专利名称：一种飞机驾驶杆力及位移测量装置及其测量方法
技术领域：
本发明涉及一种飞机驾驶杆力及位移测量装置及其测量方法，特别是驾驶员操纵驾驶杆操纵力及位移的测量装置及其方法，属于航空工程试验测试领域。
背景技术：
目前，在飞机驾驶杆力及位移测量中，往往是针对特定的驾驶杆对其进行改造而完成驾驶杆力及位移的测量；或者是设计专门的夹具和连接件，使用通用的拉压力传感器测量驾驶杆力，使用角位移传感器、直线位移传感器、拉线位移传感器测量驾驶杆位移，存在以下不足1、对特定的驾驶杆进行改造，需要根据驾驶杆的结构专门设计完成驾驶杆力测量单元，作为驾驶杆的一部分与驾驶杆组合在一起。对驾驶杆改造的结果可能会影响驾驶杆的强度等原有功能特性，另一方面，改造飞机驾驶杆的工艺复杂，实施难度大，导致成本也很高，且不具有通用性。2、设计专门的夹具和连接件，使用通用的拉压力传感器只能完成纵向驾驶杆力测量，需要将这些分散的夹具、连接件和拉压力传感器等组装在一起。上述测量实现中，使用测量传感器及夹具繁多，纵向和横向尺寸大，需要占用很大的空间，给现场安装与使用带来很大困难。3、对于驾驶杆位移测量，使用角位移传感器、直线位移传感器、拉线位移传感器， 设计专门的传感器安装支座并配以专门设计的夹具、连杆传动机构完成，并将这些分散的夹具、连接件和位移传感器等组装在一起。为了提高测量精度和结果的可靠性，要求传感器和连杆传动机构精确安装，以保证机械量可靠、精确地传递，从而导致安装、使用、调整非常困难。随着微电子技术、微机械加工技术、自动测量技术、嵌入式技术、微机电系统 (MEMS)、压电技术的兴起和发展，传感器朝着微型化、功能化的方向不断发展，其灵敏度越来越高、输出带宽越来越高、抗干扰能力也越来越强。设计一种不需要对飞机驾驶杆进行改造，安装使用方便，能完成飞机驾驶杆力及位移测量装置的条件已经成熟。
发明内容
本发明的目的是设计一种飞机驾驶杆力及位移测量装置及其测量方法，将传统的传感器与测量中的夹具、连接件和施力单元集成在一起，能装夹在各种形式和尺寸的驾驶杆上；既不需要对驾驶杆进行改造，也不需要设计专门的夹具和连接件，同时，缩小整个测量装置所占用的空间，能方便地与驾驶杆安装连接在一起。本发明的技术方案是一种飞机驾驶杆力及位移测量装置由操纵手柄、力信号检测单元、位移信号检测单元和安装连接单元组成，操纵手柄、力信号检测单元、安装连接单元和位移信号检测单元在空间上按“ 1”字型结构组合集成在一起，操纵手柄和安装连接单元布置在力信号检测单元的上下两边，在安装连接单元下边布置位移信号检测单元；
其中操纵手柄用于施加操纵力，模拟驾驶员操纵，且不改变实际操纵情况，力信号检测单元和位移信号检测单元用于检测操纵过程操纵力和位移的大小，要求所检测力信号连续、准确，安装连接单元用于驾驶杆力及位移测量装置与驾驶杆的安装连接，以便于通过对驾驶杆力及位移测量装置的操作带动驾驶杆的运动，能间接来操纵驾驶杆。驾驶杆力及位移测量装置可以是完整的一个整体，将操纵手柄、力信号检测单元、 安装连接单元和位移信号检测单元相互连接，按“1”字型组成。这样的好处在于不需要单独操纵手柄、力信号检测单元、位移信号检测单元和安装连接单元，一次完成，整体效果好。当然，操纵手柄、力信号检测单元、位移信号检测单元和安装连接单元也可以是独立零部件，使用连接件进行连接，组装在一起成为一个整体。驾驶杆力及位移测量装置中力信号检测单元采用“8”字形的框架式结构，由矩形孔与上下两个圆孔截交形成，其形状类似一个“哑铃”，在上下两个圆孔的内表面分别布置有2个应变片，上下两个圆孔中的4个应变片接成桥路测量垂直于应变梁平面的力，既操纵力的大小。