非接触式位移测量的设计与实现

张 宁，郑 瑶，张佳斌，张顺利，赵俊东

（中国飞机强度研究所，陕西 西安 710065）

飞行器结构强度试验中，试验件不同部位的位移形变是直接反映试验件结构强度的重要参数，比如C919大型客机在全机2.5g机动平衡工况极限载荷静力试验中，其翼尖的最大变形接近3m[1]。

针对结构强度试验位移测量，非接触式测量设备往往具有价格昂贵、操作不易[2～4]等特点，现仍多采用接触式测量，如千分表、拉线式位移计、顶杆式位移计，其都要与试验件有直接的接触连接。当大型试验需要大量的位移测量点时，造成了位移计安装的困难，有些甚至造成测量设备与加载设备的干扰，影响了加载的准确性。

本文利用非接触式位移测量技术，以最小的成本设计适用于结构强度试验的位移测量系统，保证位移测量准确度的同时，减少测量设备与加载设备之间的干扰。

1  非接触位移测量原理

采用非接触式的测量方法，需要测量系统所发出的信号在介质中指向性要好，并具有较强的穿透力、体积尽量小的特点，故本文采用超声波测距方式。超声波在介质传播过程中，能产生机械作用，遇到障碍物后，能很好地反射回来，便于测量。

本文采用超声波回声测量法。测量系统发出超声波信号，同时开始计时。超声波遇到障碍物后返回，测量系统接收到返回的超声波信号时，停止计时，所计的时间与所测量的距离成正比，即测得超声波在测量系统与被测物体之间的往返时间，便可计算出所要测的距离[5]。

非接触式位移测量的基本原理如图1所示。D为被测距离，S为超声波在介质中传输的单向距离，M为发送探头与接收探头之间距离的一半。

图1 测距原理图

其中，

则超声波在介质中传播的距离为：

v为超声波在介质中的传播速度，t为超声波的传播时间，由上式得：

当D远大于M时，公式可简化为：

所以，只需要准确测得时间t，就可以换算出所测距离D。

图2 超声波信号图

超声波测距模块工作原理如图2所示，其工作原理如下：

（1）测距系统给超声波模块提供测距信号，即触发信号；

（2）超声波模块发出多个连续的高频方波信号，同时接收置高，并自动检测是否有超声波信号返回；

（3）检测到超声波信号返回，接收端置低，返回接收端信号置高的时间，并根据公式计算所测距离。

2  软硬件设计

测量装置需准确计算出超声波返回的时间，从而得出障碍物的距离。MCU程序计时器流程图如图3所示，通过MCU内部的计时器，根据超声波信号的回响信号，准确计算出超声波在空气中传播的时间。

图3 软件流程图

测距装置核心部分为MCU单片机，通过数码管显示所测距离，通过蜂鸣器报警距离超出设定值。硬件电路如图4所示。

图4 硬件电路图

3  验证与误差分析

采用本文所设计的非接触式测距装置与精度系数0.3的位移计测试结果相比较，其结果如表1所示。

表1 测试结果

根据表1的测试结果，本文所设计的非接触式测距装置满足试验的精度要求，并简化了位移测量的安装工作量。针对被测试验件的位移变化范围，本文所设计的非接触测量装置可以设定其内部参数，保证在此范围内的高精度。

但所设计的测距装置仍然存在一部分误差，造成非接触测距系统的测量误差的主要原因包括：

（1）在超声波发射和开始定时器计时之间的偏差，此偏差是不可避免的先后顺序误差，超声波发射和开始计时之间肯定存在时间的偏差，但这种微小的偏差影响不到总体的时间偏差，可以忽略这种微小变化的偏差。若需要将其微小偏差消除，可以在单片机中加快指令的输入来消除此偏差[6]。

（2）当超声波被反射回接收器和被检测出的输出信号存在滞后误差，此误差主要是因为反射回来的超声波在进入到检测电路，跟检测电路的灵敏度有着一定的关联。检测电路灵敏度的高低，会有一些干扰信号在其反射波中，使测量出的距离产生误差。

（3）单片机使用的计时器本身的误差，此误差的产生主要来于晶体振荡器，需要选取合适的晶体振荡器，减少计时中的量化误差。

（4）温度对超声波测距产生的误差。温度产生的误差，主要来源于外界环境的温度影响。如果室内外温度差异不大，可不进行温度补偿；若外界温度差异较大，应该对其进行温度补偿，从而减少温度产生的误差。

4  结语

在飞机结构强度试验中，需大量的位移测量数据，本文针对目前的位移测量问题，利用非接触式测距技术，设计了一种非接触式的位移测量装置，在保证了位移测量精度的前提下，简化了位移测量设备的安装工作。