CN109271690A - 飞机称重消除侧向力传感器的设计方法 - Google Patents

Abstract

一种飞机称重消除侧向力传感器的设计方法，该设计方法是在力传感器下面加装HMAR装置。力传感器包括弹性元件、顶头、应变计、测量电路；将顶头安装在弹性元件中上部，将应变计粘贴在弹性元件内部，并与测量电路连接，将测量的变形量转化为电信号并通过补偿电阻消除因材料变形温度产生的温漂的影响。HMAR装置包括壳体、压板、滑块、复位弹簧；将壳体设计为凹槽结构；将压板安装在壳体上；壳体凹槽上安装滑块，滑块两端与复位弹簧连接。力传感器在承受负载产生侧向力时，HMAR装置带动力传感器向侧向力方向随动消除侧向力。本发明解决飞机称重时侧向力对重量结果的影响，提高了称重数据的准确性，弥补力测量传感器不可调的问题。

Description

飞机称重消除侧向力传感器的设计方法

技术领域

本发明涉及一种能够消除飞机称重时侧向力的力传感器的设计方法，用于飞机全机称重时使用。

背景技术

飞机称重通常是根据静态受力平衡原理测定飞机的重量，同时根据力矩平衡原理测定飞机的重心。虽然飞机称重原理不复杂，但要获得准确的测量结果却并不容易，飞机在顶升或者姿态调节过程中，顶部传感器所受侧向力主要由两种情况产生，一是由于飞机机翼或者机身刚度的原因，顶升后会引起飞机机身、机翼产生绕性变形，机翼处最大，顶起后机翼顶窝处一般会向两内侧偏移产生位移量，另一种是飞机在俯仰姿态调节过程中，由于机身与水平面存在一定的夹角，在支柱的力传感器位置也存在侧向力，此种侧向力基本原理与第一种机翼绕性变形所受侧向力机理基本一致。支柱一般与飞机的支撑联接是通过球头(顶头)和飞机的顶窝联接进行支撑力的传递，此时支点会受到多个方向的力，对于飞机称重来说除铅锤方向的力外，其余力即为侧向力。受侧向力的球头和顶窝的受力点均在其侧面，且侧向力是动态和不稳定的，因此侧向力的产生对飞机重量重心系统的测量精度和稳定性产生巨大影响。为减小侧向力产生的影响，支柱在顶起飞机过程中，必须在水平方向跟随飞机顶窝随动，确保传感器所测力均为铅锤方向。

目前国内飞机称重中消除侧向力的方式仅为在飞机顶升装置下面加装抗侧向力滑板，飞机顶升过程中将飞机对顶升称重装置产生的侧向力转移至滑板上，并通过滑板的滑动消除侧向力，因滑板为万向式调整，其调整幅度小，且飞机顶升装置较重，每次进行称重工作时，放置并对正滑板耗费的人力大，时间长，严重影响飞机的称重工作效率。为了节省飞机称重的人工操作量，达到称重全数字化操作，需设计一种能够自动消除侧向力的装置。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种能够消除飞机称重时侧向力的力传感器的设计方法，当称重时有侧向力产生时，力传感器推动HMAR向侧向力的方向随动，从而有效减小侧向力对测量系统精度的影响。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种飞机称重消除侧向力传感器的设计方法，所述的设计方法是在力传感器1下面加装HMAR装置2。所述的力传感器1包括弹性元件、顶头7、应变计、测量电路；将顶头7安装在弹性元件中上部，用于将受力传递给弹性元件；将应变计粘贴在弹性元件内部，并与测量电路连接，应变计用于测量弹性元件变形量，测量电路用于将测量的变形量转化为电信号并通过补偿电阻消除因材料变形温度产生的温漂的影响。所述的HMAR装置2包括壳体3、压板4、滑块5、复位弹簧6；将壳体3设计为凹槽结构，位于HMAR装置2底部；将压板4设计为中空矩形结构，安装在壳体3上，压板4中空结构内、壳体3凹槽上安装滑块5，滑块5两端与复位弹簧6连接，复位弹簧6两端通过固定块安装在壳体3凹槽结构上，设计复位弹簧用于确保该装置的侧向力的初始零位值。力传感器1在承受负载产生侧向力时，HMAR装置2中的滑块5带动力传感器1向侧向力的方向随动，用于消除飞机称重时产生的侧向力。

所述的力传感器1材料选用弹性体材料马氏体时效钢。

考虑测量电路电阻值和电桥灵敏度系统变化对力传感器的影响，在测量电路上设计补偿电阻Rt和补偿电阻Re，分别进行线路补偿和灵敏度补偿保证力传感器的温度补偿。

所述的线路补偿是在测量电桥的桥臂上串联一个高电阻温度系数的补偿电阻Rt，补偿电阻Rt产生的温度效应正好抵消零点漂移。补偿电阻Rt在桥路上的串接方法是：零点温漂，如果随温度升高，信号增大，则将补偿电阻串在使输出信号减小的桥臂上；反之，将补偿电阻串在使输出信号增大的桥臂上。

