一種測量飛機駕駛員操縱力傳感器設(shè)計

石榮武, 白新玉, 余 康, 李小鵬

(中航電測儀器股份有限公司, 陜西 西安 710119)

機載測力傳感器用來測量飛機駕駛員操縱力的大小，并將力測量信號供給飛控系統(tǒng)。飛行控制系統(tǒng)根據(jù)駕駛員的操縱力位移指令傳感器信號、飛機狀態(tài)參數(shù)和飛行大氣參數(shù)等按某控制律驅(qū)動飛機相關(guān)舵面運動，實現(xiàn)飛機的俯仰、橫滾及偏航。因此測力傳感器對飛機駕駛員的操縱俯仰、橫滾及偏航力的可靠、精確、具有非常重要的作用。機載測力傳感器也有其特殊的優(yōu)勢特點：荷載大，一般承受的極限載荷可達最大被測力值的10～20倍甚至更高；工作溫度范圍寬，一般為-55～+70 ℃；耐受性好：耐機械、耐電磁環(huán)境干擾、耐鹽霧、耐濕熱、抗霉菌；另外尺寸小、重量輕等，所以航空領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用。

目前，國內(nèi)外測量駕駛員對駕駛桿/盤的操縱力有兩類原理的測力傳感器。一類是采用變壓器原理[1]的LVDT線位移傳感器串聯(lián)于操縱線系中，測量其彈性結(jié)構(gòu)受力后的變形(一般為1～2 mm)獲得操縱力的大小，其缺點是測量直線度差、變形大、存在通道間的高頻信號交叉干擾，進而對飛機操縱力——位移曲線帶來較大誤差，使飛機難以獲得良好的操縱品質(zhì)；另一類是采用電阻應(yīng)變原理的二維復(fù)合力傳感器測量駕駛員縱橫向操縱力[2-5]，這種電阻應(yīng)變式二維力傳感器雖然變形較小、剛度有所提高，但缺點是輸出靈敏度低、存在較大的縱向力與橫向力的測量交叉干擾[6]、精度較低。

為了徹底消除上述測力傳感器的各通道或縱橫向間的交叉干擾，提高測量精度和剛度，本文設(shè)計出一種用于測量駕駛員對駕駛桿的縱向推拉操縱力的電阻應(yīng)變式測力傳感器，彈性體采用十字板輻應(yīng)變結(jié)構(gòu)。其輸出靈敏度、測量直線度、安全性等也都有較大地提升，并且具有重量輕、對飛機操縱力(位移曲線)無影響等特點。

1 十字板輻結(jié)構(gòu)測力傳感器總體結(jié)構(gòu)

十字板輻結(jié)構(gòu)電阻應(yīng)變式測力傳感器串聯(lián)安裝布置在飛控系統(tǒng)縱向或橫向操縱機構(gòu)線系中，整體布置結(jié)構(gòu)及部件組成如圖1。

(a) 整體串聯(lián)布置結(jié)構(gòu)圖

該測力傳感器兩端通過調(diào)心軸承安裝連接，耳環(huán)螺栓連接帶有鋼絲螺套的全等型收口拉桿，可以調(diào)節(jié)中立長度，全等型收口拉桿通過空心鉚釘同彈性體固定連接。為了減輕重量，彈性體、外殼、拉桿均選用高強重比的2A12-T4鋁合金材料；為滿足規(guī)定的機械、自然、電磁等機載使用環(huán)境，設(shè)計外殼一端同彈性體為小過盈配合、一端同彈性體為小間隙并采用O型密封圈密封，對所有外露表面噴漆防護處理，屏蔽電纜線外套防波套雙層屏蔽實現(xiàn)內(nèi)部測量電路同外部電磁環(huán)境隔離。

2 十字板輻結(jié)構(gòu)設(shè)計

已知線系中該測力傳感器所受的被測拉壓操縱力大小為±4000 N(“+”代表拉，“-”代表壓)，該測力傳感器的彈性體是承載全部被測力的，因此彈性體結(jié)構(gòu)設(shè)計極為關(guān)鍵[7]，不但與飛機操縱線系的安全性、可靠性有關(guān)，還影響著該測力傳感器的測量準確性、制造工藝性和穩(wěn)定性等。若設(shè)計采用經(jīng)典板環(huán)結(jié)構(gòu)彈性體(如圖2(a)所示)，盡管可滿足機載的外形尺寸要求，但因電阻應(yīng)變計不能精確定位于其彈性體結(jié)構(gòu)的小內(nèi)圓柱面上的應(yīng)變敏感區(qū)、粘貼較為困難、且抗偏載能力弱，導(dǎo)致產(chǎn)品工藝一致性、長期穩(wěn)定性較差。為解決這些問題，該測力傳感器的彈性體設(shè)計為圖2(c)所示的十字板輻結(jié)構(gòu)，即在經(jīng)典板環(huán)結(jié)構(gòu)[8-9]基礎(chǔ)上一體化設(shè)計圖2(b)中的十字板輻結(jié)構(gòu)。

