張 寧，鄭 瑤，張佳斌，張順利，趙俊東

（中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所，陜西?西安?710065）

飛行器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)中，試驗(yàn)件不同部位的位移形變是直接反映試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的重要參數(shù)，比如C919大型客機(jī)在全機(jī)2.5g機(jī)動(dòng)平衡工況極限載荷靜力試驗(yàn)中，其翼尖的最大變形接近3m[1]。

針對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)位移測(cè)量，非接觸式測(cè)量設(shè)備往往具有價(jià)格昂貴、操作不易[2～4]等特點(diǎn)，現(xiàn)仍多采用接觸式測(cè)量，如千分表、拉線式位移計(jì)、頂桿式位移計(jì)，其都要與試驗(yàn)件有直接的接觸連接。當(dāng)大型試驗(yàn)需要大量的位移測(cè)量點(diǎn)時(shí)，造成了位移計(jì)安裝的困難，有些甚至造成測(cè)量設(shè)備與加載設(shè)備的干擾，影響了加載的準(zhǔn)確性。

本文利用非接觸式位移測(cè)量技術(shù)，以最小的成本設(shè)計(jì)適用于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)的位移測(cè)量系統(tǒng)，保證位移測(cè)量準(zhǔn)確度的同時(shí)，減少測(cè)量設(shè)備與加載設(shè)備之間的干擾。

1??非接觸位移測(cè)量原理

采用非接觸式的測(cè)量方法，需要測(cè)量系統(tǒng)所發(fā)出的信號(hào)在介質(zhì)中指向性要好，并具有較強(qiáng)的穿透力、體積盡量小的特點(diǎn)，故本文采用超聲波測(cè)距方式。超聲波在介質(zhì)傳播過(guò)程中，能產(chǎn)生機(jī)械作用，遇到障礙物后，能很好地反射回來(lái)，便于測(cè)量。

本文采用超聲波回聲測(cè)量法。測(cè)量系統(tǒng)發(fā)出超聲波信號(hào)，同時(shí)開始計(jì)時(shí)。超聲波遇到障礙物后返回，測(cè)量系統(tǒng)接收到返回的超聲波信號(hào)時(shí)，停止計(jì)時(shí)，所計(jì)的時(shí)間與所測(cè)量的距離成正比，即測(cè)得超聲波在測(cè)量系統(tǒng)與被測(cè)物體之間的往返時(shí)間，便可計(jì)算出所要測(cè)的距離[5]。

非接觸式位移測(cè)量的基本原理如圖1所示。D為被測(cè)距離，S為超聲波在介質(zhì)中傳輸?shù)膯蜗蚓嚯x，M為發(fā)送探頭與接收探頭之間距離的一半。

圖1 測(cè)距原理圖

其中，

則超聲波在介質(zhì)中傳播的距離為：

v為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度，t為超聲波的傳播時(shí)間，由上式得：

當(dāng)D遠(yuǎn)大于M時(shí)，公式可簡(jiǎn)化為：

所以，只需要準(zhǔn)確測(cè)得時(shí)間t，就可以換算出所測(cè)距離D。

圖2 超聲波信號(hào)圖

超聲波測(cè)距模塊工作原理如圖2所示，其工作原理如下：

（1）測(cè)距系統(tǒng)給超聲波模塊提供測(cè)距信號(hào)，即觸發(fā)信號(hào)；

（2）超聲波模塊發(fā)出多個(gè)連續(xù)的高頻方波信號(hào)，同時(shí)接收置高，并自動(dòng)檢測(cè)是否有超聲波信號(hào)返回；

（3）檢測(cè)到超聲波信號(hào)返回，接收端置低，返回接收端信號(hào)置高的時(shí)間，并根據(jù)公式計(jì)算所測(cè)距離。

2??軟硬件設(shè)計(jì)

測(cè)量裝置需準(zhǔn)確計(jì)算出超聲波返回的時(shí)間，從而得出障礙物的距離。MCU程序計(jì)時(shí)器流程圖如圖3所示，通過(guò)MCU內(nèi)部的計(jì)時(shí)器，根據(jù)超聲波信號(hào)的回響信號(hào)，準(zhǔn)確計(jì)算出超聲波在空氣中傳播的時(shí)間。

圖3 軟件流程圖

測(cè)距裝置核心部分為MCU單片機(jī)，通過(guò)數(shù)碼管顯示所測(cè)距離，通過(guò)蜂鳴器報(bào)警距離超出設(shè)定值。硬件電路如圖4所示。

圖4 硬件電路圖

3??驗(yàn)證與誤差分析

采用本文所設(shè)計(jì)的非接觸式測(cè)距裝置與精度系數(shù)0.3的位移計(jì)測(cè)試結(jié)果相比較，其結(jié)果如表1所示。

表1 測(cè)試結(jié)果

根據(jù)表1的測(cè)試結(jié)果，本文所設(shè)計(jì)的非接觸式測(cè)距裝置滿足試驗(yàn)的精度要求，并簡(jiǎn)化了位移測(cè)量的安裝工作量。針對(duì)被測(cè)試驗(yàn)件的位移變化范圍，本文所設(shè)計(jì)的非接觸測(cè)量裝置可以設(shè)定其內(nèi)部參數(shù)，保證在此范圍內(nèi)的高精度。

但所設(shè)計(jì)的測(cè)距裝置仍然存在一部分誤差，造成非接觸測(cè)距系統(tǒng)的測(cè)量誤差的主要原因包括：

（1）在超聲波發(fā)射和開始定時(shí)器計(jì)時(shí)之間的偏差，此偏差是不可避免的先后順序誤差，超聲波發(fā)射和開始計(jì)時(shí)之間肯定存在時(shí)間的偏差，但這種微小的偏差影響不到總體的時(shí)間偏差，可以忽略這種微小變化的偏差。若需要將其微小偏差消除，可以在單片機(jī)中加快指令的輸入來(lái)消除此偏差[6]。

（2）當(dāng)超聲波被反射回接收器和被檢測(cè)出的輸出信號(hào)存在滯后誤差，此誤差主要是因?yàn)榉瓷浠貋?lái)的超聲波在進(jìn)入到檢測(cè)電路，跟檢測(cè)電路的靈敏度有著一定的關(guān)聯(lián)。檢測(cè)電路靈敏度的高低，會(huì)有一些干擾信號(hào)在其反射波中，使測(cè)量出的距離產(chǎn)生誤差。

（3）單片機(jī)使用的計(jì)時(shí)器本身的誤差，此誤差的產(chǎn)生主要來(lái)于晶體振蕩器，需要選取合適的晶體振蕩器，減少計(jì)時(shí)中的量化誤差。

（4）溫度對(duì)超聲波測(cè)距產(chǎn)生的誤差。溫度產(chǎn)生的誤差，主要來(lái)源于外界環(huán)境的溫度影響。如果室內(nèi)外溫度差異不大，可不進(jìn)行溫度補(bǔ)償；若外界溫度差異較大，應(yīng)該對(duì)其進(jìn)行溫度補(bǔ)償，從而減少溫度產(chǎn)生的誤差。

4??結(jié)語(yǔ)

在飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)中，需大量的位移測(cè)量數(shù)據(jù)，本文針對(duì)目前的位移測(cè)量問(wèn)題，利用非接觸式測(cè)距技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種非接觸式的位移測(cè)量裝置，在保證了位移測(cè)量精度的前提下，簡(jiǎn)化了位移測(cè)量設(shè)備的安裝工作。