摘 要：载荷感应器是飞行操纵系统中非常重要的一部分，它给驾驶员应有的操纵感觉以免发生错误的操纵，在保障安全飞行中起到非常重要的作用。 由于测量位移变化小，精度达到 0．01mm，一般拉 ／ 压试验机无法达到要求。 针对这一难题，采用了高精度的位移传感器与力传感器，并与上位机和 PLC 相结合，设计了一套智能的高精度载荷感应器拉 ／ 压试验机系统。 实验结果达到技术要求，为飞行员的安全飞行提供了有力的保障。
无回力助力操纵系统也称不可逆助力操纵系统。 在无回力助力操纵系统中， 克服舵面铰链力矩所需的操纵力全部由液压助力器提供， 而驾驶员施加的力仅用来带动液压助力器的分油活门。 为了给驾驶员以应有的操纵感觉而不致因感觉错误而发生错误的操纵，在无回力助力操纵系统中采用了载荷感觉器。
本文所设计的试验机主要针对两类载荷感应器进行拉 ／ 压力试验，分别是平尾载荷感应器与副翼载荷感应器。 平尾 ／ 副翼载荷感应器使飞行员在操纵平尾 ／ 副翼时有力的感觉，并在松杆时能自动回中。 本文采用高精度位移传感器和力传感器，进行位移和力的测量，并用上位机与 PLC 进行系统控制，最终得到两类载荷感应器的特性曲线图，特性曲线代表了行程与力的关系，并根据技术标准判断是否合格， 为飞行员安全的飞行提供了有力的保障。
1 载荷感应器测试要求
飞机载荷感应器是用来模拟驾驶杆上的空气动力， 以便飞行员操纵时感到有相应的驾驶杆力，准确地掌握操纵份量，控制飞行状态。 其基本组成为活动杆、外简及若干弹簧等。 其特性曲线或特征点的力和位移值如不符合要求，飞行员就会有“杆重”或“杆皮条”感觉。它的性能好坏，直接影响飞机操纵性能。所以，对载荷感应器的特性曲线或特征点的力和位移值有着严格的要求，具体要求如下。
1．1 平尾载荷感应器
平尾载荷感应器理想特性曲线如图 1 所示。
通过试验机可以绘出完整的平尾负荷机构特性曲线，并将如下表所示的 6个测试点的试验数据作为评判标准之一，另一个评判标准是通过对特性曲线进行分析，判断行程与力有没有突变，两个标准同时满足为合格。
1．2 副翼载荷感应器
副翼载荷感应器理想特性曲线如图 2 所示。
通 过 试 验 机 可 以绘出完 整 的 副 翼 载 荷感应器特性曲线，并将如表 2 所示的 8 个测试点的 试 验 数 据 作 为评判标准之一，另一个评判标 准 是 通 过 对 特性曲线进行分析，判断行程与力有没有突变，两个标 准 同 时 满 足 为合格。
2 智能载荷感应器系统硬件设计部分
要绘制载荷感应器力－行程特性曲线，需要一个位移传感器来测量载荷感应器的行程，还需要一个拉 ／ 压力传感器来测量载荷感应器的力。 采用伺服电机、电机减速箱、滚珠丝杠等传动机构为载荷感应器施加拉 ／ 压力，伺服电机的控制用 FX1N 系列的PLC 来实现。 为了实现试验数据的显示、存储、打印、查询等功能，还需要一台工控机及一台打印机，系统总体方案如图 3 所示。
2．1 位移测量部分
位移传感器的精度对系统测试精度有很大的影响， 为此选用德国的 mtrona 高精度的传感器。 该传感器分辨率高， 可达0．001mm。 磁致伸缩位移传感器有电压、电流、SSI（格雷码或二进制）、现场总线、开始 ／ 停止脉冲等多种输出形式。 如果采用电压、电流等模拟量输出形式，则需要 A／D 转换模块，A／D 转换模块的精度会影响测量的精度， 而且模拟量输出形式容易受到干扰，所以在此不选用模拟量输出形式。 现场总线模式对系统整体要求高，成本高。 为此选择 SSI（同步串行通信）输出形式，输出的是数字信号，因此不会影响系统的精度。
位移传感器输出为 SSI 信号， 在此采用相应的 SSI 信号采集仪表，该仪表完成位移信号的采集，并且提供 1 个 RS485 接口，通过该接口将位移数据发送给工控机，同时该仪表实时显示位移。 通过通信方式，不会影响系统的精度。
2．2 力测量部分
由于载荷感应器即测拉伸力又测压缩力，因此选用拉 ／ 压两个方向都可测量的力传感器。 本系统中采用日本的 UNIPLUSE高精度力传感器，该传感器属于电阻应变式压力传感器，A／D 转换速率达到 2000 次 ／s，输出 4～20mA 电流，同时采用力传感器相配套的仪表，该仪表完成力信号的采集，并提供 1 个 RS485接口，通过该接口将力数据发送给工控机，同时该仪表实时显示力。 通过通信方式，不会影响系统的精度。
2．3 伺服控制部分
伺服电机通过变速箱带动滚珠丝杠实现载荷感应器的拉伸与压缩，伺服电机控制精确。 本系统采用三菱公式的伺服电机，该伺服电机精度高，控制稳定。 三菱伺服电机通过伺服放大器驱动，控制器由 FX1N 系列的 PLC（可编程逻辑控制器）来实现，采用这种方式，控制效果好，成本低。 伺服电机带动滚珠丝杠转动，需要设置上限位、下限位及零点三个行程开关，上下限位是为了保障系统的安全，零点可以让伺服电机知道自己目前所处的位置。