(a) 板環(huán)結(jié)構(gòu) (b) 十字板輻 (c) 十字板輻結(jié)構(gòu)及電阻應(yīng)變計

該測力傳感器具有一組相互垂直敏感柵的電阻應(yīng)變計粘貼于彈性體十字板輻結(jié)構(gòu)中心處應(yīng)變感應(yīng)區(qū)的平面上，結(jié)構(gòu)便于電阻應(yīng)變計的粘貼和加壓力控制等操作。依據(jù)電阻應(yīng)變原理，當該測力傳感器感受到操縱力時，電阻應(yīng)變計將線系中操縱力引起的彈性體應(yīng)變感應(yīng)區(qū)微應(yīng)變轉(zhuǎn)化為電阻變化，通過電阻應(yīng)變計組成的惠斯通電橋在彈性范圍內(nèi)輸出一個與操縱力成線性關(guān)系的電壓信號，從而實現(xiàn)對被測操縱力的測量，其電路原理見圖3。

圖3 測力傳感器電路原理圖

圖3中R1、R3分別為電阻應(yīng)變計橫柵電阻阻值，R2、R4分別為電阻應(yīng)變計縱柵電阻阻值，Ri為測力傳感器的輸入電阻值、Ro為測力傳感器的輸出電阻值,單位為Ω；Uo為測力傳感器在額定載荷下的輸出電壓(mV)，Ui為測力傳感器的輸入電壓(V)。

3 彈性體設(shè)計

為了分析該測力傳感器的輸出靈敏度、剛度、測量精度和安全性，采用ANSYS 15.0[10]，對其彈性體十字板輻式結(jié)構(gòu)受額定載荷后的應(yīng)力和變形(即剛度)進行分析[11]。邊界條件設(shè)為該彈性體結(jié)構(gòu)一端受4000 N拉力、一端固定。彈性體結(jié)構(gòu)尺寸及分析見圖4。

圖4 十字板輻式彈性體結(jié)構(gòu)的ANSYS分析圖

考慮到橫向效應(yīng)，所采用的鋁合金材料屬性為泊松比取值為0.33、彈性模量E取值為68 GPa，力傳感器輸入電阻Ri取值385 Ω，輸出電阻Ro取值350 Ω，電阻應(yīng)變計的靈敏系數(shù)k取值為2.13。

由圖4(c)可知彈性體十字板輻結(jié)構(gòu)中心的平面平均拉應(yīng)力δ拉沿Y向為+70.823 MPa，由圖4(d)可知彈性體十字板輻結(jié)構(gòu)中心的平面平均壓應(yīng)力δ壓沿X向為-50.888 MPa。

4 十字板輻測力傳感器參數(shù)仿真分析

4.1 輸出靈敏度分析

測力傳感器的輸出靈敏度由各電阻應(yīng)變計敏感柵粘貼位置對應(yīng)的平均應(yīng)力決定。電阻應(yīng)變式測力傳感器的輸出靈敏度S的計算公式為：

(1)

十字板輻的厚度h、寬度b，板環(huán)結(jié)構(gòu)的沉孔直徑25 mm、外形直徑45 mm、外形厚度20 mm等尺寸(見圖4(a))和應(yīng)變計的敏感柵尺寸參數(shù)決定了平均應(yīng)力(圖4(c))。一般十字板輻承載力傳感器約25%的額定載荷，十字板輻的尺寸大小會直接影響輸出靈敏度的大小，板環(huán)結(jié)構(gòu)尺寸直接決定了產(chǎn)品的安全性，因此加工精度要求較高。由于應(yīng)變計敏感柵粘貼位置尺寸小、應(yīng)力梯度較小，在實際工程中，對應(yīng)變計敏感柵中心典型位置處的平均應(yīng)力分析后進行修正以獲得傳感器輸出靈敏度，修正系數(shù)一般取0.94～1.06。本文僅以應(yīng)變計敏感柵典型位置處的平均應(yīng)力進行分析計算，由公式(1)可知，該測力傳感器的輸出靈敏度為2.317 mV/V。

