一種測量液壓阻尼器軸向位移的方法

劉公俊

摘 要

為提高飛行測試安全，滿足測試需要，設計了基于激光鼠標傳感器的非接觸式位移測量系統。給出了測量系統的硬件和軟件總體設計，系統以ADNS-9800激光鼠標傳感器為核心，對阻尼器的軸向位移進行實時測量；以8051核微處理器STC15W1K16S為控制核心，實現測量數據的傳輸和激光鼠標傳感器的上電復位控制。實驗證明，該系統的測量誤差在0.2%以內，能夠滿足飛行測試的要求。

【關鍵詞】飛行測試 激光鼠標傳感器 位移測量

直升機安裝液壓阻尼器的主要目的是為了增加系統穩定性，尤其是消除地面共振的影響。但同時因為阻尼器安裝在槳轂和槳葉根部之間，導致槳葉的擺振、揮舞和變距運動產生的動載荷通過阻尼器作用與槳轂和槳葉根部。這種動載荷對旋翼系統的壽命和強度都有極為不利的影響。因此準確測量液壓阻尼器的動載荷是保證直升機旋翼系統安全可靠工作的重要方法。

而由文獻[2]可知作用在阻尼器上的動載荷與阻尼器的軸向位移存在直接關系，因此可以通過軸向位移量表征動載荷大小。常見的位移測量方法有激光測量、拉繩電位器測量和光電編碼測量等，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動，要么需要反光板這類在高速旋轉運動中易損壞的物件。因而在實際測量中都因會威脅直升機飛行安全而被舍棄。

本文提出基于圖像處理技術的非接觸式位移測量方法，該方法使用激光鼠標傳感器，直接獲取阻尼器拉桿的表面圖像，通過特征點比較計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試系統的安全性。

1 激光鼠標傳感器的位移測量原理

激光鼠標傳感器主要組成部件是垂直腔面發射激光器（VCSEL：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）、圖像獲取器（IAS：Image Acquisition System）和數字信號處理器（DSP：Digital Signal Processor）。VCSEL用于發射激光照亮被測物表面。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行良好，還能在像玻璃這樣的光滑表面獲得精確的位移數據。高速攝像機用于連續捕捉相對運動中的被測物表面圖像，然后將這一系列圖像傳遞給DSP處理，DSP通過對比相鄰圖像的相同特征獲取物體移動距離和方向。

如圖1所示，對比長，寬為25.4mm（約等于1英寸）的相鄰兩張照片中相同的特征點，可以計算出被測物移動了N個像素點。然后根據傳感器的固有屬性則可以計算出被測物體的相對位移，如公式1所示。

式中，K是常數，可由傳感器固有特性給出，X表示25.4mm長度上的像素點數， N表示特征點移動的像素間隔。

2 位移測量系統的硬件設計方案

阻尼器軸向位移測量系統的總體硬件設計方案如圖2所示，微處理器作為控制核心，主要功能是從激光鼠標傳感器中提取位移信息，并將計算后的位移信息通過RS232 總線提供給終端的數據采集器。USB接口主要用于對測量系統的調試和在線編程。

2.1 激光鼠標傳感器外圍電路設計

衡量激光鼠標傳感器工作性能的指標主要是幀速率和分辨率兩個參數，幀速率決定了傳感器能夠測量的最高速度，被測物體的運動速度如果超過這個上限，傳感器就無法測量其位移。分辨率表示每英寸長度內的像素點數，它決定了測量系統的分辨力。

安華高的ADNS-9800激光鼠標傳感器，分辨率達到8200dpi，幀速率更是達到12000fps，也就是說傳感器能夠感知的速度上限為3.8m/s。ADNS-9800自帶內部時鐘，因此無需外部時鐘信號，其外圍電路如圖3所示。ADNS-9800擁有46個內部寄存器，它們被用于存儲位移參數和傳感器狀態參數。通過同步串行接口（SPI： Serial Peripheral Interface）對寄存器進行讀寫操作，可以實現對傳感器的控制。

2.2 微處理器外圍電路設計

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位和外部晶振，采用寬電壓設置，不用擔心電源電壓抖動；擁有3個定時/計數器，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。

因為微處理器串口電壓與標準RS232總線電壓不一致，所以采用SP3232芯片用于電平轉換。同時為便于微處理器與計算機連接以實現在線編程和程序燒錄，采用PL2303芯片實現串口至USB端口的電平轉換，不過PL2303芯片需要外接晶振。

3 位移測量系統的軟件設計

系統的軟件流程如圖5所示，系統上電啟動后，微處理器進行初始化，ADNS-9800傳感器軟件復位，傳感器開始測量位移并將數據存入對應寄存器，采集完成標志位置“1”，觸發微處理器外部中斷，讀取傳感器的位移數據，采集完成標志位清零，微處理器最后將位移數據寫入總線串口寄存器。

4 實驗結果分析

阻尼器軸向位移測量系統的標定設備選用千分尺，如圖6所示為設備安裝示意圖，其中D為傳感器感光鏡頭距離被測物表面的距離，S表示測量系統零位時千分尺測微螺桿的伸長量，在實驗中D固定為1cm，S初始值為10mm。測量系統標定數據如表1所示。數據表明阻尼器軸向位移測量系統在測量位移時的絕對誤差在0.02mm以內，能夠滿足飛行測試的精度要求。

5 結論

以ADNS-9800激光鼠標傳感器為核心的測量系統能夠實現非接觸式測量，體積小，功耗低，精度高，并且對被測物表面沒有特殊要求。以STC15W1K16S為控制核心，減少外圍復位和晶振電路，實現測試數據的高速傳輸。實驗證明該系統可以滿足飛行測試的需要，實現高精度的位移測量。

參考文獻

[1]胡國才，向錦武，張曉谷.幾何耦合對直升機槳葉液壓減擺器等效線性阻尼的影響研究[J].應用數學和力學，2002，23（08）：819-826.

[2]胡國才，柳泉，羅云寶.直升機旋翼液壓阻尼器的動載荷分析[J].應用力學學報，2014，31（01）：105-109.

[3]原相科技股份有限公司.ADNS-9800產品手冊[DB/OL].http：//www.pixart.com.tw/upload/ADNS-9800%20DS_S_V1.0_20130510163600.pdf

[4]宏晶科技公司.STC15W1K16S產品手冊[DB/OL].http：//www.stcmcu.com/ datasheet/stc/STC-AD-PDF/STC15.pdf