位移信号检测单元用于测量驾驶杆运动过程中的角度变化，并将角度变化转换为驾驶杆运动的位移，使用倾角测量单元可以省去连杆传动机构，简化安装和调整。倾角测量单元利用重力或敏感元件对载体倾斜角度的反应，产生相应变化的电信号，从而测量出角度变化，它一般有较稳定的零位，可以较准确的测量相对零位的绝对角度，而不是通过积分计算得到，从而在较大程度上避免了误差积累。本发明用于飞机驾驶杆操纵力的测试方法包括以下步骤根据驾驶杆的大小、形状等使用专门的夹具与安装连接单元连接，实现驾驶杆力及位移测量装置与驾驶杆的安装连接，以便于通过对驾驶杆力及位移测量装置的操作带动驾驶杆的运动，来间接操纵驾驶杆；在驾驶杆的运动过程中，实时采集记录驾驶杆力及位移测量装置输出的力和角度，以及将角度转换得到驾驶杆位移；通过操纵手柄施加操纵力，模拟驾驶员操纵，且不改变实际操纵情况。本发明的优选方法进一步包括以下步骤，在纵向驾驶杆力测量中，将测量装置安装在驾驶杆与操作人员之间，便于操作人员通过操纵手柄向前推驾驶杆，或者是向后拉驾驶杆。在横向驾驶杆力测量中，将测量装置安装在驾驶杆的左侧，便于操作人员通过操纵手柄向左压驾驶杆，或者是向右拉驾驶杆；当然，也可以将测量装置安装在驾驶杆的右侧，由操作人员通过操纵手柄向左拉驾驶杆，或者是向右压驾驶杆。本发明方法还包括以下步骤由力信号检测单元和位移信号检测单元分别检测操纵过程操纵力和位移的大小，要求所检测力信号和位移信号连续、准确。在纵向操纵力的测量中，向前推驾驶杆时，力信号和位移信号输出为正，向后拉驾驶杆时，力信号和位移信号输出为负；在横向操纵力的测量中，向左压驾驶杆时，力信号和位移信号输出为正，向右拉驾驶杆时，力信号和位移信号输出为负。本发明具有结构紧凑、简单，空间尺寸小、成本低、工作可靠、测试精度高，符合飞机驾驶杆实际操纵情况，安装使用调整方便的特点，适用于各种类型飞机驾驶杆操纵力的测量。
下面结合附图和实施例对本发明作详细描述。
图1为本发明组成结构图。图2为本发明一个实施例的组成结构图。图3为本发明力信号检测单元一个实施例的原理示意图。图4为本发明力信号检测单元另一实施例的原理示意图。
具体实施例方式—种飞机驾驶杆力及位移测量装置组成结构如图1所示，由操纵手柄[1]、力信号检测单元[2]、位移信号检测单元[3]和安装连接单元[4]组成，操纵手柄[1]、力信号检测单元[2]、安装连接单元[4]和位移信号检测单元[3]在空间上按“1”字型结构组合集成在一起，操纵手柄[1]和安装连接单元[4]布置在力信号检测单元[2]的上下两边，在安装连接单元[4]下边布置位移信号检测单元[3]；其中操纵手柄[1]用于施加操纵力，模拟驾驶员操纵，且不改变实际操纵情况，力信号检测单元[2]和位移信号检测单元[3]用于检测操纵过程操纵力和位移的大小，要求所检测力信号连续、准确，安装连接单元[4]用于驾驶杆力及位移测量装置与驾驶杆的安装连接，以便于通过对驾驶杆力及位移测量装置的操作带动驾驶杆的运动，能间接来操纵驾驶杆。驾驶杆力及位移测量装置中将操纵手柄[1]、力信号检测单元[2]、安装连接单元 [4]和位移信号检测单元[3]，按“1”字型依次相互连接组成，这样的好处在于不需要单独操纵手柄[1]、力信号检测单元[2]、位移信号检测单元[3]和安装连接单元W]，一次完成， 整体效果好。或者将操纵手柄[1]、力信号检测单元[2]、位移信号检测单元[3]和安装连接单元[4]设计为独立零部件，使用连接件进行连接，组装在一起成为一个整体。