4.2 測量直線度分析

由圖4(e)知彈性體十字板輻結(jié)構(gòu)沿Y向上下拉伸變形約9.0 μm，由圖4(f)知彈性體十字板輻結(jié)構(gòu)沿X向水平壓縮變形約6.49 μm。

該十字板輻結(jié)構(gòu)測力傳感器的結(jié)構(gòu)特點為：十字板輻結(jié)構(gòu)縱向為Y向(沿著拉力或壓力軸線方向)，十字板輻結(jié)構(gòu)厚度方向為Z向(垂直紙面方向)，十字板輻結(jié)構(gòu)橫向為X向。當力傳感器兩端受拉力時，在十字板輻結(jié)構(gòu)中心處的Y向平面拉應(yīng)力除沿Y向產(chǎn)生正(拉)應(yīng)變外，還會因橫向效應(yīng)沿X向、Z向分別產(chǎn)生平面負(壓)應(yīng)變；同理在十字板輻結(jié)構(gòu)中心處的X向平面壓應(yīng)力除沿X向產(chǎn)生負(壓)應(yīng)變外，還會因橫向效應(yīng)沿Y向、Z向分別產(chǎn)生平面正(拉)應(yīng)變；這樣在十字板輻結(jié)構(gòu)中心處的Y向平面拉應(yīng)力、X向平面壓應(yīng)力因橫向效應(yīng)引起的十字板輻結(jié)構(gòu)中心處沿Z向產(chǎn)生的平面負(壓)應(yīng)變、平面正(拉)應(yīng)變相互抵消，使得十字板輻結(jié)構(gòu)中心處的Z向厚度尺寸基本不變，十字板輻結(jié)構(gòu)中心處的X向、Y向尺寸同所受拉力呈線性關(guān)系。通過ANSYS軟件對彈性體受力與應(yīng)變計敏感柵粘接正中心點位置的拉壓應(yīng)力進行直線度分析，結(jié)果見表1、圖5。

表1 彈性體受力直線度分析

圖5 彈性體受力與應(yīng)力的直線度分析

同理，力傳感器兩端受壓力時，十字板輻結(jié)構(gòu)中心處于線性的平面拉壓應(yīng)力狀態(tài)，十字板輻結(jié)構(gòu)中心處的X向、Y向尺寸同所受壓力呈線性關(guān)系。

通過以上分析可知，該十字板輻結(jié)構(gòu)的力傳感器測量直線度好，測量精度高。

4.3 剛度分析

為進步說明該測力傳感器的剛度，該測力傳感器僅去除彈性體中的十字板輻，得到相應(yīng)板環(huán)式結(jié)構(gòu)彈性體，在4000 N拉力等邊界條件和其余結(jié)構(gòu)尺寸均不變的情況下，對其進行分析，見圖6。

由圖6(b)可知彈性體內(nèi)圓柱面的平均拉應(yīng)力δ拉約為+102.52 MPa，由圖6(c)可知彈性體內(nèi)圓柱面的平均壓應(yīng)力δ壓約為-65.5 MPa，由公式(1)可知去除十字板輻的板環(huán)式彈性體結(jié)構(gòu)的力傳感器的輸出靈敏度S約為2.404 mV/V，與十字板輻式彈性體結(jié)構(gòu)的力傳感器輸出靈敏度基本一致。

彈性體內(nèi)圓柱面沿Y向上下拉伸變形為17.3 μm(圖6(d))、沿X水平壓縮變形約為15.53 μm(圖6(e))。

圖6 板環(huán)式彈性體結(jié)構(gòu)的ANSYS分析圖

通過分析可知，在同等條件下對比板環(huán)式和十字板輻式彈性體結(jié)構(gòu)變形，板環(huán)式彈性體變形約為十字板輻式彈性體相應(yīng)變形的2倍，表明十字板輻式彈性體結(jié)構(gòu)剛度大。

4.4 安全性分析

為獲得十字板輻對測力傳感器在安全性方面的貢獻，假設(shè)十字板輻受力后的應(yīng)力和應(yīng)變水平同圖4中一致，得到十字板輻的受力邊界，結(jié)果見圖7(a)。通過ANSYS分析，可知十字板輻結(jié)構(gòu)中心沿Y向的平面拉應(yīng)力δ拉約+71.410 MPa(圖7(b))、沿X向的平面壓應(yīng)力δ壓約-51.207 MPa(圖7(c))，十字板輻沿Y向上下拉伸變形約9.05 μm(圖7(d))、沿X向水平壓縮變形約為6.44 μm(圖7(e))。

