非侵入式翼傘組提帶張力測量傳感器的設計

摘 要：實時掌握并安全穩(wěn)定地測量翼傘組提帶張力大小，探究組提帶張力與翼傘姿態(tài)的反饋關系，對翼傘研究非常重要。為解決目前翼傘組提帶張力傳感器量程小、結構復雜，以及破壞組提帶結構等問題，本文設計了一種體積小、易于安裝和拆卸、對翼傘組提帶結構無破壞的雙臂梁旁壓式大量程張力傳感器。本文使用SolidWorks對傳感器彈性體進行建模，并使用ANSYS有限元分析軟件對其進行靜力學分析與模態(tài)仿真分析，通過分析結果對傳感器彈性體模型的結構進行調(diào)整優(yōu)化，從理論上證明傳感器彈性體結構設計的合理性。設計了以STM32為主控芯片的信號采集系統(tǒng)，完成張力信號的采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)存儲等功能。使用拉力機對設計的翼傘組提帶張力傳感器實物進行多次測試，試驗結果表明所設計的張力傳感器具有高結構強度、高精度、良好的線性度以及重復性，滿足對翼傘組提帶張力的無損測量需求。

關鍵詞：翼傘組提帶； 張力傳感器； 有限元分析； 模態(tài)分析； 信號采集系統(tǒng)

中圖分類號：TP212 文獻標識碼：A DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2024.03.010

基金項目： 航空科學基金（20182952029）

航空科技發(fā)展水平是體現(xiàn)一個國家綜合國力的重要標志之一[1]，翼傘的研制也是航空科技發(fā)展中不可或缺的一環(huán)。翼傘是一種新型的可控飛行器，從民用的高空跳傘等休閑娛樂活動到軍事任務中的物資人員投送，甚至在更高空的航天任務中，都有著翼傘的身影[2]。組提帶是翼傘系統(tǒng)中用來連接背帶與傘體之間的承力傘帶。在翼傘打開瞬間以及飛行過程中，組提帶將受到較大的張力，并且有多種因素影響組提帶的張力，如翼傘的形狀、翼傘的飛行姿態(tài)以及其所處環(huán)境的溫度、氣壓、風向等[3]。因此，實時檢測翼傘組提帶所受張力大小成為翼傘結構設計以及安全性設計中一個重要的因素[4]。

目前，市場上對帶狀紡織物進行無損張力測量的傳感器非常稀少，如美國MEAS公司生產(chǎn)的EL20-S458型汽車安全帶張力傳感器以及日本KYOWA公司生產(chǎn)的LBT-A-20KNSA1汽車安全帶張力傳感器。這兩種張力傳感器具有精度高、溫漂小等優(yōu)點，但因其量程較小，無法應用到空投的翼傘組提帶上。在國內(nèi)，南京航空航天大學程遠璐[5]與馬敏毓等[6]分別研制出了小量程和大量程兩款組提帶張力傳感器，這兩款傳感器因結構復雜、加工難度大等缺點，難以大面積推廣使用。因此，本文根據(jù)翼傘組提帶扁、平、寬的特點，設計出一款量程大、精準度高且可在翼傘飛行的特殊工作環(huán)境下正常運行的非侵入式張力傳感器。該傳感器具有體積小、重量（質量）輕、結構簡單、易拆卸和不破壞組提帶等特點。

1 傳感器彈性體結構設計

本文設計的傳感器采用旁壓式測量原理。傳感器彈性體受組提帶張力的作用，會在受力梁兩側分別產(chǎn)生拉伸及壓縮形變，在應變較大區(qū)域粘貼電阻應變片，從而完成力學量到電學量的轉換采集。

本文設計的平行梁旁壓式傳感器結構如圖1所示。該傳感器采用分體式中心對稱結構，由兩個受力梁和三個受力柱組成，兩個受力梁通過三根受力柱連接，并且兩個受力梁通過挖孔的方法增大該段截面的最大應變用以粘貼應變片。該結構不會破壞翼傘組提帶的完整性，可實現(xiàn)無損測量；而且中心對稱式的結構設計不會因傳感器抖動等因素而產(chǎn)生重心偏移，從而提高了張力測量的準確性。具體使用時，可以將受力柱1與受力柱3取下，將組提帶以倒Ω的形狀放入傳感器中，再將取下的受力柱安裝上即可進行組提帶張力的測量，如圖2所示。為了不影響翼傘飛行安全，傳感器應體積小巧，經(jīng)過多次結構優(yōu)化，最終尺寸為86mm×69mm×20mm。

