非接觸式位移測量的設計與實現

張 寧，鄭 瑤，張佳斌，張順利，趙俊東

（中國飛機強度研究所，陜西?西安?710065）

飛行器結構強度試驗中，試驗件不同部位的位移形變是直接反映試驗件結構強度的重要參數，比如C919大型客機在全機2.5g機動平衡工況極限載荷靜力試驗中，其翼尖的最大變形接近3m[1]。

針對結構強度試驗位移測量，非接觸式測量設備往往具有價格昂貴、操作不易[2～4]等特點，現仍多采用接觸式測量，如千分表、拉線式位移計、頂桿式位移計，其都要與試驗件有直接的接觸連接。當大型試驗需要大量的位移測量點時，造成了位移計安裝的困難，有些甚至造成測量設備與加載設備的干擾，影響了加載的準確性。

本文利用非接觸式位移測量技術，以最小的成本設計適用于結構強度試驗的位移測量系統，保證位移測量準確度的同時，減少測量設備與加載設備之間的干擾。

1??非接觸位移測量原理

采用非接觸式的測量方法，需要測量系統所發出的信號在介質中指向性要好，并具有較強的穿透力、體積盡量小的特點，故本文采用超聲波測距方式。超聲波在介質傳播過程中，能產生機械作用，遇到障礙物后，能很好地反射回來，便于測量。

本文采用超聲波回聲測量法。測量系統發出超聲波信號，同時開始計時。超聲波遇到障礙物后返回，測量系統接收到返回的超聲波信號時，停止計時，所計的時間與所測量的距離成正比，即測得超聲波在測量系統與被測物體之間的往返時間，便可計算出所要測的距離[5]。

非接觸式位移測量的基本原理如圖1所示。D為被測距離，S為超聲波在介質中傳輸的單向距離，M為發送探頭與接收探頭之間距離的一半。

圖1 測距原理圖

其中，

則超聲波在介質中傳播的距離為：

v為超聲波在介質中的傳播速度，t為超聲波的傳播時間，由上式得：

當D遠大于M時，公式可簡化為：

所以，只需要準確測得時間t，就可以換算出所測距離D。

圖2 超聲波信號圖

超聲波測距模塊工作原理如圖2所示，其工作原理如下：

（1）測距系統給超聲波模塊提供測距信號，即觸發信號；

（2）超聲波模塊發出多個連續的高頻方波信號，同時接收置高，并自動檢測是否有超聲波信號返回；

（3）檢測到超聲波信號返回，接收端置低，返回接收端信號置高的時間，并根據公式計算所測距離。

2??軟硬件設計

測量裝置需準確計算出超聲波返回的時間，從而得出障礙物的距離。MCU程序計時器流程圖如圖3所示，通過MCU內部的計時器，根據超聲波信號的回響信號，準確計算出超聲波在空氣中傳播的時間。

圖3 軟件流程圖

測距裝置核心部分為MCU單片機，通過數碼管顯示所測距離，通過蜂鳴器報警距離超出設定值。硬件電路如圖4所示。

圖4 硬件電路圖

3??驗證與誤差分析

采用本文所設計的非接觸式測距裝置與精度系數0.3的位移計測試結果相比較，其結果如表1所示。

表1 測試結果

根據表1的測試結果，本文所設計的非接觸式測距裝置滿足試驗的精度要求，并簡化了位移測量的安裝工作量。針對被測試驗件的位移變化范圍，本文所設計的非接觸測量裝置可以設定其內部參數，保證在此范圍內的高精度。

但所設計的測距裝置仍然存在一部分誤差，造成非接觸測距系統的測量誤差的主要原因包括：

（1）在超聲波發射和開始定時器計時之間的偏差，此偏差是不可避免的先后順序誤差，超聲波發射和開始計時之間肯定存在時間的偏差，但這種微小的偏差影響不到總體的時間偏差，可以忽略這種微小變化的偏差。若需要將其微小偏差消除，可以在單片機中加快指令的輸入來消除此偏差[6]。

（2）當超聲波被反射回接收器和被檢測出的輸出信號存在滯后誤差，此誤差主要是因為反射回來的超聲波在進入到檢測電路，跟檢測電路的靈敏度有著一定的關聯。檢測電路靈敏度的高低，會有一些干擾信號在其反射波中，使測量出的距離產生誤差。

（3）單片機使用的計時器本身的誤差，此誤差的產生主要來于晶體振蕩器，需要選取合適的晶體振蕩器，減少計時中的量化誤差。

（4）溫度對超聲波測距產生的誤差。溫度產生的誤差，主要來源于外界環境的溫度影響。如果室內外溫度差異不大，可不進行溫度補償；若外界溫度差異較大，應該對其進行溫度補償，從而減少溫度產生的誤差。

4??結語

在飛機結構強度試驗中，需大量的位移測量數據，本文針對目前的位移測量問題，利用非接觸式測距技術，設計了一種非接觸式的位移測量裝置，在保證了位移測量精度的前提下，簡化了位移測量設備的安裝工作。