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V ol. 59 No. 4工程与试验 ENGINEERING & TEST Dec. 2019 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。
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M
风力发电机安装M ≸䌊㈨㐌
图1 测距原理图
其中，
（1）
（2）
则超声波在介质中传播的距离为：
（3）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：
（4）
当D 远大于M 时，公式可简化为：
（5）
[收稿日期]
2019-01-03[作者简介]
张宁（1989-），男，河南焦作人，硕士，工程师，研究方向：结构强度热试验控制与测量。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）
[摘 要]飞机结构强度试验中，试验件位移是重要的测试数据。现阶段结构强度试验位移测量多采用接触式方法，比如千分表、位移计等。上述位移测量设备需要直接与试验件接触安装，在大型结构强度试验中，大量的位移测量设备安装可能会影响正常的加载设备运行，增加了试验的复杂性。本文通过非接触式测距技术，设计一种非接触式位移测量设备，实现飞机结构试验的非接触位移测量。结果表明，该装置满足位移测量的精度要求，并简化了测距设备的安装，提高了试验效率。
烘手机[关键词]非接触；位移测量；强度试验
路缘石滑模
[中图分类号]V216.11 [文献标识码]B doi:10.3969/j.issn.1674-3407.2019.04.031
Design and Implementation of Non-contact
Displacement Measurement
Zhang Ning ，Zheng Yao ，Zhang Jiabin ，Zhang Shunli ，Zhao Jundong
（Aircraft Strength Research Institute of China ，Xi ’an Shaanxi 710065，China ）
[Abstract ] For aircraft structural strength tests ，displacement is an important test data in strength tests.At present ，the displacement measurement of structural strength tests mostly adopts contact methods ，such as dial gauges and displacement meters.The above displacement measurement equipment needs to be installed in direct contact with the test piece.In large-scale structural strength tests ，
the installation of a large number of displacement measurement equipment may affect normal loading equipment operation adds complexity to the test.In this paper ，a non-contact displacement measuring device is designed by non-contact distance measurement technology to realize non-cont
act displacement measurement of aircraft structure test.The results show that the device meets the accuracy of displacement measurement ，simplifies the installation of distance measuring equipment ，and improves the test efficiency.
[Keywords ] Non-contact ；displacement measurement ；structural strength tests
No. 4 2019张 宁，等：非接触式位移测量的设计与实现
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所以，只需要准确测得时间t ，就可以换算出所测距离D
。
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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。
adm25872 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
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
序号非接触测距（m）
位移计（m）
误差10.10.102
0.300.3030.510.50.0140.810.80.015
1.01
1
0.01
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。数据存储安全检测
（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。
电动雕刻刀
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。
参考文献
2.5g 极限载荷静力试验[J].民用飞机设计
[D].
[J].工
[J].现代计
.基于STC89C52单片机的超声波
[J].电子设计工程，2015，23（04）：120-123..传感器与检测技术[M].北京：中国
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