基于電阻應(yīng)變計(jì)的直升機(jī)吊掛測(cè)力傳感器設(shè)計(jì)

雍利鵬， 李明波

(中航電測(cè)儀器股份有限公司，陜西 西安 700119)

直升機(jī)外吊掛運(yùn)輸作為一種快速、靈活的運(yùn)輸方式在軍民領(lǐng)域已廣泛應(yīng)用，然而直升機(jī)吊掛運(yùn)輸屬于高風(fēng)險(xiǎn)科目，在實(shí)際飛行中，超過(guò)10%的直升機(jī)飛行事故與吊掛飛行相關(guān)[1]。直升機(jī)吊掛起飛時(shí)，如果未知吊掛載荷而直接飛行可能會(huì)因過(guò)載造成安全事故；正常吊掛飛行時(shí)吊掛貨物將產(chǎn)生額外的氣動(dòng)載荷與慣性載荷，會(huì)與直升機(jī)的運(yùn)動(dòng)相耦合，使直升機(jī)的飛行動(dòng)力學(xué)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(shí)調(diào)整飛行姿態(tài)，將影響飛行穩(wěn)定性[3]，此時(shí)一旦發(fā)動(dòng)機(jī)失效，直升機(jī)易進(jìn)入飛行高度和飛行速度組合確定的危險(xiǎn)區(qū)(回避區(qū))[4]，造成安全事故；到達(dá)目的地后，由于地面效應(yīng)及其他環(huán)境影響，飛行員需要集中精力操控直升機(jī)，特別是單飛行員時(shí)，無(wú)暇顧及吊掛物的投放操作。此時(shí)可以通過(guò)監(jiān)測(cè)吊掛物的載荷，在吊掛物觸地、載荷小于門(mén)限值時(shí)，機(jī)電管理計(jì)算機(jī)控制貨物掛鉤裝置打開(kāi)，投放吊掛物[5]。因此，通過(guò)從直升機(jī)吊掛起飛、飛行、投放全過(guò)程監(jiān)測(cè)吊掛物的載荷，可以為正常起吊飛行和飛行員調(diào)整飛行姿態(tài)提供參考，在到達(dá)目的地后，實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)化投放，降低人工參與度，保障吊掛飛行安全。當(dāng)前國(guó)外直升機(jī)外吊掛運(yùn)輸應(yīng)用十分廣泛，有直接監(jiān)測(cè)吊掛貨物載荷的手段和方法，而國(guó)內(nèi)主要采用間接的方法監(jiān)測(cè)貨物載荷。本文通過(guò)敘述電阻應(yīng)變式測(cè)力傳感器的工作原理，將直升機(jī)貨物掛鉤裝置中的承載軸銷設(shè)計(jì)為5 t量程的高可靠性四余度一體化測(cè)力傳感器，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)吊掛貨物載荷[6]，綜合誤差不大于1%F.S.，并給出設(shè)計(jì)方法，為其他量程的測(cè)力傳感器設(shè)計(jì)提供參考。

1 測(cè)力傳感器工作原理

測(cè)力傳感器為電阻應(yīng)變式測(cè)力傳感器，由產(chǎn)生彈性變形的彈性體、感知變形并轉(zhuǎn)化為電阻變化的電阻應(yīng)變計(jì)、將電阻變化轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)的惠斯通電橋等組成。當(dāng)?shù)鯍熵浳锖?，貨物的重量通過(guò)吊掛投放機(jī)構(gòu)作用于測(cè)力傳感器，引起測(cè)力傳感器的彈性體產(chǎn)生應(yīng)變，進(jìn)而使粘貼在彈性體上應(yīng)變計(jì)的敏感柵變形，粘貼于測(cè)力傳感器彈性體不同敏感部位的4支應(yīng)變計(jì)組成的惠斯通電橋?qū)?yīng)變計(jì)電阻變化轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)[7]，如圖1和式(1)所示，即當(dāng)測(cè)力傳感器感受到吊掛載荷時(shí)，惠斯通電橋輸出一個(gè)與吊掛載荷呈線性關(guān)系的電壓信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)吊掛載荷的測(cè)量。

