一種測量液壓阻尼器軸向位移的方法

劉公俊

摘 要

為提高飛行測試安全，滿足測試需要，設(shè)計了基于激光鼠標(biāo)傳感器的非接觸式位移測量系統(tǒng)。給出了測量系統(tǒng)的硬件和軟件總體設(shè)計，系統(tǒng)以ADNS-9800激光鼠標(biāo)傳感器為核心，對阻尼器的軸向位移進行實時測量；以8051核微處理器STC15W1K16S為控制核心，實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的傳輸和激光鼠標(biāo)傳感器的上電復(fù)位控制。實驗證明，該系統(tǒng)的測量誤差在0.2%以內(nèi)，能夠滿足飛行測試的要求。

【關(guān)鍵詞】飛行測試 激光鼠標(biāo)傳感器 位移測量

直升機安裝液壓阻尼器的主要目的是為了增加系統(tǒng)穩(wěn)定性，尤其是消除地面共振的影響。但同時因為阻尼器安裝在槳轂和槳葉根部之間，導(dǎo)致槳葉的擺振、揮舞和變距運動產(chǎn)生的動載荷通過阻尼器作用與槳轂和槳葉根部。這種動載荷對旋翼系統(tǒng)的壽命和強度都有極為不利的影響。因此準(zhǔn)確測量液壓阻尼器的動載荷是保證直升機旋翼系統(tǒng)安全可靠工作的重要方法。

而由文獻[2]可知作用在阻尼器上的動載荷與阻尼器的軸向位移存在直接關(guān)系，因此可以通過軸向位移量表征動載荷大小。常見的位移測量方法有激光測量、拉繩電位器測量和光電編碼測量等，但這些方法要么需要固定在阻尼器拉桿上而影響其正常運動，要么需要反光板這類在高速旋轉(zhuǎn)運動中易損壞的物件。因而在實際測量中都因會威脅直升機飛行安全而被舍棄。

本文提出基于圖像處理技術(shù)的非接觸式位移測量方法，該方法使用激光鼠標(biāo)傳感器，直接獲取阻尼器拉桿的表面圖像，通過特征點比較計算出阻尼器的軸向位移。有效地避免了和阻尼器拉桿的直接接觸，更不需要其他輔助部件從而增加了測試系統(tǒng)的安全性。

1 激光鼠標(biāo)傳感器的位移測量原理

激光鼠標(biāo)傳感器主要組成部件是垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）、圖像獲取器（IAS：Image Acquisition System）和數(shù)字信號處理器（DSP：Digital Signal Processor）。VCSEL用于發(fā)射激光照亮被測物表面。相比普通光，使用相干性好的激光使得傳感器不僅可以在粗糙表面運行良好，還能在像玻璃這樣的光滑表面獲得精確的位移數(shù)據(jù)。高速攝像機用于連續(xù)捕捉相對運動中的被測物表面圖像，然后將這一系列圖像傳遞給DSP處理，DSP通過對比相鄰圖像的相同特征獲取物體移動距離和方向。

如圖1所示，對比長，寬為25.4mm（約等于1英寸）的相鄰兩張照片中相同的特征點，可以計算出被測物移動了N個像素點。然后根據(jù)傳感器的固有屬性則可以計算出被測物體的相對位移，如公式1所示。

式中，K是常數(shù)，可由傳感器固有特性給出，X表示25.4mm長度上的像素點數(shù)， N表示特征點移動的像素間隔。

2 位移測量系統(tǒng)的硬件設(shè)計方案

阻尼器軸向位移測量系統(tǒng)的總體硬件設(shè)計方案如圖2所示，微處理器作為控制核心，主要功能是從激光鼠標(biāo)傳感器中提取位移信息，并將計算后的位移信息通過RS232 總線提供給終端的數(shù)據(jù)采集器。USB接口主要用于對測量系統(tǒng)的調(diào)試和在線編程。

2.1 激光鼠標(biāo)傳感器外圍電路設(shè)計

衡量激光鼠標(biāo)傳感器工作性能的指標(biāo)主要是幀速率和分辨率兩個參數(shù)，幀速率決定了傳感器能夠測量的最高速度，被測物體的運動速度如果超過這個上限，傳感器就無法測量其位移。分辨率表示每英寸長度內(nèi)的像素點數(shù)，它決定了測量系統(tǒng)的分辨力。