張力傳感器的滿量程為25000N，為保證應變片產(chǎn)生足夠的應變，對彈性體的設計應遵循應力集中原則。

工程結構中，有很多部件會受到重復沖擊載荷的作用，這些結構在重復沖擊載荷作用下，最終會失效破壞[7]，當翼傘張開瞬間，安裝在組提帶上的傳感器同樣會受到較大沖擊載荷，因此為了不損壞傳感器，保證傳感器的使用壽命，用于傳感器的材料通常應能承受較大的沖擊力，同時材料應有良好的耐疲勞性。綜合考慮各種材料參數(shù)對傳感器測量的影響，選用具有高彈性極限和彈性模量的40CrNiMo，該材料的泊松比為0.3，彈性模量為210GPa，屈服強度為 850MPa。40CrNiMo由于其優(yōu)異性能，常被用在各種大量程力學傳感器上[8]。

2 傳感器彈性體有限元分析

2.1 靜力學分析

靜力學分析的結果正確與否取決于能否正確地對所要分析的模型施加約束與載荷[9]，因此在進行靜力學分析之前，需建立力學結構模型。圖3所示為傳感器的受力模型。

本文設計的傳感器測張力的方法是將應變片粘貼在傳感器應變集中且大小合適的位置。這種方法的原理是當翼傘組提帶產(chǎn)生張力時，安裝在組提帶上的張力傳感器的受力柱會產(chǎn)生擠壓，從而帶動傳感器的受力梁以及粘貼在受力梁上的應變片產(chǎn)生應變。根據(jù)金屬導體的應變效應，應變片的阻值會產(chǎn)生線性變化，從而打破平衡狀態(tài)的惠斯通電橋，使電橋產(chǎn)生電壓輸出[11]。根據(jù)電壓—張力的變化關系，得出翼傘組提帶的張力值。

當組提帶繃緊時，組提帶會對傳感器的三根受力柱產(chǎn)生徑向壓力，進而帶動受力梁產(chǎn)生相應的形變，根據(jù)式（1）、式（2），計算出當張力達到最大時，三根受力柱所受力的大小，分別在三根受力柱上施加計算得到的載荷大小，在傳感器的受力柱2的兩側添加固定約束，完成以上步驟后進行靜力學分析求解，得到等效應力、等效應變分布云圖，分別如圖4和圖5所示。

由圖4可以看出，傳感器所受最大應力大小為700.65MPa，比所選材料40CrNiMo 的屈服強度要小150MPa 左右，理論上此材料能夠滿足張力測量范圍。

由圖5可以看出，傳感器彈性體的應力集中區(qū)在傳感器受力梁兩側的黃色部分，該區(qū)域約為2396με，理論上應變片粘貼處能達到2000με即可滿足傳感器的測量需求。從現(xiàn)實考慮，若將應變片粘貼于上述位置，外界干擾會對應變片組成的電橋電路產(chǎn)生干擾，導致電橋無法處于平衡狀態(tài)，從而使傳感器的穩(wěn)定性大大降低。圖5中傳感器的4個開孔位置的底部也符合應力集中原則，達到了1985με，符合傳感器的設計要求，若將應變片粘貼于此處，再將孔洞密封，即可將應變片與外界隔絕，大大提高傳感器的抗干擾能力，從而使傳感器的測量穩(wěn)定性大大提高。因此，相較于在受力梁上粘貼應變片，將應變片粘貼于孔洞底部更合適。

2.2 模態(tài)分析

在翼傘降落過程中，張力傳感器會受到組提帶上張力的影響而產(chǎn)生振動，若兩者的振動頻率相同或非常接近，則傳感器與組提帶之間會產(chǎn)生共振現(xiàn)象[12]，這不僅會對張力傳感器的耐用性產(chǎn)生巨大影響，還會給翼傘飛行帶來巨大的安全隱患[13]。因此，對傳感器結構進行模態(tài)分析是傳感器設計中必不可少的步驟。圖6～圖8分別給出了張力傳感器的前三階振型圖。

由圖6～圖8可以看出，傳感器前三階的振動頻率分別為2093.8Hz、3343.6Hz和3606.1Hz，隨著階數(shù)的增加，傳感器的固有頻率也會增加。因為翼傘組提帶為纖維織物，其固有頻率遠低于傳感器的固有頻率，所以該傳感器不會與組提帶之間產(chǎn)生共振現(xiàn)象，這保證了傳感器的耐用性和翼傘飛行的安全性。

3 傳感器測量電路及采集系統(tǒng)的設計

3.1 傳感器測量電路的設計

此即為測量電路輸出電壓，將輸出信號進行放大后，經(jīng)模數(shù)轉換器（ADC）將模擬信號轉化為數(shù)字信號后再送至處理器處理。

3.2 信號采集系統(tǒng)的設計

翼傘組提帶張力傳感器信號采集系統(tǒng)主要完成張力信號的采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)存儲等功能。它主要包括主控芯片、放大電路、存儲模塊、穩(wěn)壓電路等部分，其原理框圖如圖10所示。