圖1 惠斯通電橋

(1)

2 測(cè)力傳感器設(shè)計(jì)

根據(jù)直升機(jī)外吊掛的具體結(jié)構(gòu)和使用工況，將貨物掛鉤裝置中吊掛投放機(jī)構(gòu)與承載梁的連接軸銷設(shè)計(jì)為測(cè)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(cè)力傳感器的彈性體，當(dāng)貨物掛鉤裝置上掛載貨物時(shí)，貨物的重量通過(guò)吊掛投放機(jī)構(gòu)傳遞至測(cè)力傳感器上，再經(jīng)由測(cè)力傳感器傳遞至承載梁，在此過(guò)程中測(cè)力傳感器可以測(cè)出貨物的載荷，節(jié)省空間和自身重量，載荷監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確。以下將從彈性體設(shè)計(jì)、應(yīng)變計(jì)選擇、靈敏度計(jì)算、供橋電壓設(shè)計(jì)、橋路設(shè)計(jì)和橋路補(bǔ)償方法等方面對(duì)測(cè)力傳感器進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1 彈性體設(shè)計(jì)

2.1.1 彈性體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)測(cè)力傳感器的工作原理，彈性體采用了經(jīng)典的軸銷剪切梁式結(jié)構(gòu)，如圖2所示。此種結(jié)構(gòu)的測(cè)力傳感器具有精度高、工藝成熟、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于測(cè)力傳感器的設(shè)計(jì)中[8]。

圖2 彈性體結(jié)構(gòu)

2.1.2 彈性體材料的選擇

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

2.1.3 彈性體強(qiáng)度分析

彈性體的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，使用ANSYS軟件對(duì)彈性體進(jìn)行強(qiáng)度分析計(jì)算[9]。按照實(shí)際工況環(huán)境，對(duì)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(duì)彈性體兩邊上端與吊掛投放機(jī)構(gòu)接觸的上半圓施加載荷，按4.9×104N(5 t)進(jìn)行分析計(jì)算。彈性體網(wǎng)格劃分、約束和載荷添加、應(yīng)力分布情況如圖3所示。

圖3 彈性體分析圖

通過(guò)靜力學(xué)仿真分析，彈性體在4.9×104N載荷下的等效應(yīng)力為σmax=577.17 MPa，而彈性體所選用的05Cr17Ni4Cu4Nb材料σ0.2≥1176 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于彈性體上的最大等效應(yīng)力，安全系統(tǒng)n=σ0.2/σmax≈2.04>1.5,滿足吊掛強(qiáng)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(jié)果可知，彈性體在使用載荷下的最大形變?yōu)?.025 mm，不會(huì)對(duì)貨物掛鉤裝置的正常工作產(chǎn)生影響，故彈性體的剛度滿足使用要求。

2.1.5 彈性體應(yīng)變區(qū)分析

給彈性體施加4.9×104N載荷時(shí)，應(yīng)變區(qū)應(yīng)力分布均勻，大小為200～210 MPa，滿足測(cè)力傳感器設(shè)計(jì)要求，應(yīng)力分布如圖5所示。

圖5 應(yīng)變區(qū)應(yīng)力分布

2.2 應(yīng)變計(jì)選擇

根據(jù)彈性體的材料、受力形式和貼片區(qū)尺寸大小，應(yīng)變計(jì)選擇中航電測(cè)儀器股份有限公司生產(chǎn)的雙柵應(yīng)變計(jì)BE350-6HA-E(11)，兩柵互相垂直，可以測(cè)量剪切應(yīng)力。該應(yīng)變計(jì)為聚酰亞胺基底、康銅箔制成的全密封結(jié)構(gòu)，具有溫度自補(bǔ)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(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)彈性體受力應(yīng)變的感知。

2.3 靈敏度計(jì)算

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

(2)