补偿电阻Rt材料为康铜丝，其电阻值为：Rt＝4ΔUt/1000U(αm-αg)Δt×R，式中，ΔUt为零点温漂，αm与αg分别是补偿电阻材料与应变计的电阻温度系数，R为桥臂电阻，Δt为温度变化值。

所述的灵敏度补偿是在测量电桥供桥电压两输入端分别接电阻值相同的补偿电阻Re/2，保证测量电桥的对称。当温度升高时，补偿电阻Re也增大，供桥电压减小，使测量电桥输出减小。

灵敏度补偿电阻值为：Re＝(αk-αe)/2(αm+αe-αk)×R，式中，αk为应变计灵敏系数K的温度系数；αe为材料弹性模量E的温度系数；αm为补偿电阻的电阻温度系数R为桥臂电阻。

本发明的有益效果为：本发明解决了飞机称重时侧向力对重量结果的影响，提高了称重数据的准确性，取得了一定的经济效益。同时，该项发明弥补了力测量传感器不可调的空缺，为后续可调式力传感器进一步研究提供了依据。

附图说明

图1是本发明的示意图；

图2是HMAR装置示意图；

图中：1力传感器；2HMAR装置；3壳体；4压板；5滑块；6复位弹簧；7顶头。

具体实施方式

以下结合具体实施方式对本发明做进一步说明。

一种飞机称重消除侧向力传感器的设计方法，该设计方法是在力传感器1下面加装HMAR装置2，力传感器1在承受负载时，即当侧向力产生时，通过HMAR装置2来消除侧向力。所述的力传感器1包括弹性元件(壳体)、顶头7、应变计、测量电路；所述的弹性元件为力传感器1的主要受力部件，主要感受外力后产生弹性变形，顶头7安装在弹性元件中上部，用于直接承载外部受力，并将受力传递给弹性元件；应变计粘贴在弹性元件内部，并与测量电路连接，应变计用于测量弹性元件变形量，测量电路用于将测量的变形量转化为电信号并通过补偿电阻消除因材料变形温度产生的温漂的影响。所述的HMAR装置2包括壳体3、压板4、滑块5、复位弹簧6；所述的壳体3为凹槽结构，位于HMAR装置2底部，是HMAR装置2的主要承力构件；压板4为中空矩形结构，安装在壳体3上，压板4中空结构内、壳体3凹槽上设有滑块5，滑块5两端与复位弹簧6连接，复位弹簧6两端通过固定块安装在壳体3凹槽结构上。HMAR装置2中的滑块5带动力传感器1向侧向力的方向随动，能够消除飞机称重时产生的侧向力；该设计方法还包括以下内容：

(1)将应变计粘贴在弹性元件三个方向(X\Y\Z)表面，弹性元件在载荷的作用下产生变形，其应变与外力大小成正比，同时应变计也产生变形，使其电阻值发生变化，产生一个电阻增量。该电阻增量由应变计组成的惠斯顿电桥测量电路把它转换成电压增量，电压增量值与力传感器所承受的载荷值成正比。将电压信号通过A/D转换后，传输到计算机进行分析处理，可计算出作用在力传感器上的力和力矩。

(2)将力传感器1的两个侧向应变梁结构形式分别设计，即虽然两个侧向分量量程精度要求一样，但是应变梁的结构形式不同，弹性体呈长方体，加长一个方向的长度以保障另一个方向的尺寸要求，对传感器精度进行再分配，轴向(主分量Z)精度比其余两个侧向分量高一个数量级，即为保证轴向分量，牺牲侧向分量精度。必要的时候，增加三维传感器校准系数结算中轴向分量权重。确定传感器结构形式后，对应变梁结构进行计算，确定输入参数和输出参数，通过软件筛选出最优尺寸，最后用有限元仿真计算进行验证计算，以保证计算准确性。以传感器轴向力Z方向承载20T为例，测量指标见下表1。

表1

序号	分量	量程	精度
				1	轴向力Fz	200000N	0.05％F.S
2	侧向力Fx	30000N	0.5％F.S
				3	侧向力Fy	30000N	0.5％F.S

力传感器1材料选用弹性体材料00Ni18Co8Mo5TiAl马氏体时效钢，其具有良好弹性、高强度、高冲击韧性与疲劳轻度、小热膨胀系数、良好的弹性模量温度稳定性以及良好的机械加工性能和热处理性能。

(3)考虑测量电路电阻值和电桥灵敏度系统变化对力传感器的影响，在测量电路上设计补偿电阻Rt和补偿电阻Re，分别进行线路补偿和灵敏度补偿保证力传感器的温度补偿。

所述的线路补偿是在测量电桥的桥臂上串联一个高电阻温度系数的补偿电阻Rt，补偿电阻Rt产生的温度效应正好抵消零点漂移。补偿电阻Rt在桥路上的串接方法是：零点温漂，如果随温度升高，信号增大，则将补偿电阻串在使输出信号减小的桥臂上；反之，将补偿电阻串在使输出信号增大的桥臂上。