張力信號采集系統(tǒng)采用低功耗、抗干擾能力強的32位微處理器STM32作為系統(tǒng)的主控芯片，可以將放大后的電信號通過串口發(fā)送到上位機，以便后續(xù)的信號處理。該系統(tǒng)可將放大過后的電信號轉換成所測量的組提帶張力值，并將所采集到的張力值通過串行外設接口（SPI）的方式以純文本文件（CSV）格式實時存儲到微型快閃存儲器卡（TF）內(nèi)或通過串口傳輸?shù)缴衔粰C。可以通過數(shù)據(jù)線將采集系統(tǒng)中的通用數(shù)據(jù)總線接口（USB）與個人電腦（PC）連接來查看TF卡中的數(shù)據(jù)。

4 傳感器測試

上述翼傘組提帶張力傳感器設計完成后，通過試驗來測試所設計張力傳感器的性能。性能指標主要為線性度和重復性，線性度是反映試驗曲線與擬合直線之間偏離程度的指標，其計算公式為

使用最大拉力為100kN的拉力機進行試驗。該拉力機量程遠大于所測張力傳感器的量程，可以確保拉力機輸出精確的拉力值。

試驗開始時，翼傘組提帶以Ω形穿過張力傳感器，并通過拉力機的夾持裝置將組提帶的兩端固定。使用與拉力機相匹配的上位機控制拉力機對組提帶的拉伸，使組提帶產(chǎn)生張力并作用于張力傳感器上。通過與傳感器匹配的帶信號放大的信號采集電路板采集傳感器的輸出電壓值。

整個試驗過程中由拉力機拉伸組提帶。拉力從0加載至滿量程代表一次完整的測量。拉力機從0開始以5000N的差值遞增，直到加載至25kN，共分為6個數(shù)據(jù)點，依次記錄每個數(shù)據(jù)點所對應的經(jīng)放大270倍后的傳感器輸出的電壓值。共測三組數(shù)據(jù)，其部分數(shù)據(jù)見表1，其中T為組提帶張力，U1、U2、U3分別為第1、第2、第3次試驗所測得的電壓值。張力—電壓對應曲線圖如圖11所示。

三次試驗數(shù)據(jù)的最大誤差分別為286N、268N和248N，滿足張力傳感器系統(tǒng)的設計要求。

5 結論

通過研究，可以得出以下結論：

（1）本文研制了一種適用于測量翼傘組提帶張力的大量程傳感器。該傳感器不會影響翼傘飛行安全性，并且該傳感器中心對稱式的結構不會因組提帶繃緊導致傳感器產(chǎn)生抖動而使重心偏移，從而增加了傳感器的精準度和輸出的線性度。

（2）通過對張力傳感器彈性體的靜力學分析，證明了材料選擇的合理性，得到了張力傳感器應變集中區(qū)，確定了應變片粘貼位置。通過對張力傳感器彈性體的模態(tài)分析，得到了傳感器的固有頻率，驗證了張力傳感器結構設計的合理性。

（3）設計了以STM32為主控芯片的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，完成了張力信號的采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)存儲等功能。

（4）將所設計的張力傳感器加工成實物進行了試驗測試，結果表明所設計的傳感器性能符合設計預期。

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Design of Non-invasive Tension Measurement Sensor for the Parachute Lifting Belt

Qi Hexuan1， Guo Ruipeng1， Li Qianqi1， Zhao Min1， Yao Min1， Lu Zhangshu2， Qi Xiaoling2

1. Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing 211106， China

2. AVIC Aerospace Life-Support Industries， Co.， Ltd.， Xiangyang 441100， China

Abstract： It is very important for the parachute study to master in the real time and measure safely and stably the tension of the parafoil group straps， as well as to explore the feedback relationship between the parafoil group straps tension and the parafoil posture. In order to solve the problems such as small range， complex structure and destruction of the structure of parafoil group straps， a large range tension sensor with two-arm beam side pressure was designed to measure the tension of the parafoil group straps， which is non-invasive， small in size， easy to install and disassemble. The sensor elastic body was designed by using SolidWorks， and the finite element simulation of the sensor elastic body was carried out by using ANSYS. Based on the analysis results， the structure of the sensor elastic body is adjusted and optimized， and the rationality of the sensor elastomer structure design is proved theoretically. A signal acquisition system with STM32 as the main control chip is designed to complete the functions of tension signal acquisition， data processing and data storage. A tensile machine was used to test the sensor performance， and the results showed that the designed tension sensor has high structural strength， high accuracy， good linearity and repeatability， which meets the demand for non-destructive measurement of the tension of the parachute lifting belt .

Key Words： parachute lifting belt； tension sensor； finite element analysis； modal analysis； signal acquisition system