毛 爽，劉振宇，楊青春

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

1 引 言

飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)是飛機(jī)研制中不可或缺的重要環(huán)節(jié)[1]，協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)載荷施加和試驗(yàn)件狀態(tài)檢測(cè)，試驗(yàn)載荷主要包括力、氣壓、位移、角度、扭矩等。因此，協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng)需要支持多種類型的傳感器。

針對(duì)MTS協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng)只能支持電壓輸出型傳感器[2]的問題，本文通過分析拉線式位移傳感器和傾角傳感器的工作原理，結(jié)合MTS協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng)的采集放大原理，提出了一種基于MTS協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng)的電流輸出型傳感器的應(yīng)用方法。該方法通過轉(zhuǎn)換電路將電流輸出型傳感器轉(zhuǎn)換為電壓輸出型，根據(jù)轉(zhuǎn)換關(guān)系得到理論增益與零點(diǎn)的確定方法。該方法在試驗(yàn)中得到了驗(yàn)證，目前已應(yīng)用于多項(xiàng)飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)，豐富了試驗(yàn)載荷類型，對(duì)各類傳感器在協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng)中的應(yīng)用具有重要意義。

2 常用電流輸出型傳感器原理

在飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)中，拉線式位移傳感器主要用于測(cè)量飛機(jī)機(jī)翼、機(jī)身、艙門等位移變化量[3]，傾角傳感器主要用于測(cè)量活動(dòng)翼面的水平傾角[4],這兩種傳感器均為電流輸出型傳感器。

2.1 拉線式位移傳感器

對(duì)于安裝空間小、位移載荷與作動(dòng)器運(yùn)動(dòng)方向不一致等情況，無法直接使用位移作動(dòng)器加載，需要外接拉線式位移傳感器進(jìn)行位移載荷控制。拉線式位移傳感器由可拉伸的金屬繩繞在一個(gè)有螺紋的輪轂上，輪轂與精密旋轉(zhuǎn)感應(yīng)器連接在一起，運(yùn)動(dòng)發(fā)生時(shí)，拉繩伸縮帶動(dòng)輪轂和精密旋轉(zhuǎn)感應(yīng)器旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致電阻值發(fā)生變化，對(duì)應(yīng)輸出一個(gè)與拉線伸縮距離成比例的電信號(hào)，如圖1所示。

圖1 拉線式位移傳感器

飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度試驗(yàn)中常用的拉線式位移傳感器使用24V直流電壓作為激勵(lì)，輸出信號(hào)為4～20mA直流電流。4mA對(duì)應(yīng)拉線伸出量為0mm，20mA對(duì)應(yīng)拉線伸出量為滿量程。

2.2 傾角傳感器

對(duì)活動(dòng)翼面施加力載荷，一般要求基于角度載荷下施加，以驗(yàn)證不同角度下的活動(dòng)翼面以及連接接頭的強(qiáng)度。另外，當(dāng)對(duì)其操縱系統(tǒng)性能進(jìn)行驗(yàn)證時(shí)，要求對(duì)活動(dòng)翼面的角度進(jìn)行測(cè)量。由于活動(dòng)翼面的特殊性，不便于安裝轉(zhuǎn)軸式角度傳感器，在翼面上安裝傾角傳感器更為容易。飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度試驗(yàn)中常用的傾角傳感器如圖2所示。傾角傳感器是一種加速度傳感器，重力垂直軸與加速度靈敏軸的夾角即為所測(cè)量的角度值，可輸出一個(gè)與夾角成比例的電信號(hào)。

圖2 傾角傳感器

飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度試驗(yàn)中，常用的傾角傳感器使用24V直流電壓作為激勵(lì)，輸出信號(hào)為4～20mA的直流電流。4mA對(duì)應(yīng)滿量程角度負(fù)值，20mA對(duì)應(yīng)滿量程角度正值。

2.3 電流輸出型傳感器

飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度試驗(yàn)中使用的拉線式位移傳感器和傾角傳感器都是電流輸出型傳感器，電信號(hào)輸出原理基本相同，電流值4mA、20mA分別對(duì)應(yīng)傳感器測(cè)量物理量的最小值和最大值。例如，拉線式位移傳感器對(duì)應(yīng)0到滿量程，為單向測(cè)量；傾角傳感器對(duì)應(yīng)正負(fù)滿量程，為雙向測(cè)量。

3 應(yīng)用方法

3.1 MTS協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng)測(cè)量原理

MTS協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng)主要用于應(yīng)變電橋型傳感器測(cè)量，例如力傳感器、壓力傳感器等，傳感器的輸出信號(hào)為毫伏級(jí)直流電壓信號(hào)。采用靈敏度作為傳感器線性測(cè)量校準(zhǔn)依據(jù)[5]，靈敏度的倒數(shù)為采集板卡放大增益。經(jīng)過采集板卡調(diào)理放大為±10V直流電壓，對(duì)應(yīng)傳感器的正負(fù)滿量程。傳感器的零點(diǎn)參數(shù)需要在零載荷狀態(tài)下確定，作為載荷施加的基準(zhǔn)。總結(jié)MTS協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng)對(duì)電壓輸出型傳感器的測(cè)量原理，可得到如下線性關(guān)系：

