基于虛擬儀器的小口徑身管內(nèi)徑測量系統(tǒng)設(shè)計*

楊冬英，趙慶嵐，劉 健

（1.山西大學(xué)商務(wù)學(xué)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(shù)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?；鹋谏砉軆?nèi)徑測量，是確?；鹋谏砉艿募庸べ|(zhì)量和火炮使用后剩余生命的一個重要依據(jù)[1]；對于具有特殊用途的鋼管類產(chǎn)品，根據(jù)其應(yīng)用需求，管道內(nèi)壁會有特殊的軌跡或截面，若其發(fā)生變化會嚴(yán)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(nèi)壁會出現(xiàn)不同程度的腐蝕或磨損，導(dǎo)致管道內(nèi)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(yán)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(nèi)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(shù)測量火炮身管內(nèi)徑的測量系統(tǒng)，但該系統(tǒng)的調(diào)理電路過于復(fù)雜。針對小口徑身管內(nèi)徑測量過程，傳感器較難進(jìn)入并測量內(nèi)徑較小的身管，并且測量后數(shù)據(jù)處理復(fù)雜，測量結(jié)果難以保存等問題，本文提出了一種基于虛擬儀器技術(shù)的小口徑身管內(nèi)徑測量系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對小口徑身管內(nèi)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(nèi)按照固定軌跡運(yùn)動，檢測管道內(nèi)徑值，并且能夠測量管道內(nèi)壁具有特殊截面的管徑[4-10]，同時具有數(shù)據(jù)的自動采集、顯示結(jié)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(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)（齒輪齒條，電機(jī)和推桿）、激光位移傳感器LDM42、工業(yè)PC機(jī)系統(tǒng)、RS485-USB轉(zhuǎn)換器、控制柜、打印機(jī)等組成。

對于固定或移動的物體進(jìn)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(dá)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(nèi)部具有溫度補(bǔ)償功能，能在較寬的溫度范圍內(nèi)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(yīng)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(jìn)行比較，利用微處理器就可以計算出相應(yīng)相位偏移所對應(yīng)的物體間距離，精度可以達(dá)到毫米級。若調(diào)制光角頻率為w，在待測量距離D上往返一次產(chǎn)生的相位延遲為φ，則對應(yīng)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(jīng)化簡，距離D可表示為：

測量原理：在身管外部，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動齒輪轉(zhuǎn)動從而帶動齒條連桿推動測徑頭行進(jìn)，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(nèi)壁測量身管內(nèi)徑，實現(xiàn)內(nèi)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(zhǔn)確感知測徑頭的位置，結(jié)合測徑頭的內(nèi)徑值得到小口徑身管每一截面的內(nèi)徑值。徑向位移傳感器將測量信號通過RS485-USB轉(zhuǎn)換器接口與PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，PC機(jī)利用上位機(jī)軟件讀取傳感器的徑向位移量，經(jīng)過軟件的協(xié)議轉(zhuǎn)換和信號處理，實現(xiàn)最終的結(jié)果顯示和結(jié)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(yùn)動組件、機(jī)械連桿等。測量裝置的主體是運(yùn)動組件，也是其他部件的安裝載體。運(yùn)動組件上安裝測徑傳感器和定位裝置，是測量時進(jìn)入管道內(nèi)部并進(jìn)行測量的運(yùn)動部件。定位裝置固定測量單元中運(yùn)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(nèi)運(yùn)動不隨意偏離。測徑傳感器用來測量管道內(nèi)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(jī)與兩種傳感器進(jìn)行通信，計算機(jī)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(yùn)動組件、3為測徑頭、4為機(jī)械連桿。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

小口徑身管測量系統(tǒng)的上位機(jī)軟件在Lab-VIEW7.1平臺上實現(xiàn)，LabVIEW具有非常強(qiáng)大的數(shù)據(jù)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(biāo)定模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、測試模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和結(jié)果輸出模塊。

1）標(biāo)定模塊。標(biāo)定流程圖和程序前面板如圖3所示。

2）參數(shù)模塊。模塊包括了測量系統(tǒng)初始化的設(shè)置：電機(jī)的前進(jìn)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(nèi)徑測量系統(tǒng)測量前和測量中所有需要的參數(shù)設(shè)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(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動，帶動齒輪齒條傳動，從而推動連桿行走，進(jìn)而帶動測徑頭行走。根據(jù)激光位移傳感器的實時測量來判斷測徑頭到達(dá)指定位置后，測量截面內(nèi)徑值，直至所有數(shù)據(jù)全部測量結(jié)束。

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

5）結(jié)果輸出模塊。模塊包括數(shù)據(jù)的實時顯示圖表和測試結(jié)束后數(shù)據(jù)報表的生成和打印。

3 實驗結(jié)果和數(shù)據(jù)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(jìn)行測試實驗。通過激光測距儀測量測徑頭在身管內(nèi)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(nèi)徑測量數(shù)據(jù)。實驗結(jié)果如表1所示。

表1 實驗結(jié)果

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

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

得到各點標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)偏差σ。

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

表2 75 mm處測量數(shù)據(jù)計算結(jié)果（單位：mm）

式中：σ為標(biāo)準(zhǔn)偏差。K為置信因子。取K=3時，置信度為99.73%。

最后，根據(jù)式（8）得到重復(fù)性為δR。計算結(jié)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(zhǔn)確性的誤差和影響系統(tǒng)精密性的誤差。影響系統(tǒng)準(zhǔn)確性的誤差主要體現(xiàn)在標(biāo)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(zhuǎn)動時力度過大都會產(chǎn)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(jié)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(jié)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(jié)果造成一定的誤差影響，因此，必須在實驗結(jié)束后檢查測量儀器情況，以保證以后的正常使用。

4 結(jié)論

針對目前現(xiàn)有小口徑測量儀存在的量程小、人工操作繁瑣、勞動強(qiáng)度大、效率低、維護(hù)保養(yǎng)難等缺點，設(shè)計開發(fā)了小口徑身管內(nèi)徑測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)實現(xiàn)了小口徑身管內(nèi)徑的自動精確檢測和圖形化顯示功能，具有數(shù)據(jù)的自動采集、顯示結(jié)果、打印等功能，同時該系統(tǒng)能夠測量管道內(nèi)壁特殊截面的管徑。通過對該測量系統(tǒng)的檢測數(shù)據(jù)實時處理，數(shù)據(jù)精度滿足工程要求，達(dá)到了預(yù)期效果，該系統(tǒng)的實現(xiàn)為小口徑身管內(nèi)徑的測量提供了一種切實可行和精度較高的技術(shù)手段，具有較高的軍事經(jīng)濟(jì)效益和良好的推廣應(yīng)用價值。