驾驶杆力及位移测量装置中力信号检测单元[2]采用“8”字形的框架式结构，由矩形孔与上下两个圆孔截交形成，其形状类似一个“哑铃”，在上下两个圆孔的内表面分别布置有2个应变片，上下两个圆孔中的4个应变片接成桥路测量垂直于应变梁平面的力，既操纵力的大小。位移信号检测单元[3]用于测量驾驶杆运动过程中的角度变化，并将角度变化转换为驾驶杆运动的位移，使用倾角测量单元可以省去连杆传动机构，简化安装和调整。倾角测量单元利用重力或敏感元件对载体倾斜角度的反应，产生相应变化的电信号，从而测量出角度变化，它一般有较稳定的零位，可以较准确的测量相对零位的绝对角度，而不是通过积分计算得到，从而在较大程度上避免了误差积累。安装连接单元[4]为凹陷的环状，以便于通过卡环与驾驶杆的连接固定。操纵手柄[1]的内侧为多段弧形，外侧为整段的圆弧，符合人体工程学，便于手握手柄来施加操纵力。飞机驾驶杆力及位移测量装置可以采用铝合金材料、不锈钢材料，或者是其它弹性材料。
图2为本发明一个实施例的组成结构图。实施例中，将操纵手柄[1]、力信号检测单元[2]、安装连接单元[4]和位移信号检测单元[3]，按“1”字型依次布置，作为一个整体；这样就不需要单独操纵手柄[1]、力信号检测单元[2]、位移信号检测单元[3]和安装连接单元W]，一次完成，整体效果好。实施例中安装连接单元W]为一通孔，以便于通过螺栓与驾驶杆的连接固定。位移信号检测单元[3]选用JEWELL公司LSRP-90力平衡式伺服倾角传感器。下面分析力平衡式伺服倾角测量原理。力平衡式伺服倾角传感器由非接触位移传感器、力矩马达、误差和放大电路、反馈电路、悬臂质量块五部分组成。悬臂质量块与力矩马达的电枢连接在一起。非接触位移传感器用于检测质量块的位移量和方向。当整个传感器发生倾斜时，悬臂质量块便离开原来的平衡位置，非接触位移传感器检测出该变化后，将位置信号送入误差和放大电路，一方面传感器输出与倾角成一定比例的模拟信号；另一方面，该信号经反馈电路送入力矩马达的线圈，此时，力矩马达会产生一个与悬臂质量块运动方向相反、大小相等的力矩，力图使悬臂质量块回到原来的平衡位置。这样经过一定的时间后，悬臂质量块就停留在一个新的平衡位置上，这时，传感器输出的信号才是真正有效的信号。该输出信号一般为直流电压信号， 也可内置V/I转换，输出4 20mA信号。传感器的输出无论是电压或者电流信号，都与用度来表示的角度值成正弦关系。 也就是说，要直接以度、分、秒为计量单位来表示角度值是，必须将传感器输出的电压或电流信号进行反正弦运算。力平衡式伺服倾角传感器中，力矩电机通常用来感测飞机在允许范围内的角度动作的加速度或倾角的变化。当存在加速度或倾角时，有一个与机械不平衡成一定比例的力矩，产生一个物理输入，该力矩产生一个角度动作能被一个光学位置传感器感测。该位置传感器输出与一个参考电压相比较，其差值作为误差信号输入伺服放大器。伺服放大器输出电流送入力矩电机，与原来加速度或倾角力矩方向相反。当输入一个惯性常量时，力矩电机的角位置与Og时的位置略有不同。伺服放大输出电流与输入加速度或输入倾角的正弦成正比，通过负载电阻测量通过的伺服电流得到一个模拟电压。本发明的上述特征可作如下变化，但它们都没有偏离本发明的实质。如安装连接单元[4]也可以选择多个安装孔，或者是选择螺栓孔，或者是多个螺栓孔，以便与驾驶杆的连接固定。如位移信号检测单元[3]除选用JEWELL公司LSRP-90倾角传感器外，还可以选择机械式倾角传感器、气体摆倾角传感器、液面(气泡)类倾角传感器、石英谐振倾斜仪， 或者是其它厂家的其它类型的伺服倾角传感器，如VTI Technologies公司的SCA 610、 SCA111T、SCA121T，或者是辉格公司的Models901-45 & 902-45、0717-4304_99倾角传感器。