FX1N 系列 PLC 具备 RS422 通信接口，通过此接口与工控机通信，这样工控机就可掌握伺服系统的工作状态，并可发出命令控制伺服系统的工作。
2．4 工控机部分
工控机通过扩展串口的方式使之具备三个串口，三个串口都是 RS232 标准， 而 FX1N 系列 PLC 的通信接口是 RS422 标准，为此需要一个 RS232／RS422 的转换模块，位移仪表与力仪表通信接口皆为 RS485 接口， 为此需要两个 RS232／RS485 的转换模块。 工控机通过三个串口可以实现与位移测量部分、力测量部分、伺服控制部分的通信，这样工控机可以采集位移与力信号，并能对伺服控制部分施加命令，控制伺服系统运转，这样即可得到位移与力的特性曲线。 RS485 通信可以实现联网，即一台工控机可以连接最多 32 台 RS485 通信从站，通过分时实现。 考虑到位移与力需要同时采集，所以位移与力传感器通过独立串口实现。
工控机作为人机界面， 可以对试验机的工作状况进行实时监视，并可通过工控机启动测试过程，过程一旦启动，力与位移即存入数据库，在保存的同时绘制力与位移的曲线。 当测试完成后，根据技术标准，对载荷感应器的合格情况进行判断，特性曲线与测试点的数据可以通过打印机打印出来。 这些数据可以长期保存，日后可查询并可打印。
3 上位机与 PLC 软件设计
3．1 上位机软件设计
上位机的界面采用 Delphi 编程，界面包括曲线图，测试数据图，界面图如图 4 所示。
当操作台上的按钮选择自动时，点击开始测试，界面上的将会出现随测量而变化的曲线图，同时有上移下移指示，并且位移与力值大小同时显示。 在实验前还可以点击参数设置，参数设置中包括速度、上限、下限的设置。 当自动测试完后，点击历史数据将会出现测试结果的的曲线图，并打印出来。 由于载荷感应器的位移测量精度达到 0．01mm， 所以在安装载荷感应器的测试件中，测试件与测试装置间的间隙，也必须考虑在内，并在界面显示出来，测试的结果数据处理过程中必须将间隙去掉。
3．2 去间隙软件处理
载荷感觉器在测试前需要借助铁鞘将其上下两端国定在测试设备上，由于载荷感觉器测试的位移达到 0．01mm，所以铁鞘与载荷感觉器上的圆孔之间的间隙，就不得不考虑在内，并且必须消除间隙。 如何消除间隙，可以用 delphi 编程，在软件中解决。编程思路为：在测试开始后，由于间隙的存在，虽然位移在变化，但此时并不受力。当开始受力时，受力的瞬间必定力发生突变，此时，可以在力发生突变的瞬间，同时记录下位移的大小，此段位移即为间隙的大小，可用 S1 来表示。 以后所测得的位移大小减去间隙大小 S1，即为实际的位移。由于力发生突变时的力值并不确定，所以，可以设定某个值为力发生突变的判定，这里我们将发生突变的临界值设定为 50N。也就是，当受力超过 50N 的瞬间，位移开始计值，经多次实验结果证实，这种处理方法是行之有效的，能精确地测量出0．01mm 的受力值。 这部分设计的程序图如图 5 所示。
3．3 PLC 软件设计
由于平尾与副翼 编程思路一样，只是参数设置不同。 所以，这里仅介绍平尾的的测试程序流程图。
由 于 需 要 测 0．07mm时的力值，为了能更准确地采集数值，所以需要位移速度设置很慢，但如果全国程以同样的速度测试，将会花很长时间， 降低了测试效率。 为此，在测试的上行程与下行程过程中，PLC 的程序中在不同的测试段中设置了不同的速度，大大提高了测试的效率。 另外，当测试件碰到限位开关时，将会发生报警。
4 测试结果分析
我们分别用平尾与副翼的标准件进行测试，得到如图 7 的平尾测试结果图。
图 8 为副翼的测试结果。
由曲线图与数据结果可得，在技术标准的要求下全部合格，并将间隙大小显示在图上。 曲线图平稳光滑，并无突变发生。
5 结束语
该智能型载荷感应器测试过程中，对精度要求非常高，位移精确到 0．01mm，这是一边拉 ／ 压试验机所不能达到的精度。 而本文设计的智能型载荷感觉器，精度高，完全满足测试要求，并经多次实验，完全可以用来检验使用中的载荷感应器是否合格。该系统操作简单，检测准确，并且特性曲线与测试点的数据可以通过打印机打印出来。 这些数据还可以长期保存，日后可查询并可打印。 飞机定期检修时，载荷感应器可拿来检验是否还符合技术标准，对于不合格的换掉，换以新的载荷感应器，因此，为飞行员的安全飞行提供了安全有力的保障。
本文作者的创新点： 将高精度的位移传感器和力传感器与上位机、PLC、 丝杠相结合， 设计出的试验机测量精度达到了0．01mm，并在处理数据中，利用软件编程进行了去间隙处理，使测量数据更加精确。
参考文献
［1］刘乐善．微型计算机接口技术及应用 ［M］．武汉 ：华中理工大学出版社，2000
［2］刘川来．计算机控制技术［M］．北京：机械工业出版社，2006
［3］姜秀汉．可编程序控制器原理及应用［M］．西安：西安电子科技大学出版社，2001
［4］侯智林，过程控制与自动化仪表［M］．北京，机械工业出版社，2000
本文作者：赵艳东 张兴隆 任宪勇
