雍利鵬， 李明波

(中航電測儀器股份有限公司，陜西 西安 700119)

直升機外吊掛運輸作為一種快速、靈活的運輸方式在軍民領域已廣泛應用，然而直升機吊掛運輸屬于高風險科目，在實際飛行中，超過10%的直升機飛行事故與吊掛飛行相關[1]。直升機吊掛起飛時，如果未知吊掛載荷而直接飛行可能會因過載造成安全事故；正常吊掛飛行時吊掛貨物將產生額外的氣動載荷與慣性載荷，會與直升機的運動相耦合，使直升機的飛行動力學特性發(fā)生變化[2]，如果飛行員未知吊掛貨物載荷變化，未能及時調整飛行姿態(tài)，將影響飛行穩(wěn)定性[3]，此時一旦發(fā)動機失效，直升機易進入飛行高度和飛行速度組合確定的危險區(qū)(回避區(qū))[4]，造成安全事故；到達目的地后，由于地面效應及其他環(huán)境影響，飛行員需要集中精力操控直升機，特別是單飛行員時，無暇顧及吊掛物的投放操作。此時可以通過監(jiān)測吊掛物的載荷，在吊掛物觸地、載荷小于門限值時，機電管理計算機控制貨物掛鉤裝置打開，投放吊掛物[5]。因此，通過從直升機吊掛起飛、飛行、投放全過程監(jiān)測吊掛物的載荷，可以為正常起吊飛行和飛行員調整飛行姿態(tài)提供參考，在到達目的地后，實現半自動化投放，降低人工參與度，保障吊掛飛行安全。當前國外直升機外吊掛運輸應用十分廣泛，有直接監(jiān)測吊掛貨物載荷的手段和方法，而國內主要采用間接的方法監(jiān)測貨物載荷。本文通過敘述電阻應變式測力傳感器的工作原理，將直升機貨物掛鉤裝置中的承載軸銷設計為5 t量程的高可靠性四余度一體化測力傳感器，實時準確監(jiān)測吊掛貨物載荷[6]，綜合誤差不大于1%F.S.，并給出設計方法，為其他量程的測力傳感器設計提供參考。

1 測力傳感器工作原理

測力傳感器為電阻應變式測力傳感器，由產生彈性變形的彈性體、感知變形并轉化為電阻變化的電阻應變計、將電阻變化轉化為電壓信號的惠斯通電橋等組成。當吊掛貨物后，貨物的重量通過吊掛投放機構作用于測力傳感器，引起測力傳感器的彈性體產生應變，進而使粘貼在彈性體上應變計的敏感柵變形，粘貼于測力傳感器彈性體不同敏感部位的4支應變計組成的惠斯通電橋將應變計電阻變化轉化為電壓信號[7]，如圖1和式(1)所示，即當測力傳感器感受到吊掛載荷時，惠斯通電橋輸出一個與吊掛載荷呈線性關系的電壓信號，實現對吊掛載荷的測量。

圖1 惠斯通電橋

(1)

2 測力傳感器設計

根據直升機外吊掛的具體結構和使用工況，將貨物掛鉤裝置中吊掛投放機構與承載梁的連接軸銷設計為測力傳感器，軸銷既作為貨物掛鉤裝置中的承載部件，又作為測力傳感器的彈性體，當貨物掛鉤裝置上掛載貨物時，貨物的重量通過吊掛投放機構傳遞至測力傳感器上，再經由測力傳感器傳遞至承載梁，在此過程中測力傳感器可以測出貨物的載荷，節(jié)省空間和自身重量，載荷監(jiān)測實時準確。以下將從彈性體設計、應變計選擇、靈敏度計算、供橋電壓設計、橋路設計和橋路補償方法等方面對測力傳感器進行設計。

2.1 彈性體設計

2.1.1 彈性體結構設計

根據測力傳感器的工作原理，彈性體采用了經典的軸銷剪切梁式結構，如圖2所示。此種結構的測力傳感器具有精度高、工藝成熟、可靠性高等優(yōu)點，廣泛用于測力傳感器的設計中[8]。

圖2 彈性體結構

2.1.2 彈性體材料的選擇

彈性體的材料選用優(yōu)質不銹鋼05Cr17Ni4Cu4Nb，該材料是由銅、鈮/鈳構成的沉淀、硬化、馬氏體不銹鋼，具有力學性能穩(wěn)定、強度高、耐腐蝕能力強等特點，經固溶熱處理后其抗拉強度σb≥1310 MPa，屈服強度σ0.2≥1176 MPa，機械綜合性能好，適合作為彈性體的材料，同時滿足貨物掛鉤裝置的使用環(huán)境要求。

2.1.3 彈性體強度分析

彈性體的結構較復雜，使用ANSYS軟件對彈性體進行強度分析計算[9]。按照實際工況環(huán)境，對彈性體中間下端與承載梁接觸的下半圓施加固支約束，并對彈性體兩邊上端與吊掛投放機構接觸的上半圓施加載荷，按4.9×104N(5 t)進行分析計算。彈性體網格劃分、約束和載荷添加、應力分布情況如圖3所示。