图3为本发明力信号检测单元一个实施例的原理示意图。驾驶杆力及位移测量装置中力信号检测单元[2]采用悬臂平行梁结构弹性体，该悬臂平行梁有特殊形状的孔，由矩形孔与上下两个圆孔截交形成，其形状类似“哑铃”，用于力信号的检测；力信号检测单元[2]的悬臂平行梁的上部圆孔内侧面中心分别布置有2个应变片 [5]、W]，下部圆孔内侧面中心分别布置有2个应变片[7]、[8]，悬臂平行梁两个圆孔内的4个应变片接成桥路测量垂直于应变梁平面的力，既操纵力的大小。图4为本发明力信号检测单元另一个实施例的原理示意图。驾驶杆力及位移测量装置中力信号检测单元[2]采用框架式结构，是2个形状类似矩形框架，用于力信号的检测，整个框架分为上下两部分，由2个互相平行的应变梁 [13]、[14]和与之垂直的3个支撑连接端[15]、[16]、[17]组成，支撑连接端[16]为框架上下两部分公用部分，上部支撑连接端[15]和下部支撑连接端[17]用于与驾驶杆力及位移测量装置其它部分的连接；在框架的两个应变梁[13]、[14]上半部分的内侧平面中心分别布置有2个应变片、[10]，以及在两个应变梁[13]、[14]下半部分的内侧平面中心分别布置有2个应变片 [11]、[12]，框架中的4个应变片接成桥路测量垂直于应变梁平面的力，既操纵力的大小。下面，分析力信号检测原理。当通过操纵手柄[1]施力时，其作用与X轴平行，力的方向与X方向相反，这时，应变梁[13] [14]产生变形，由于在应变梁[13] [14]的内侧平面中心分别布置有4个应变片[9]、[10]、[11]、[12]，应变片[9], [11]受到拉伸，而应变片,[12]受到压缩；反之，当通过操纵手柄[1]施加反向力时，其作用与X轴平行，力的方向与X方向一致，这时，在应变梁[13] [14]的内侧平面中心分别布置应变片[9], [11]受到压缩，而应变片[10]、[12]受到拉伸。将上述力信号检测单元[2]中的4个应变片接成全桥形式，就可以测量操纵手柄 [1]所施加力的大小。
权利要求
1.一种飞机驾驶杆力及位移测量装置，其特征在于测量装置由操纵手柄[1]、力信号检测单元[2]、位移信号检测单元[3]和安装连接单元[4]组成，操纵手柄[1]、力信号检测单元[2]、安装连接单元[4]和位移信号检测单元[3]在空间上按“1”字型结构组合集成在一起，操纵手柄[1]和安装连接单元[4]布置在力信号检测单元[2]的上下两边，在安装连接单元[4]下边布置位移信号检测单元[3]；其中操纵手柄[1]用于施加操纵力，模拟驾驶员操纵，且不改变实际操纵情况，力信号检测单元[2]和位移信号检测单元[3]用于检测操纵过程操纵力和位移的大小，要求所检测力信号连续、准确，安装连接单元[4]用于驾驶杆力及位移测量装置与驾驶杆的安装连接，以便于通过对驾驶杆力及位移测量装置的操作带动驾驶杆的运动，能间接来操纵驾驶杆。
2.根据权利要求1所述的一种飞机驾驶杆力及位移测量装置，其特征在于将操纵手柄 [1]、力信号检测单元[2]、安装连接单元[4]和位移信号检测单元[3]，按“1”字型依次布置，作为一个整体。
3.根据权利要求1所述的一种飞机驾驶杆力及位移测量装置，其特征在于驾驶杆力及位移测量装置中力信号检测单元[2]采用悬臂平行梁结构弹性体，该悬臂平行梁有特殊形状的孔，由矩形孔与上下两个圆孔截交形成，其形状类似“哑铃”，用于力信号的检测；力信号检测单元[2]的悬臂平行梁的上部圆孔内侧面中心分别布置有2个应变片[5]、 W]，下部圆孔内侧面中心分别布置有2个应变片[7]、[8]，悬臂平行梁两个圆孔内的4个应变片接成桥路测量垂直于应变梁平面的力，既操纵力的大小。