代入數(shù)值，測(cè)力傳感器靈敏度S為2.04～2.14 mV/V，取測(cè)力傳感器靈敏度S為2.1±0.1 mV/V。

2.4 供橋電壓設(shè)計(jì)

供橋電壓較低時(shí)，靈敏度輸出較小，供橋電壓過(guò)高時(shí)，雖然靈敏度輸出增大，但會(huì)使應(yīng)變計(jì)的工作性能變差，滯后和蠕變?cè)龃?，并產(chǎn)生較大的零點(diǎn)漂移。為了得到理想效果，對(duì)供橋電壓進(jìn)行分析計(jì)算，影響供橋電壓的因素有應(yīng)變計(jì)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(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行供橋電壓計(jì)算，計(jì)算公式為

(3)

2.5 橋路設(shè)計(jì)

為提高測(cè)力傳感器的可靠性，采用四余度設(shè)計(jì)[11]，貼片位置如圖6所示。根據(jù)彈性體的受力情況，圖6所示應(yīng)變計(jì)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(huì)造成貨物掛鉤裝置中電動(dòng)側(cè)板和手動(dòng)側(cè)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(cè)量誤差，四路橋路按圖7所示進(jìn)行組橋。

圖7 四路組橋圖

2.6 橋路補(bǔ)償方法

2.6.1 零點(diǎn)輸出補(bǔ)償

根據(jù)測(cè)力傳感器工作原理，由式(1)可知，在無(wú)載荷時(shí)，測(cè)力傳感器的輸出信號(hào)應(yīng)為0，但由于各應(yīng)變計(jì)之間電阻值的差異以及生產(chǎn)工藝造成測(cè)力傳感器的輸出不為0，需要對(duì)測(cè)力傳感器的輸出零位進(jìn)行補(bǔ)償。

測(cè)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(zhǎng)度的錳銅線R0，使R2R4-(R1+R0)R3=0，對(duì)零點(diǎn)輸出進(jìn)行補(bǔ)償。反之，若U0<0，即R2R4-R1R3<0，可在橋臂Ⅱ中串入一定長(zhǎng)度的錳銅線R0，使(R2+R0)R4-R1R3=0，對(duì)零點(diǎn)輸出進(jìn)行補(bǔ)償[13]。

在橋臂上Ⅰ或Ⅱ處串聯(lián)的康銅線，采用雙線無(wú)感繞法繞好，經(jīng)老化處理后，再接入測(cè)力傳感器電橋[13]?？点~線長(zhǎng)度L的計(jì)算公式為

(3)

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

測(cè)出各路測(cè)力傳感器的輸入阻抗和零點(diǎn)輸出，按式(3)計(jì)算出康銅線長(zhǎng)度L，對(duì)零點(diǎn)輸出進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償后應(yīng)在±0.5 mV范圍內(nèi)。

2.6.2 零點(diǎn)溫度漂移補(bǔ)償

經(jīng)過(guò)零點(diǎn)輸出補(bǔ)償后，測(cè)力傳感器在常溫下為0，但使用環(huán)境為-55～+70 ℃，由于電阻應(yīng)變計(jì)電阻溫度系數(shù)的分散和彈性元件材料與應(yīng)變計(jì)電阻材料熱膨脹系數(shù)的不同，會(huì)引起不同溫度下零點(diǎn)漂移[12]。此外，應(yīng)變計(jì)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(diǎn)質(zhì)量?jī)?yōu)劣不同、引出線的長(zhǎng)短不同等因素都會(huì)引起零點(diǎn)溫度漂移[13]。

零點(diǎn)溫漂可以認(rèn)為是由于4個(gè)橋臂的電阻溫度系數(shù)不一致所引起的，于是可以在某一橋臂中串聯(lián)一個(gè)溫度系數(shù)較大的康銅電阻線，以提高該橋臂總的電阻溫度系數(shù)[14]。在圖1橋臂上Ⅲ或Ⅳ處串聯(lián)一定長(zhǎng)度的康銅線L，使其達(dá)到平衡。當(dāng)零位在高溫側(cè)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(dāng)零位在低溫側(cè)時(shí)相反?？点~線長(zhǎng)度計(jì)算公式為