圖7 十字板輻的ANSYS分析圖

由此可知，圖7與圖4中的十字板輻應(yīng)力及應(yīng)變變形基本一致，圖7(a)的受力邊界可信，即A、B面受等效力約為-605 N，C、D面受等效力約為+940 N。

通過以上分析可知，在相對4000 N受力邊界和其余結(jié)構(gòu)尺寸等不變的基礎(chǔ)上，十字板輻對比板環(huán)式彈性體結(jié)構(gòu)的縱向加強為940 N，使得十字板輻式彈性體結(jié)構(gòu)相比板環(huán)式彈性體結(jié)構(gòu)的安全裕度提高了約23.5%，表明十字板輻式彈性體結(jié)構(gòu)安全性有較大地提高。

十字板輻結(jié)構(gòu)電阻應(yīng)變式測力傳感器串聯(lián)安裝于操縱線系中，當駕駛員操縱飛機俯仰或橫滾時，操縱駕駛桿或駕駛盤的力及位移按線系設(shè)計的傳動比傳遞，只要測得飛控系統(tǒng)操縱線系中該測力傳感器彈性體所受的拉壓操縱力，就可以得到駕駛員對飛機的相應(yīng)操縱力大小。彈性體上一端固定的調(diào)心軸承同系統(tǒng)線系連接，一端通過空心鉚釘固定，連接裝有調(diào)心軸承的耳環(huán)螺栓的全等型收口拉桿，使該測力傳感器彈性體處于理想的二力桿拉壓受力邊界條件，保證了測量精度。

5 性能對比

5.1 十字板輻測力傳感器性能測試

按照《JJG391—2009力傳感器檢定規(guī)程》，檢測一種十字板輻結(jié)構(gòu)電阻應(yīng)變式測力傳感器的輸出靈敏度以及直線度、滯后、重復(fù)性等指標，測試數(shù)據(jù)見表2。

表2 測力傳感器性能測試數(shù)據(jù)

測試環(huán)境：室溫15～35 ℃，相對濕度(30%～60%)，氣壓86～106 kPa。

測試儀器設(shè)備：Agilent34401數(shù)字電壓表，10 V DC精密直流穩(wěn)壓電源，10 kN靜重式測力機。

由表2測試數(shù)據(jù)可知，一種十字板輻結(jié)構(gòu)電阻應(yīng)變式測力傳感器實際輸出靈敏度2.378 mV/V同設(shè)計值2.317 mV/V基本一致，性能指標能夠滿足0.1級準確度要求；此外，需要指出的是該傳感器的長期穩(wěn)定性為0.2%F·S/年，滿足標準中0.2%F·S/月的要求。

5.2 四種形式的測力傳感器綜合性能比較

將駕駛桿力傳感器、駕駛桿盤力傳感器、板環(huán)式結(jié)構(gòu)與本文一種十字板輻式結(jié)構(gòu)電阻應(yīng)變式測力傳感器實際測試的輸出靈敏度、直線度、滯后、重復(fù)性、交叉干擾、受額定載荷時折算至握點的變形等進行對比，詳見表3。

表3 測力傳感器綜合性能對比

由表3對比可知，本文設(shè)計的十字板輻結(jié)構(gòu)電阻應(yīng)變式測力傳感器輸出靈敏度相比板環(huán)式基本一致，但十字板輻結(jié)構(gòu)測力傳感器具有直線度好、變形小剛度大、安全性高的明顯優(yōu)勢。

6 結(jié)語

本文設(shè)計了用來測量駕駛員操縱駕駛桿或駕駛盤力的一種十字板輻結(jié)構(gòu)電阻應(yīng)變式測力傳感器，通過分析該測力傳感器結(jié)構(gòu)特點和輸出靈敏度、直線度、剛度等設(shè)計要求，最后經(jīng)過測試，并與4種不同結(jié)構(gòu)形式的測力傳感器測試數(shù)據(jù)對比，結(jié)果表明，本文設(shè)計出的十字板輻結(jié)構(gòu)電阻應(yīng)變式測力傳感器提高了駕駛桿或駕駛盤力的測量精度，其受力變形對駕駛員操縱力——位移曲線影響可忽略，且具有安全系數(shù)高、工藝性穩(wěn)定性良好的特點。需要指出的是，以每月或每年為周期判定長期穩(wěn)定性這一指標還是不能滿足，這將是今后需要深入研究的工作。