4.根据权利要求1所述的一种飞机驾驶杆力及位移测量装置，其特征在于驾驶杆力及位移测量装置中力信号检测单元[2]采用框架式结构，是2个形状类似矩形框架，用于力信号的检测，整个框架分为上下两部分，由2个互相平行的应变梁[13]、[14]和与之垂直的3 个支撑连接端[15]、[16]、[17]组成，支撑连接端[16]为框架上下两部分公用部分，上部支撑连接端[15]和下部支撑连接端[17]用于与驾驶杆力及位移测量装置其它部分的连接；在框架的两个应变梁[13]、[14]上半部分的内侧平面中心分别布置有2个应变片[9]、 [10]，以及在两个应变梁[13]、[14]下半部分的内侧平面中心分别布置有2个应变片[11]、 [12]，框架中的4个应变片接成桥路测量垂直于应变梁平面的力，既操纵力的大小。
5.根据权利要求1所述的一种飞机驾驶杆力及位移测量装置，其特征在于位移信号检测单元[3]用于测量驾驶杆运动过程中的角度变化，并将角度变化转换为驾驶杆运动的位移。
6.一种飞机驾驶杆力及位移测量方法，其特征在于根据驾驶杆的大小、形状等使用专门的夹具与安装连接单元连接，实现驾驶杆力及位移测量装置与驾驶杆的安装连接，以便于通过对驾驶杆力及位移测量装置的操作带动驾驶杆的运动，来间接操纵驾驶杆；在驾驶杆的运动过程中，实时采集记录驾驶杆力及位移测量装置输出的力和角度，以及将角度转换得到驾驶杆位移；通过操纵手柄施加操纵力，模拟驾驶员操纵，且不改变实际操纵情况。
7.根据权利要求6所述飞机驾驶杆力及位移测量方法，其特征在于在纵向驾驶杆力测量中，将测量装置安装在驾驶杆与操作人员之间，便于操作人员通过操纵手柄向前推驾驶杆，或者是向后拉驾驶杆。
8.根据权利要求6所述飞机驾驶杆力及位移测量方法，其特征在于在横向驾驶杆力测量中，将测量装置安装在驾驶杆的左侧，便于操作人员通过操纵手柄向左压驾驶杆，或者是向右拉驾驶杆；当然，也可以将测量装置安装在驾驶杆的右侧，由操作人员通过操纵手柄向左拉驾驶杆，或者是向右压驾驶杆。
9.根据权利要求6所述飞机驾驶杆力及位移测量方法，其特征在于由力信号检测单元和位移信号检测单元分别检测操纵过程操纵力和位移的大小。
10.根据权利要求6所述飞机驾驶杆力及位移测量方法，其特征在于在纵向操纵力的测量中，向前推驾驶杆时，力信号和位移信号输出为正，向后拉驾驶杆时，力信号和位移信号输出为负；在横向操纵力的测量中，向左压驾驶杆时，力信号和位移信号输出为正，向右拉驾驶杆时，力信号和位移信号输出为负。
全文摘要
一种飞机驾驶杆力及位移测量装置及其测量方法，属于航空工程试验测试领域。其特征在于测量装置由操纵手柄、力信号检测单元、位移信号检测单元和安装连接单元组成，操纵手柄、力信号检测单元、位移信号检测单元和安装连接单元在空间上按“1”字型结构组合集成在一起，力信号检测单元和位移信号检测单元分布在安装连接单元的上下两边，测量装置通过安装连接单元与驾驶杆连接，通过操纵手柄施加力到驾驶杆并操纵其运动，操纵力和位移的大小通过力信号检测单元和位移信号检测单元测量。本发明具有结构紧凑、简单，空间尺寸小、成本低、工作可靠、测试精度高，安装使用调整方便的特点，适用于各种类型飞机驾驶杆操纵力及位移的测量。
文档编号G01L5/22GK102252796SQ20111011200
公开日2011年11月23日 申请日期2011年4月22日 优先权日2011年4月22日
发明者支怡 申请人:支怡