U=Gain·Uoutput+Zero

(1)

其中，Uoutput為傳感器輸出電壓，U為放大后電壓值，Gain為放大增益，Zero為傳感器零點(diǎn)電壓值。

3.2 轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

針對(duì)電流輸出型傳感器，需要將電流輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，才能接入MTS協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng)測(cè)量[6，7]。轉(zhuǎn)換原理是在傳感器的輸出端串聯(lián)一個(gè)精密電阻，由直流穩(wěn)壓電源提供傳感器24V直流標(biāo)準(zhǔn)激勵(lì)，將4～20mA電流輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，電阻兩端電壓值接入MTS協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng)作為反饋輸入，間接實(shí)現(xiàn)對(duì)電流輸出型傳感器的測(cè)量，如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)換原理

為了滿足傳感器滿量程測(cè)量范圍和MTS增益參數(shù)允許范圍，即放大后電壓信號(hào)不能超出±10V，電阻R必須滿足：

(2)

為保證MTS協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng)的采集測(cè)量精度，電阻 的精度要求高于傳感器精度和控制系統(tǒng)采集板卡的精度。目前試驗(yàn)通常使用阻值100～500Ω、精度0.02%、溫度系數(shù)15PPM的金屬膜精密電阻。

3.3 增益與零點(diǎn)的確定

根據(jù)MTS協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng)的采集原理和轉(zhuǎn)換電路原理，可以得到電流輸出型傳感器在MTS協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng)的線性測(cè)量原理為：

U=Gain·RIoutput+Zero

(3)

式中，Ioutput為傳感器輸出電流。

可以得到所測(cè)傳感器的物理量、轉(zhuǎn)換電壓、控制系統(tǒng)滿量程電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如表1所示。表中Pmax、Pmin為傳感器被測(cè)量物理量的最大值和最小值，Umax、Umin為控制系統(tǒng)放大電壓值。

表1 對(duì)應(yīng)表

由表1的對(duì)應(yīng)關(guān)系可得，電流輸出型傳感器在MTS協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng)中使用時(shí)，理論放大增益為：

(4)

對(duì)于類似拉線式位移傳感器的單向測(cè)量傳感器，理論零點(diǎn)為4mA對(duì)應(yīng)電壓值，理論零點(diǎn)為：

Zero=-IminR·Gain

(5)

對(duì)于類似傾角傳感器的雙向測(cè)量傳感器，零點(diǎn)為12mA對(duì)應(yīng)的電壓值。

(6)

4 試驗(yàn)應(yīng)用驗(yàn)證

在MTS協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng)中，驗(yàn)證量程1000mm拉線式位移傳感器和量程±30°傾角傳感器的增益和零點(diǎn)。

根據(jù)轉(zhuǎn)換電路選擇電阻R為100Ω，根據(jù)表1可以得到如表2所示的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

表2 對(duì)應(yīng)表

根據(jù)式(4)和式(5)，可以得到拉線式位移傳感器理論增益和理論零點(diǎn)為：

根據(jù)式(4)和式(6)，可以得到傾角傳感器的理論增益和理論零點(diǎn)為：

在某型飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度試驗(yàn)中，針對(duì)駕駛艙操作桿工況，使用液壓作動(dòng)器外接拉線式位移傳感器的方式加載，針對(duì)活動(dòng)翼面操縱檢查工況，使用傾角傳感器監(jiān)控翼面角度。通過對(duì)拉線式位移傳感器和傾角傳感器的實(shí)際標(biāo)定，獲得實(shí)際增益和零點(diǎn)，如表3所示。

表3 對(duì)應(yīng)表

通過試驗(yàn)驗(yàn)證，可以得出如下結(jié)論：

(1)增益的理論值與實(shí)際值一致，證明該方法可以準(zhǔn)確獲得增益參數(shù)；

(2)零點(diǎn)的理論值與實(shí)際值接近，證明該方法可以獲得零點(diǎn)參數(shù)的參考值；

(3)零點(diǎn)偏差與傳感器零點(diǎn)漂移、現(xiàn)場(chǎng)安裝初始狀態(tài)有關(guān)，試驗(yàn)中零點(diǎn)需根據(jù)實(shí)際狀態(tài)獲得；

(4)通過試驗(yàn)多點(diǎn)測(cè)量和標(biāo)定，可以證明該方法獲得的線性測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確。

5 結(jié) 論

本文通過分析飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)中常用的拉線式位移傳感器、傾角傳感器的測(cè)量原理，結(jié)合MTS協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng)的線性測(cè)量原理，提出了一種基于MTS協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng)的電流輸出型傳感器應(yīng)用方法，通過轉(zhuǎn)換電路將電流輸出型傳感器轉(zhuǎn)換為電壓輸出型，根據(jù)轉(zhuǎn)換關(guān)系得到理論增益與零點(diǎn)的確定方法，通過試驗(yàn)驗(yàn)證可獲得增益準(zhǔn)確值和零點(diǎn)參考值。該方法目前已應(yīng)用于多項(xiàng)飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)，豐富了試驗(yàn)載荷類型，對(duì)各類傳感器在協(xié)調(diào)加載控制系統(tǒng)中的應(yīng)用具有重要意義。