一種測(cè)量液壓阻尼器軸向位移的方法

劉公俊

摘 要

為提高飛行測(cè)試安全，滿足測(cè)試需要，設(shè)計(jì)了基于激光鼠標(biāo)傳感器的非接觸式位移測(cè)量系統(tǒng)。給出了測(cè)量系統(tǒng)的硬件和軟件總體設(shè)計(jì)，系統(tǒng)以ADNS-9800激光鼠標(biāo)傳感器為核心，對(duì)阻尼器的軸向位移進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量；以8051核微處理器STC15W1K16S為控制核心，實(shí)現(xiàn)測(cè)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(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)的測(cè)量誤差在0.2%以內(nèi)，能夠滿足飛行測(cè)試的要求。

【關(guān)鍵詞】飛行測(cè)試 激光鼠標(biāo)傳感器 位移測(cè)量

直升機(jī)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(shí)因?yàn)樽枘崞靼惭b在槳轂和槳葉根部之間，導(dǎo)致槳葉的擺振、揮舞和變距運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)載荷通過(guò)阻尼器作用與槳轂和槳葉根部。這種動(dòng)載荷對(duì)旋翼系統(tǒng)的壽命和強(qiáng)度都有極為不利的影響。因此準(zhǔn)確測(cè)量液壓阻尼器的動(dòng)載荷是保證直升機(jī)旋翼系統(tǒng)安全可靠工作的重要方法。

而由文獻(xiàn)[2]可知作用在阻尼器上的動(dòng)載荷與阻尼器的軸向位移存在直接關(guān)系，因此可以通過(guò)軸向位移量表征動(dòng)載荷大小。常見(jiàn)的位移測(cè)量方法有激光測(cè)量、拉繩電位器測(cè)量和光電編碼測(cè)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(yùn)動(dòng)，要么需要反光板這類在高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中易損壞的物件。因而在實(shí)際測(cè)量中都因會(huì)威脅直升機(jī)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(cè)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(guò)特征點(diǎn)比較計(jì)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(cè)試系統(tǒng)的安全性。

1 激光鼠標(biāo)傳感器的位移測(cè)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(hào)處理器（DSP：Digital Signal Processor）。VCSEL用于發(fā)射激光照亮被測(cè)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(yùn)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(jī)用于連續(xù)捕捉相對(duì)運(yùn)動(dòng)中的被測(cè)物表面圖像，然后將這一系列圖像傳遞給DSP處理，DSP通過(guò)對(duì)比相鄰圖像的相同特征獲取物體移動(dòng)距離和方向。

如圖1所示，對(duì)比長(zhǎng)，寬為25.4mm（約等于1英寸）的相鄰兩張照片中相同的特征點(diǎn)，可以計(jì)算出被測(cè)物移動(dòng)了N個(gè)像素點(diǎn)。然后根據(jù)傳感器的固有屬性則可以計(jì)算出被測(cè)物體的相對(duì)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(zhǎng)度上的像素點(diǎn)數(shù)， N表示特征點(diǎn)移動(dòng)的像素間隔。

2 位移測(cè)量系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案

阻尼器軸向位移測(cè)量系統(tǒng)的總體硬件設(shè)計(jì)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(jì)算后的位移信息通過(guò)RS232 總線提供給終端的數(shù)據(jù)采集器。USB接口主要用于對(duì)測(cè)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(jì)

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(gè)參數(shù)，幀速率決定了傳感器能夠測(cè)量的最高速度，被測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)速度如果超過(guò)這個(gè)上限，傳感器就無(wú)法測(cè)量其位移。分辨率表示每英寸長(zhǎng)度內(nèi)的像素點(diǎn)數(shù)，它決定了測(cè)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(dá)到8200dpi，幀速率更是達(dá)到12000fps，也就是說(shuō)傳感器能夠感知的速度上限為3.8m/s。ADNS-9800自帶內(nèi)部時(shí)鐘，因此無(wú)需外部時(shí)鐘信號(hào)，其外圍電路如圖3所示。ADNS-9800擁有46個(gè)內(nèi)部寄存器，它們被用于存儲(chǔ)位移參數(shù)和傳感器狀態(tài)參數(shù)。通過(guò)同步串行接口（SPI： Serial Peripheral Interface）對(duì)寄存器進(jìn)行讀寫(xiě)操作，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器的控制。

2.2 微處理器外圍電路設(shè)計(jì)

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(dòng)；擁有3個(gè)定時(shí)/計(jì)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?yàn)槲⑻幚砥鞔陔妷号c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(shí)為便于微處理器與計(jì)算機(jī)連接以實(shí)現(xiàn)在線編程和程序燒錄，采用PL2303芯片實(shí)現(xiàn)串口至USB端口的電平轉(zhuǎn)換，不過(guò)PL2303芯片需要外接晶振。

3 位移測(cè)量系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件流程如圖5所示，系統(tǒng)上電啟動(dòng)后，微處理器進(jìn)行初始化，ADNS-9800傳感器軟件復(fù)位，傳感器開(kāi)始測(cè)量位移并將數(shù)據(jù)存入對(duì)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(xiě)入總線串口寄存器。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

阻尼器軸向位移測(cè)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(cè)物表面的距離，S表示測(cè)量系統(tǒng)零位時(shí)千分尺測(cè)微螺桿的伸長(zhǎng)量，在實(shí)驗(yàn)中D固定為1cm，S初始值為10mm。測(cè)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(cè)量系統(tǒng)在測(cè)量位移時(shí)的絕對(duì)誤差在0.02mm以內(nèi)，能夠滿足飛行測(cè)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(cè)量系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)非接觸式測(cè)量，體積小，功耗低，精度高，并且對(duì)被測(cè)物表面沒(méi)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(shí)現(xiàn)測(cè)試數(shù)據(jù)的高速傳輸。實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)可以滿足飛行測(cè)試的需要，實(shí)現(xiàn)高精度的位移測(cè)量。

參考文獻(xiàn)

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[3]原相科技股份有限公司.ADNS-9800產(chǎn)品手冊(cè)[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(cè)[DB/OL].http：//www.stcmcu.com/ datasheet/stc/STC-AD-PDF/STC15.pdf