，最大可以達到100 m；測量精度為1 mm；輸入電壓范圍寬10～30VDC，功耗小于1.5 W；內部具有溫度補償功能，能在較寬的溫度范圍內使用；測距的頻率與觸發(fā)有多種方式可以靈活選擇。主要應用傳感器發(fā)射不同頻率的可見激光束，然后接收從被測物返回的散射激光，將接收到的激光信息與參考信號進行比較，利用微處理器就可以計算出相應相位偏移所對應的物體間距離，精度可以達到毫米級。若調制光角頻率為w，在待測量距離D上往返一次產生的相位延遲為φ，則對應時間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：

經化簡，距離D可表示為：

測量原理：在身管外部，步進電機驅動齒輪轉動從而帶動齒條連桿推動測徑頭行進，在身管徑向方向，安裝在測徑頭前端的位移傳感器緊貼身管內壁測量身管內徑，實現內徑的實時測量；軸向測距方面，利用激光位移傳感器（LDM42）水平測距，實時準確感知測徑頭的位置，結合測徑頭的內徑值得到小口徑身管每一截面的內徑值。徑向位移傳感器將測量信號通過RS485-USB轉換器接口與PC機進行數據通訊，PC機利用上位機軟件讀取傳感器的徑向位移量，經過軟件的協(xié)議轉換和信號處理，實現最終的結果顯示和結果打印功能，系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

小孔徑身管測量系統(tǒng)中主要硬件包括激光測距儀、測徑裝置、定位裝置、運動組件、機械連桿等。測量裝置的主體是運動組件，也是其他部件的安裝載體。運動組件上安裝測徑傳感器和定位裝置，是測量時進入管道內部并進行測量的運動部件。定位裝置固定測量單元中運動組件，使測徑傳感器在測量時能夠沿著固定軌跡在管道內運動不隨意偏離。測徑傳感器用來測量管道內徑值，輸出的是徑向信號；激光測距儀主要用來測量距離，其輸出信號是軸向的，表示測徑傳感器此時在管道中的位置。通過串口、計算機與兩種傳感器進行通信，計算機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徑裝置實物圖如圖2所示。其中，1為定位裝置、2為運動組件、3為測徑頭、4為機械連桿。

2 系統(tǒng)軟件設計

小口徑身管測量系統(tǒng)的上位機軟件在Lab-VIEW7.1平臺上實現，LabVIEW具有非常強大的數據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)帶來很大的方便快捷。

該測量系統(tǒng)的功能模塊主要包括標定模塊、參數設置模塊、測試模塊、數據處理模塊和結果輸出模塊。

1）標定模塊。標定流程圖和程序前面板如圖3所示。

2）參數模塊。模塊包括了測量系統(tǒng)初始化的設置：電機的前進和后退速度、激光測距儀的頻率、測量時間間隔、測徑頭行走的距離、測量模式（單次測量和連續(xù)測量）等。本模塊用于小口徑身管內徑測量系統(tǒng)測量前和測量中所有需要的參數設置，以滿足用戶不同的使用需求。

3）測量模塊。測量系統(tǒng)的測量模塊流程圖如圖4所示。驅動電機轉動，帶動齒輪齒條傳動，從而推動連桿行走，進而帶動測徑頭行走。根據激光位移傳感器的實時測量來判斷測徑頭到達指定位置后，測量截面內徑值，直至所有數據全部測量結束。

4）數據處理模塊。模塊包括數據的濾波和誤差補償算法。其中誤差補償算法的具體內容包括數據粗大誤差的剔除和數據的平均值計算，剔除粗大誤差值后的數據平均值作為系統(tǒng)最后的輸出測量值。

5）結果輸出模塊。模塊包括數據的實時顯示圖表和測試結束后數據報表的生成和打印。

3 實驗結果和數據誤差分析

為驗證該測試系統(tǒng)性能，以某段小孔徑身管為測試對象進行測試實驗。通過激光測距儀測量測徑頭在身管內的實時位置，以25 mm、75 mm、125 mm、175 mm為采樣點，徑向位移傳感器實時記錄身管內徑測量數據。實驗結果如表1所示。

表1 實驗結果

選擇75 mm處測量數據為分析對象進行數據可靠性分析。由于被測管道是使用過的，并不知道其內徑真實值，所以通常選擇多次測量的平均值作為內徑真值的估計值。然后依據貝塞爾公式，如式（5）計算出各點的標準偏差，見下頁表2所示。

式中：σj為各測試點的標準偏差；j為標定點序號，j=1，2，3，…，m；i為循環(huán)次數，i=1，2，3，…，n；yji為各標定點輸出值。

得到各點標準偏差后，將其代入式（6），可以很方便地計算出整個測試過程的標準偏差σ。

再根據式（7）得到同一激勵量對應多次循環(huán)的同向行程相應量的絕對誤差ΔR。

表2 75 mm處測量數據計算結果（單位：mm）

式中：σ為標準偏差。K為置信因子。取K=3時，置信度為99.73%。

最后，根據式（8）得到重復性為δR。計算結果如表2中最后一項所示。

式中：YFS為滿量程輸出。本文中YFS=1 mm。

由表2可知，測試能夠滿足一般工程精度要求。

測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：在本測試系統(tǒng)中，誤差主要有影響系統(tǒng)準確性的誤差和影響系統(tǒng)精密性的誤差。影響系統(tǒng)準確性的誤差主要體現在標定誤差。系統(tǒng)誤差的另一重要來源是測頭的制造精度誤差。

2）人為誤差：測量過程中人為造成炮管的晃動或者轉動時力度過大都會產生一定的誤差。

3）環(huán)境誤差：在測量過程中，環(huán)境對測量結果也有較大的影響，環(huán)境中的溫度、振動、灰塵等都會對測量結果造成影響。

另外，測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對測量結果造成一定的誤差影響，因此，必須在實驗結束后檢查測量儀器情況，以保證以后的正常使用。

4 結論

針對目前現有小口徑測量儀存在的量程小、人工操作繁瑣、勞動強度大、效率低、維護保養(yǎng)難等缺點，設計開發(fā)了小口徑身管內徑測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)實現了小口徑身管內徑的自動精確檢測和圖形化顯示功能，具有數據的自動采集、顯示結果、打印等功能，同時該系統(tǒng)能夠測量管道內壁特殊截面的管徑。通過對該測量系統(tǒng)的檢測數據實時處理，數據精度滿足工程要求，達到了預期效果，該系統(tǒng)的實現為小口徑身管內徑的測量提供了一種切實可行和精度較高的技術手段，具有較高的軍事經濟效益和良好的推廣應用價值。