圖3 彈性體分析圖

通過靜力學仿真分析，彈性體在4.9×104N載荷下的等效應力為σmax=577.17 MPa，而彈性體所選用的05Cr17Ni4Cu4Nb材料σ0.2≥1176 MPa，遠遠大于彈性體上的最大等效應力，安全系統(tǒng)n=σ0.2/σmax≈2.04>1.5,滿足吊掛強度要求。

2.1.4 彈性體剛度分析

給彈性體施加使用載荷，得到彈性體的最大形變?yōu)?.025 mm，如圖4所示。

圖4 彈性體形變分布圖

由圖4的分析結果可知，彈性體在使用載荷下的最大形變?yōu)?.025 mm，不會對貨物掛鉤裝置的正常工作產生影響，故彈性體的剛度滿足使用要求。

2.1.5 彈性體應變區(qū)分析

給彈性體施加4.9×104N載荷時，應變區(qū)應力分布均勻，大小為200～210 MPa，滿足測力傳感器設計要求，應力分布如圖5所示。

圖5 應變區(qū)應力分布

2.2 應變計選擇

根據彈性體的材料、受力形式和貼片區(qū)尺寸大小，應變計選擇中航電測儀器股份有限公司生產的雙柵應變計BE350-6HA-E(11)，兩柵互相垂直，可以測量剪切應力。該應變計為聚酰亞胺基底、康銅箔制成的全密封結構，具有溫度自補償、延伸率高、耐濕熱性好、電絕緣性能好、使用溫度范圍寬[10]等特點，能夠實現對彈性體受力應變的感知。

2.3 靈敏度計算

彈性體在受4.9×104N使用載荷時，應變區(qū)應力σ為200～210 MPa，應變計BE350-6HA-E(11)的靈敏度系數K為2，05Cr17Ni4Cu4Nb的彈性模量E為196 GPa，計算測力傳感器的靈敏度S為

(2)

代入數值，測力傳感器靈敏度S為2.04～2.14 mV/V，取測力傳感器靈敏度S為2.1±0.1 mV/V。

2.4 供橋電壓設計

供橋電壓較低時，靈敏度輸出較小，供橋電壓過高時，雖然靈敏度輸出增大，但會使應變計的工作性能變差，滯后和蠕變增大，并產生較大的零點漂移。為了得到理想效果，對供橋電壓進行分析計算，影響供橋電壓的因素有應變計的型式、敏感柵的面積和阻值，以及彈性體的散熱能力、環(huán)境溫度等。一般用經驗公式進行供橋電壓計算，計算公式為

(3)

2.5 橋路設計

為提高測力傳感器的可靠性，采用四余度設計[11]，貼片位置如圖6所示。根據彈性體的受力情況，圖6所示應變計中R12，R14，R16，R18，R31，R33，R35，R37為壓向，R22，R24，R26，R28，R41，R43，R45，R47為拉向。

圖6 貼片位置

由于加工誤差，會造成貨物掛鉤裝置中電動側板和手動側板作用在彈性體上的力可能不一致。為防止加工原因造成測量誤差，四路橋路按圖7所示進行組橋。

圖7 四路組橋圖

2.6 橋路補償方法

2.6.1 零點輸出補償

根據測力傳感器工作原理，由式(1)可知，在無載荷時，測力傳感器的輸出信號應為0，但由于各應變計之間電阻值的差異以及生產工藝造成測力傳感器的輸出不為0，需要對測力傳感器的輸出零位進行補償。

測力傳感器組橋完成后，若U0>0，即R2R4-R1R3>0，可在圖1所示橋臂I中串入一定長度的錳銅線R0，使R2R4-(R1+R0)R3=0，對零點輸出進行補償。反之，若U0<0，即R2R4-R1R3<0，可在橋臂Ⅱ中串入一定長度的錳銅線R0，使(R2+R0)R4-R1R3=0，對零點輸出進行補償[13]。

在橋臂上Ⅰ或Ⅱ處串聯的康銅線，采用雙線無感繞法繞好，經老化處理后，再接入測力傳感器電橋[13]?？点~線長度L的計算公式為

(3)

式中，Rin為測力傳感器輸入阻抗(Ω)；r0為康銅絲單位長度的電阻值(Ω/mm)；ΔU0為零點輸出變化(V)；Ui為供橋電壓(V)；L為補償線長度(mm)。

測出各路測力傳感器的輸入阻抗和零點輸出，按式(3)計算出康銅線長度L，對零點輸出進行補償，補償后應在±0.5 mV范圍內。

2.6.2 零點溫度漂移補償

經過零點輸出補償后，測力傳感器在常溫下為0，但使用環(huán)境為-55～+70 ℃，由于電阻應變計電阻溫度系數的分散和彈性元件材料與應變計電阻材料熱膨脹系數的不同，會引起不同溫度下零點漂移[12]。此外，應變計性能差異、基底與膠粘劑厚度不均勻和固化程度不一致、焊點質量優(yōu)劣不同、引出線的長短不同等因素都會引起零點溫度漂移[13]。