(4)

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

測(cè)出各路測(cè)力傳感器的輸入阻抗和零點(diǎn)漂移，按式(4)計(jì)算出康銅線長(zhǎng)度L，對(duì)零點(diǎn)高溫溫度漂移進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償后零點(diǎn)溫度漂移應(yīng)小于0.05%F.S./10 ℃。零點(diǎn)低溫溫度漂移補(bǔ)償方法和要求與零點(diǎn)高溫溫度漂移補(bǔ)償相同。

2.6.3 靈敏度溫度補(bǔ)償

環(huán)境溫度升高(或降低)時(shí)，彈性元件材料的彈性模量會(huì)降低(或升高)，靈敏度會(huì)增大(或減小)，造成測(cè)力傳感器靈敏度誤差[15]。因此，在測(cè)力傳感器靈敏度增大(或減小)的同時(shí)，使電橋電路的實(shí)際供橋電壓也與之成比例減小(或增大)，保持供橋電壓與實(shí)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(jì)算公式為

圖8 串入鎳電阻位置

(5)

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

測(cè)出各路測(cè)力傳感器的常溫、高溫的靈敏度，輸入阻抗，按式(5)計(jì)算出Rmt，對(duì)高溫靈敏度進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償后靈敏度溫度漂移應(yīng)小于0.1%F.S./10 ℃。低溫靈敏度補(bǔ)償方法和要求與高溫靈敏度補(bǔ)償相同。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與誤差分析

3.1 實(shí)驗(yàn)方法

常溫測(cè)試時(shí)，將測(cè)力傳感器通過(guò)工裝安裝在測(cè)力機(jī)上，連接好測(cè)試設(shè)備，系統(tǒng)初始化后，按1000，2000，3000，4000，5000 kg共5個(gè)加載點(diǎn)依次進(jìn)行3次進(jìn)程和回程加載，記錄各加載點(diǎn)輸出值。高溫70 ℃和低溫-40 ℃測(cè)試時(shí)在帶高低溫箱的測(cè)力機(jī)上進(jìn)行，方法與常溫測(cè)試相同。

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

常溫性能測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 常溫性能測(cè)試數(shù)據(jù)

采用端點(diǎn)法對(duì)常溫測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，非線性為0.287%F.S.，重復(fù)性為0.08%F.S.，滯后為0.146%F.S.，綜合誤差為0.331%F.S.。

對(duì)高低溫下的試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，高溫下非線性為0.323%F.S.，重復(fù)性為0.119%F.S.，滯后為0.265%F.S.，溫度對(duì)零點(diǎn)輸出的影響為0.042%F.S./10 ℃，溫度對(duì)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(fù)性為0.08%F.S.，滯后為0.107%F.S.，溫度對(duì)零點(diǎn)輸出的影響為0.029%F.S./10 ℃，溫度對(duì)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(yàn)證結(jié)果

通過(guò)常溫、高溫、低溫試驗(yàn)測(cè)試，測(cè)力傳感器的綜合誤差均小于1%F.S.，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)直升機(jī)外吊掛的具體結(jié)構(gòu)和使用工況，將貨物掛鉤裝置中的承載軸銷設(shè)計(jì)為5 t量程的測(cè)力傳感器，綜合誤差小于1%F.S.，實(shí)現(xiàn)外吊掛載荷的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。其他量程的測(cè)力傳感器可以依據(jù)電阻應(yīng)變式測(cè)力傳感器工作原理，參照本文所述彈性體設(shè)計(jì)、應(yīng)變計(jì)選擇、靈敏度計(jì)算、供橋電壓設(shè)計(jì)、橋路設(shè)計(jì)、橋路補(bǔ)償?shù)姆椒ㄟM(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計(jì)，滿足不同直升機(jī)對(duì)吊掛載荷監(jiān)測(cè)的需求，保障直升機(jī)吊掛飛行安全。