补偿电阻Rt材料为康铜丝，其电阻值为：Rt＝4ΔUt/1000U(αm-αg)Δt×R，式中，ΔUt为零点温漂，αm与αg分别是补偿电阻材料与应变计的电阻温度系数，R为桥臂电阻。

所述的灵敏度补偿是在测量电桥供桥电压两输入端分别接电阻值相同的补偿电阻Re/2，保证测量电桥的对称。当温度升高时，补偿电阻Re也增大，供桥电压减小，使测量电桥输出减小。

灵敏度补偿电阻值为：Re＝(αk-αe)/2(αm+αe-αk)×R，式中，αk为应变计灵敏系数K的温度系数；αe为材料弹性模量E的温度系数；αm为补偿电阻的电阻温度系数R为桥臂电阻。

(4)考虑到移动量消除位移的方式，设计HMAR装置2，通过带动力传感器随动方式消除侧向力，其中HMAR装置中的滑块为移动部件，并承载力传感器，压板起安装定位作用，复位弹簧确保该装置的侧向力的初始零位值。

力传感器是综合机械分解和电气分解，整体实现力和力矩的分解。力传感器的力和力矩的分解是从两个方面同时进行：机械分解和电气分解。所谓机械分解，是力传感器通过不同结构形式的测量元件，使它们在载荷的作用下，对各自测量分量的载荷敏感产生相对明显的变形，而对其他分量的载荷不敏感不产生或尽量最小的变形，实现结构上对力和力矩的机械分解或部分机械分解。电气分解，是指通过应变计的粘贴位置与全桥测量电路的设置，是其它分量的载荷所产生的应变不改变电桥的平衡状态，实现力和力矩的电气分解。

在飞机称重测量过程中，当有侧向力产生时，HMAR装置带动力传感器进行自适应的移动，有效避免了飞机顶升和姿态调整过程中产生的侧向力对传感器测量的影响。

以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种飞机称重消除侧向力传感器的设计方法，其特征在于，所述的设计方法是在力传感器(1)下面加装HMAR装置(2)；所述的力传感器(1)包括弹性元件、顶头(7)、应变计、测量电路；将顶头(7)安装在弹性元件中上部，用于将受力传递给弹性元件；将应变计粘贴在弹性元件内部，并与测量电路连接，应变计用于测量弹性元件变形量，测量电路用于将测量的变形量转化为电信号并通过补偿电阻消除因材料变形温度产生的温漂的影响；所述的HMAR装置(2)包括壳体(3)、压板(4)、滑块(5)、复位弹簧(6)；将壳体(3)设计为凹槽结构，位于HMAR装置(2)底部；将压板(4)设计为中空矩形结构，安装在壳体(3)上，起安装定位作用；压板(4)中空结构内、壳体(3)凹槽上安装滑块(5)，滑块(5)为移动部件并承载力传感器(1)，且滑块(5)两端与复位弹簧(6)连接，复位弹簧(6)两端通过固定块安装在壳体(3)凹槽结构上，设计复位弹簧用于确保该装置的侧向力的初始零位值；考虑到移动量消除位移的方式，设计HMAR装置(2)，力传感器(1)在承受负载产生侧向力时，HMAR装置(2)中的滑块(5)带动力传感器(1)向侧向力的方向随动，用于消除飞机称重时产生的侧向力。

2.根据权利要求1所述的一种飞机称重消除侧向力传感器的设计方法，其特征在于，考虑测量电路电阻值和电桥灵敏度系统变化对力传感器的影响，在测量电路上设计补偿电阻Rt和补偿电阻Re，分别进行线路补偿和灵敏度补偿保证力传感器的温度补偿；

所述的线路补偿是在测量电桥的桥臂上串联一个高电阻温度系数的补偿电阻Rt，补偿电阻Rt产生的温度效应用于抵消零点漂移；补偿电阻Rt在桥路上的串接方法是：零点温漂，如果随温度升高，信号增大，则将补偿电阻串在使输出信号减小的桥臂上；反之，将补偿电阻串在使输出信号增大的桥臂上；

补偿电阻Rt材料为康铜丝，其电阻值为：Rt＝4ΔUt/1000U(αm-αg)Δt×R，式中，ΔUt为零点温漂，αm与αg分别是补偿电阻材料与应变计的电阻温度系数，R为桥臂电阻，Δt为温度变化值；

所述的灵敏度补偿是在测量电桥供桥电压两输入端分别接电阻值相同的补偿电阻Re/2，保证测量电桥的对称；

灵敏度补偿电阻值为：Re＝(αk-αe)/2(αm+αe-αk)×R，式中，αk为应变计灵敏系数K的温度系数；αe为材料弹性模量E的温度系数；αm为补偿电阻的电阻温度系数，R为桥臂电阻。

3.根据权利要求1所述的一种飞机称重消除侧向力传感器的设计方法，其特征在于，所述的力传感器(1)材料选用弹性体材料马氏体时效钢。