零點溫漂可以認為是由于4個橋臂的電阻溫度系數不一致所引起的，于是可以在某一橋臂中串聯一個溫度系數較大的康銅電阻線，以提高該橋臂總的電阻溫度系數[14]。在圖1橋臂上Ⅲ或Ⅳ處串聯一定長度的康銅線L，使其達到平衡。當零位在高溫側U0>0，則在橋臂Ⅲ處串入一康銅線L；若U0<0，則在橋臂Ⅳ處串入一康銅線L。當零位在低溫側時相反。康銅線長度計算公式為

(4)

式中：Rin為測力傳感器輸入阻抗(Ω)；r0為康銅絲單位長度的電阻值(Ω/mm)；α為康銅的電阻溫度系數(4×10-4/℃)；th為高溫溫度(℃)；t為常溫溫度(℃)；ΔU0為零點輸出變化(V)；Ui為供橋電壓(V)；L為補償線長度(mm)。

測出各路測力傳感器的輸入阻抗和零點漂移，按式(4)計算出康銅線長度L，對零點高溫溫度漂移進行補償，補償后零點溫度漂移應小于0.05%F.S./10 ℃。零點低溫溫度漂移補償方法和要求與零點高溫溫度漂移補償相同。

2.6.3 靈敏度溫度補償

環(huán)境溫度升高(或降低)時，彈性元件材料的彈性模量會降低(或升高)，靈敏度會增大(或減小)，造成測力傳感器靈敏度誤差[15]。因此，在測力傳感器靈敏度增大(或減小)的同時，使電橋電路的實際供橋電壓也與之成比例減小(或增大)，保持供橋電壓與實際供橋電壓的比值不變，則靈敏度也就保持不變[16]。在圖8所示位置串入鎳電阻Rmt/2，高溫下Rmt按計算公式為

圖8 串入鎳電阻位置

(5)

式中,S為常溫時的靈敏度(mV/V)；Sh為高溫時的靈敏度(mV/V)；Rin為測力傳感器輸入阻抗(Ω)；α為鎳電阻溫度系數(4×10-4/℃)；th為高溫溫度(℃)；t為常溫溫度(℃)。

測出各路測力傳感器的常溫、高溫的靈敏度，輸入阻抗，按式(5)計算出Rmt，對高溫靈敏度進行補償，補償后靈敏度溫度漂移應小于0.1%F.S./10 ℃。低溫靈敏度補償方法和要求與高溫靈敏度補償相同。

3 實驗結果與誤差分析

3.1 實驗方法

常溫測試時，將測力傳感器通過工裝安裝在測力機上，連接好測試設備，系統(tǒng)初始化后，按1000，2000，3000，4000，5000 kg共5個加載點依次進行3次進程和回程加載，記錄各加載點輸出值。高溫70 ℃和低溫-40 ℃測試時在帶高低溫箱的測力機上進行，方法與常溫測試相同。

3.2 實驗數據

常溫性能測試數據如表1所示。

表1 常溫性能測試數據

采用端點法對常溫測試數據進行計算，非線性為0.287%F.S.，重復性為0.08%F.S.，滯后為0.146%F.S.，綜合誤差為0.331%F.S.。

對高低溫下的試驗測試數據進行計算，高溫下非線性為0.323%F.S.，重復性為0.119%F.S.，滯后為0.265%F.S.，溫度對零點輸出的影響為0.042%F.S./10 ℃，溫度對輸出靈敏度的影響為0.058%F.S./10 ℃，綜合誤差為0.467%F.S.。低溫下非線性為0.51%F.S.，重復性為0.08%F.S.，滯后為0.107%F.S.，溫度對零點輸出的影響為0.029%F.S./10 ℃，溫度對輸出靈敏度的影響為0.093%F.S./10 ℃，綜合誤差為0.536%F.S.。

3.3 驗證結果

通過常溫、高溫、低溫試驗測試，測力傳感器的綜合誤差均小于1%F.S.，滿足設計要求。

4 結束語

根據直升機外吊掛的具體結構和使用工況，將貨物掛鉤裝置中的承載軸銷設計為5 t量程的測力傳感器，綜合誤差小于1%F.S.，實現外吊掛載荷的實時監(jiān)測。其他量程的測力傳感器可以依據電阻應變式測力傳感器工作原理，參照本文所述彈性體設計、應變計選擇、靈敏度計算、供橋電壓設計、橋路設計、橋路補償的方法進行適應性設計，滿足不同直升機對吊掛載荷監(jiān)測的需求，保障直升機吊掛飛行安全。