新型鋼索張力測量裝置的設計與實現

童建春 馬余才 黃漢超

摘? 要：針對目前直升機尾槳操縱鋼索張力測量設備誤差大、操作不便的問題，利用“三點彎曲法”模型將鋼索張力測量轉換成對測量點壓力和位移的測量，然后利用測量電路測量壓力和位移量，并換算成鋼索張力計，通過標定對設備進行校正，經檢測該設備在測量鋼索張力時精度較高。

關鍵詞：鋼索張力測量? 三點彎曲法? 測量電路

直升機腳操縱系統控制直升機尾槳槳距，用于平衡旋翼反作用力距和實現對飛行過程中航向的控制，是直升機操縱系統的重要組成部分。直升機腳操縱系統通常采用硬式操縱（操縱拉桿、助力器）和軟式操縱（助力器、操縱鋼索）。在軟式操縱中采用尾槳操縱鋼索傳遞尾槳變距所需的操縱力，直升機尾槳操縱鋼索的張力的大小也直接影響到飛行員的操縱感覺，因此在直升機維修過程中需要檢查鋼索張力計，目前直升機尾槳操縱鋼索張力測量設備落后，存在測量結果誤差大收斂性差、無法直接讀取鋼索張力值等問題，本文根據張力測量模型研制一種新的鋼索張力測量設備，提高直升機尾槳操縱鋼索測量精度。

1? 鋼索張力測量力學模型的建立

鋼索張力在線測量的原理是利用 “三點彎曲法”原理將鋼索的張力測量轉變為對測量點壓力的測量。具體的方法是：利用測量裝置上三個接觸滾輪（即滾輪A、滾輪B、滾輪C）與鋼索接觸，如圖1所示。在測量過程中，通過給滾輪C一個向滾輪A和滾輪B的的位移，使滾輪C向滾輪A和滾輪B的方向壓縮鋼索，假設：滾輪C位移量為δ，滾輪C對鋼索的壓緊力為P，如果不考慮滾輪對測量段鋼索產生局部彎矩的情況下，鋼索上的張力T可以近似表達為：

上式中的P為滾輪C對鋼索的壓緊力（即：鋼索對C滾輪的反作用力），δ為C滾輪的相對位移，l為A，B兩個滾輪之間的距離。

在實際測量過程中，如果不考慮局部彎矩的影響，會導致測量誤差較大，因此在計算時還需要考慮局部彎矩，具體如圖2所示：

式11可應用于鋼索靜態張力測量。利用以上的數學模型就可以將鋼索張力測量轉化為壓力、位移以及長度的測量。在這些測量值中，長度在設計時就可直接給定，位移量可以在設計給定出C輪運動的距離，因此測量的關鍵就是測量C輪的壓力值。

2? 鋼索張力測量裝置的電路設計

C輪的壓力值采用電阻應變式壓電傳感器進行測量。電阻應變式壓電傳感器已經廣泛應用于力學測量設備中。電阻應變式傳感器輸出微弱的電信號，該信號需要進行放大，為此電路使用兩級運算放大電路對信號進行放大，第一級選用儀表放大器，第二級選用低失調精密運算放大器。電阻應變式傳感器在供橋電壓激勵下輸出的電壓信號經過放大，放大信號在進入A/D轉換之前須進行濾波和負壓保護處理;A/D轉換器選用高精度自校正的差分輸入轉換器，MCU選用單片機技術，用于數據處理和整機的管理，如張力計算、單位轉換、鋼索模式選定，取平均值等。采用LCD作為顯示裝置，顯示張力測量結果（包括5次測量結果和平均值），適用機型、電池電量等信息。

為了影響能夠準確的測量鋼索的張力，消除電源噪聲對系統的，設計鋼索測量裝置時，對測量裝置電源進行了兩級穩壓，并利用加濾波電路進行濾波。

3 鋼索張力測量裝置的標定

為了進一步提高測量設備的測量精度，在設備加工完成后需要對測量精度進行標定，針對鋼索張力測量的特點，可以選取靜態特性標定方法進行標定，首先就是創造一個靜態標準條件，然后按以下步驟進行標定：

（1）將鋼索一端固定在臺架上，另一端下與重量塊相連;

（2）通過不斷的增加重量快來獲取不同的鋼索張力，并利用這些標準值對鋼索張力測量裝置進行標定;

（3）取下重量快，在取下重量塊的過程中再次利用已知鋼索張力值對鋼索張力測量裝置進行標定;

（4）按（2）、（3）所述過程，對鋼索張力測量設備進行多次修訂，最終完成標定工作。

4 鋼索張力的測量

為了測試鋼索張力測量裝置的精度，采用預測量鋼索下裝標準重量塊的方式進行測量，計量結果如下表所示：

5 測量誤差分析

鋼索張力測量裝置誤差來源主要有隨機誤差和系統誤差，隨機誤差主要在于由于鋼索與測量裝置接觸處不是一個平面而是一個扭轉的鋼索，因此在測量時對壓電傳感器的壓力會存在隨機誤差，為了解決這一問題，采用測量五次平均值的方式來平均隨機誤差的影響。而系統誤差主要來源于鋼索張力測量力學模型的準確性和壓電傳感器測量的精確性，需要在設備研制成功后，對設備進行重新標定，通過標定修正設備的系統誤差。

6 結論

采用“三點彎曲法”力學模型能夠精確的將鋼索張力用測量點的壓力和位移來表述，設備的電子元件能夠測量傳感器的壓力和位移并且能夠計算出鋼索的張力，該設備的研制對提高鋼索在線測量精度，降低維修操作人員工作量具有重大意義。

參考文獻：

[1]姚文斌，程赫明.用“三點彎曲法原理”測定鋼絲繩張力.實驗力學，1998;（1）。

[2]王立新，楊桂生. 鋼索張力測定的研究. 力學與實踐，1998;（2）。

[3]李鳴華，呂振洪，余水寶.鋼索張力智能檢測儀的設計. 儀器儀表學報，2002;（4）。