童建春 马余才 黄汉超

摘  要：針对目前直升机尾桨操纵钢索张力测量设备误差大、操作不便的问题，利用“三点弯曲法”模型将钢索张力测量转换成对测量点压力和位移的测量，然后利用测量电路测量压力和位移量，并换算成钢索张力计，通过标定对设备进行校正，经检测该设备在测量钢索张力时精度较高。

关键词：钢索张力测量  三点弯曲法  测量电路

直升机脚操纵系统控制直升机尾桨桨距，用于平衡旋翼反作用力距和实现对飞行过程中航向的控制，是直升机操纵系统的重要组成部分。直升机脚操纵系统通常采用硬式操纵（操纵拉杆、助力器）和软式操纵（助力器、操纵钢索）。在软式操纵中采用尾桨操纵钢索传递尾桨变距所需的操纵力，直升机尾桨操纵钢索的张力的大小也直接影响到飞行员的操纵感觉，因此在直升机维修过程中需要检查钢索张力计，目前直升机尾桨操纵钢索张力测量设备落后，存在测量结果误差大收敛性差、无法直接读取钢索张力值等问题，本文根据张力测量模型研制一种新的钢索张力测量设备，提高直升机尾桨操纵钢索测量精度。

1  钢索张力测量力学模型的建立

钢索张力在线测量的原理是利用 “三点弯曲法”原理将钢索的张力测量转变为对测量点压力的测量。具体的方法是：利用测量装置上三个接触滚轮（即滚轮A、滚轮B、滚轮C）与钢索接触，如图1所示。在测量过程中，通过给滚轮C一个向滚轮A和滚轮B的的位移，使滚轮C向滚轮A和滚轮B的方向压缩钢索，假设：滚轮C位移量为δ，滚轮C对钢索的压紧力为P，如果不考虑滚轮对测量段钢索产生局部弯矩的情况下，钢索上的张力T可以近似表达为：

上式中的P为滚轮C对钢索的压紧力（即：钢索对C滚轮的反作用力），δ为C滚轮的相对位移，l为A，B两个滚轮之间的距离。

在实际测量过程中，如果不考虑局部弯矩的影响，会导致测量误差较大，因此在计算时还需要考虑局部弯矩，具体如图2所示：

式11可应用于钢索静态张力测量。利用以上的数学模型就可以将钢索张力测量转化为压力、位移以及长度的测量。在这些测量值中，长度在设计时就可直接给定，位移量可以在设计给定出C轮运动的距离，因此测量的关键就是测量C轮的压力值。

2  钢索张力测量装置的电路设计

C轮的压力值采用电阻应变式压电传感器进行测量。电阻应变式压电传感器已经广泛应用于力学测量设备中。电阻应变式传感器输出微弱的电信号，该信号需要进行放大，为此电路使用两级运算放大电路对信号进行放大，第一级选用仪表放大器，第二级选用低失调精密运算放大器。电阻应变式传感器在供桥电压激励下输出的电压信号经过放大，放大信号在进入A/D转换之前须进行滤波和负压保护处理;A/D转换器选用高精度自校正的差分输入转换器，MCU选用单片机技术，用于数据处理和整机的管理，如张力计算、单位转换、钢索模式选定，取平均值等。采用LCD作为显示装置，显示张力测量结果（包括5次测量结果和平均值），适用机型、电池电量等信息。

为了影响能够准确的测量钢索的张力，消除电源噪声对系统的，设计钢索测量装置时，对测量装置电源进行了两级稳压，并利用加滤波电路进行滤波。

3 钢索张力测量装置的标定

为了进一步提高测量设备的测量精度，在设备加工完成后需要对测量精度进行标定，针对钢索张力测量的特点，可以选取静态特性标定方法进行标定，首先就是创造一个静态标准条件，然后按以下步骤进行标定：

（1）将钢索一端固定在台架上，另一端下与重量块相连;

（2）通过不断的增加重量快来获取不同的钢索张力，并利用这些标准值对钢索张力测量装置进行标定;

（3）取下重量快，在取下重量块的过程中再次利用已知钢索张力值对钢索张力测量装置进行标定;

（4）按（2）、（3）所述过程，对钢索张力测量设备进行多次修订，最终完成标定工作。

4 钢索张力的测量

为了测试钢索张力测量装置的精度，采用预测量钢索下装标准重量块的方式进行测量，计量结果如下表所示：

5 测量误差分析

钢索张力测量装置误差来源主要有随机误差和系统误差，随机误差主要在于由于钢索与测量装置接触处不是一个平面而是一个扭转的钢索，因此在测量时对压电传感器的压力会存在随机误差，为了解决这一问题，采用测量五次平均值的方式来平均随机误差的影响。而系统误差主要来源于钢索张力测量力学模型的准确性和压电传感器测量的精确性，需要在设备研制成功后，对设备进行重新标定，通过标定修正设备的系统误差。

6 结论

采用“三点弯曲法”力学模型能够精确的将钢索张力用测量点的压力和位移来表述，设备的电子元件能够测量传感器的压力和位移并且能够计算出钢索的张力，该设备的研制对提高钢索在线测量精度，降低维修操作人员工作量具有重大意义。

参考文献：

[1]姚文斌，程赫明.用“三点弯曲法原理”测定钢丝绳张力.实验力学，1998;（1）。

[2]王立新，杨桂生. 钢索张力测定的研究. 力学与实践，1998;（2）。

[3]李鸣华，吕振洪，余水宝.钢索张力智能检测仪的设计. 仪器仪表学报，2002;（4）。