安華高的ADNS-9800激光鼠標(biāo)傳感器，分辨率達到8200dpi，幀速率更是達到12000fps，也就是說傳感器能夠感知的速度上限為3.8m/s。ADNS-9800自帶內(nèi)部時鐘，因此無需外部時鐘信號，其外圍電路如圖3所示。ADNS-9800擁有46個內(nèi)部寄存器，它們被用于存儲位移參數(shù)和傳感器狀態(tài)參數(shù)。通過同步串行接口（SPI： Serial Peripheral Interface）對寄存器進行讀寫操作，可以實現(xiàn)對傳感器的控制。

2.2 微處理器外圍電路設(shè)計

微處理器選用宏晶科技的基于8051核的STC15W1K16S芯片。該微處理器不需要外部復(fù)位和外部晶振，采用寬電壓設(shè)置，不用擔(dān)心電源電壓抖動；擁有3個定時/計數(shù)器，1組高速異步串行通信口（UART：Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）和1組高速同步串行通信接口，其外圍電路如圖4所示。

因為微處理器串口電壓與標(biāo)準(zhǔn)RS232總線電壓不一致，所以采用SP3232芯片用于電平轉(zhuǎn)換。同時為便于微處理器與計算機連接以實現(xiàn)在線編程和程序燒錄，采用PL2303芯片實現(xiàn)串口至USB端口的電平轉(zhuǎn)換，不過PL2303芯片需要外接晶振。

3 位移測量系統(tǒng)的軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件流程如圖5所示，系統(tǒng)上電啟動后，微處理器進行初始化，ADNS-9800傳感器軟件復(fù)位，傳感器開始測量位移并將數(shù)據(jù)存入對應(yīng)寄存器，采集完成標(biāo)志位置“1”，觸發(fā)微處理器外部中斷，讀取傳感器的位移數(shù)據(jù)，采集完成標(biāo)志位清零，微處理器最后將位移數(shù)據(jù)寫入總線串口寄存器。

4 實驗結(jié)果分析

阻尼器軸向位移測量系統(tǒng)的標(biāo)定設(shè)備選用千分尺，如圖6所示為設(shè)備安裝示意圖，其中D為傳感器感光鏡頭距離被測物表面的距離，S表示測量系統(tǒng)零位時千分尺測微螺桿的伸長量，在實驗中D固定為1cm，S初始值為10mm。測量系統(tǒng)標(biāo)定數(shù)據(jù)如表1所示。數(shù)據(jù)表明阻尼器軸向位移測量系統(tǒng)在測量位移時的絕對誤差在0.02mm以內(nèi)，能夠滿足飛行測試的精度要求。

5 結(jié)論

以ADNS-9800激光鼠標(biāo)傳感器為核心的測量系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)非接觸式測量，體積小，功耗低，精度高，并且對被測物表面沒有特殊要求。以STC15W1K16S為控制核心，減少外圍復(fù)位和晶振電路，實現(xiàn)測試數(shù)據(jù)的高速傳輸。實驗證明該系統(tǒng)可以滿足飛行測試的需要，實現(xiàn)高精度的位移測量。

參考文獻

[1]胡國才，向錦武，張曉谷.幾何耦合對直升機槳葉液壓減擺器等效線性阻尼的影響研究[J].應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué)，2002，23（08）：819-826.

[2]胡國才，柳泉，羅云寶.直升機旋翼液壓阻尼器的動載荷分析[J].應(yīng)用力學(xué)學(xué)報，2014，31（01）：105-109.

[3]原相科技股份有限公司.ADNS-9800產(chǎn)品手冊[DB/OL].http：//www.pixart.com.tw/upload/ADNS-9800%20DS_S_V1.0_20130510163600.pdf

[4]宏晶科技公司.STC15W1K16S產(chǎn)品手冊[DB/OL].http：//www.stcmcu.com/ datasheet/stc/STC-AD-PDF/STC15.pdf