基于MTS协调加载控制系统的电流输出型传感器应用研究

毛 爽，刘振宇，杨青春

(中国飞机强度研究所，陕西 西安 710065)

1 引 言

飞机结构强度试验是飞机研制中不可或缺的重要环节[1]，协调加载控制系统负责载荷施加和试验件状态检测，试验载荷主要包括力、气压、位移、角度、扭矩等。因此，协调加载控制系统需要支持多种类型的传感器。

针对MTS协调加载控制系统只能支持电压输出型传感器[2]的问题，本文通过分析拉线式位移传感器和倾角传感器的工作原理，结合MTS协调加载控制系统的采集放大原理，提出了一种基于MTS协调加载控制系统的电流输出型传感器的应用方法。该方法通过转换电路将电流输出型传感器转换为电压输出型，根据转换关系得到理论增益与零点的确定方法。该方法在试验中得到了验证，目前已应用于多项飞机结构强度试验，丰富了试验载荷类型，对各类传感器在协调加载控制系统中的应用具有重要意义。

2 常用电流输出型传感器原理

在飞机结构强度试验中，拉线式位移传感器主要用于测量飞机机翼、机身、舱门等位移变化量[3]，倾角传感器主要用于测量活动翼面的水平倾角[4],这两种传感器均为电流输出型传感器。

2.1 拉线式位移传感器

对于安装空间小、位移载荷与作动器运动方向不一致等情况，无法直接使用位移作动器加载，需要外接拉线式位移传感器进行位移载荷控制。拉线式位移传感器由可拉伸的金属绳绕在一个有螺纹的轮毂上，轮毂与精密旋转感应器连接在一起，运动发生时，拉绳伸缩带动轮毂和精密旋转感应器旋转，导致电阻值发生变化，对应输出一个与拉线伸缩距离成比例的电信号，如图1所示。

图1 拉线式位移传感器

飞机结构静强度试验中常用的拉线式位移传感器使用24V直流电压作为激励，输出信号为4～20mA直流电流。4mA对应拉线伸出量为0mm，20mA对应拉线伸出量为满量程。

2.2 倾角传感器

对活动翼面施加力载荷，一般要求基于角度载荷下施加，以验证不同角度下的活动翼面以及连接接头的强度。另外，当对其操纵系统性能进行验证时，要求对活动翼面的角度进行测量。由于活动翼面的特殊性，不便于安装转轴式角度传感器，在翼面上安装倾角传感器更为容易。飞机结构静强度试验中常用的倾角传感器如图2所示。倾角传感器是一种加速度传感器，重力垂直轴与加速度灵敏轴的夹角即为所测量的角度值，可输出一个与夹角成比例的电信号。

图2 倾角传感器

飞机结构静强度试验中，常用的倾角传感器使用24V直流电压作为激励，输出信号为4～20mA的直流电流。4mA对应满量程角度负值，20mA对应满量程角度正值。

2.3 电流输出型传感器

飞机结构静强度试验中使用的拉线式位移传感器和倾角传感器都是电流输出型传感器，电信号输出原理基本相同，电流值4mA、20mA分别对应传感器测量物理量的最小值和最大值。例如，拉线式位移传感器对应0到满量程，为单向测量；倾角传感器对应正负满量程，为双向测量。

3 应用方法

3.1 MTS协调加载控制系统测量原理

MTS协调加载控制系统主要用于应变电桥型传感器测量，例如力传感器、压力传感器等，传感器的输出信号为毫伏级直流电压信号。采用灵敏度作为传感器线性测量校准依据[5]，灵敏度的倒数为采集板卡放大增益。经过采集板卡调理放大为±10V直流电压，对应传感器的正负满量程。传感器的零点参数需要在零载荷状态下确定，作为载荷施加的基准。总结MTS协调加载控制系统对电压输出型传感器的测量原理，可得到如下线性关系：

U=Gain·Uoutput+Zero

(1)

其中，Uoutput为传感器输出电压，U为放大后电压值，Gain为放大增益，Zero为传感器零点电压值。

3.2 转换电路设计

针对电流输出型传感器，需要将电流输出信号转换为电压信号，才能接入MTS协调加载控制系统测量[6，7]。转换原理是在传感器的输出端串联一个精密电阻，由直流稳压电源提供传感器24V直流标准激励，将4～20mA电流输出信号转换为电压信号，电阻两端电压值接入MTS协调加载控制系统作为反馈输入，间接实现对电流输出型传感器的测量，如图3所示。

图3 转换原理

为了满足传感器满量程测量范围和MTS增益参数允许范围，即放大后电压信号不能超出±10V，电阻R必须满足：

(2)

为保证MTS协调加载控制系统的采集测量精度，电阻 的精度要求高于传感器精度和控制系统采集板卡的精度。目前试验通常使用阻值100～500Ω、精度0.02%、温度系数15PPM的金属膜精密电阻。

3.3 增益与零点的确定

根据MTS协调加载控制系统的采集原理和转换电路原理，可以得到电流输出型传感器在MTS协调加载控制系统的线性测量原理为：

U=Gain·RIoutput+Zero

(3)

式中，Ioutput为传感器输出电流。

可以得到所测传感器的物理量、转换电压、控制系统满量程电压的对应关系，如表1所示。表中Pmax、Pmin为传感器被测量物理量的最大值和最小值，Umax、Umin为控制系统放大电压值。

表1 对应表

由表1的对应关系可得，电流输出型传感器在MTS协调加载控制系统中使用时，理论放大增益为：

(4)

对于类似拉线式位移传感器的单向测量传感器，理论零点为4mA对应电压值，理论零点为：

Zero=-IminR·Gain

(5)

对于类似倾角传感器的双向测量传感器，零点为12mA对应的电压值。

(6)

4 试验应用验证

在MTS协调加载控制系统中，验证量程1000mm拉线式位移传感器和量程±30°倾角传感器的增益和零点。

根据转换电路选择电阻R为100Ω，根据表1可以得到如表2所示的对应关系。

表2 对应表

根据式(4)和式(5)，可以得到拉线式位移传感器理论增益和理论零点为：

根据式(4)和式(6)，可以得到倾角传感器的理论增益和理论零点为：

在某型飞机结构静强度试验中，针对驾驶舱操作杆工况，使用液压作动器外接拉线式位移传感器的方式加载，针对活动翼面操纵检查工况，使用倾角传感器监控翼面角度。通过对拉线式位移传感器和倾角传感器的实际标定，获得实际增益和零点，如表3所示。

表3 对应表

通过试验验证，可以得出如下结论：

(1)增益的理论值与实际值一致，证明该方法可以准确获得增益参数；

(2)零点的理论值与实际值接近，证明该方法可以获得零点参数的参考值；

(3)零点偏差与传感器零点漂移、现场安装初始状态有关，试验中零点需根据实际状态获得；

(4)通过试验多点测量和标定，可以证明该方法获得的线性测量结果准确。

5 结 论

本文通过分析飞机结构强度试验中常用的拉线式位移传感器、倾角传感器的测量原理，结合MTS协调加载控制系统的线性测量原理，提出了一种基于MTS协调加载控制系统的电流输出型传感器应用方法，通过转换电路将电流输出型传感器转换为电压输出型，根据转换关系得到理论增益与零点的确定方法，通过试验验证可获得增益准确值和零点参考值。该方法目前已应用于多项飞机结构强度试验，丰富了试验载荷类型，对各类传感器在协调加载控制系统中的应用具有重要意义。