飞机机翼结构变形量测量装置

根据式 （ 1） 计算得到弯曲的角度分别为 θs = 4. 23°，θA = 7. 25°。几何测量方法测量的结果为 θs ' = 3. 50°，θA ' = 6. 75°， 所得结果相比，误差小于 0. 8°。 4 结束语
该测量装置以微机电加速度计 MS8010 为核心传感器，采 用 DSP 处理器和高精度 A / D 转换器，能够同时完成 12 路加速 度信号的采样和 数 据 实 时 存 储，具 有 体 积 小、精 度 高 和 质 量 轻 的特点。实验结果证明该装置可以满足机翼结构载荷测量的 要求。 参考文献：
量的测量装置。对测量原理进行了介绍，给出了系统的硬件设计方法和软件流程。该装置的采样频率为 200 Hz，能够同
时完成 12 路加速度信号的采样和数据实时存储。结果表明测量弯曲角度误差在 0． 8° 以内，满足阵风载荷减缓主动控制
系统的使用要求，验证了设计的合理性。
关键词： 微机电加速度计； 机翼结构变形； 阵风载荷减缓
电容式传感器，功耗低，结构坚固，输出稳定，应用广泛。
加速度计 MS8010 量程为 ± 10 g，分辨率为 0． 25 mg． 比例
因子（ 200 ± 2） mV / g，在全量程范围内比例因子的长期稳定性
及偏差典型值小于 0. 1% ，用 Vout 表示传感器的输出电压，得加 速度的实际输入（ 单位 m / s2 ） 为
另外，还有串口接 收 中 断 服 务 程 序，主 要 接 收 串 口 发 来 的 导出 Flash 数据命令，将 Flash 里的数据发送到地面 PC 机。 3 测量结果
测量装置如上所述安装固定在某小型滑翔机的机翼上，翼 展 2. 5 m． 模拟弯矩的作用，将机翼翼根一端固定，机翼翼尖处 放置 500 g 重物使其发生弹性变形，测量加速度计的输出。加 速度计 S 和 A 的输出结果如图 9 所示。
第2 期
张京娟等： 飞机机翼结构变形量测量装置
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{αA = g0 cos θA αS = g0 cos θS
（ 1）
式中： θA 和 θS 为弹性弯曲角度； g0 表示当地的重力加速度，g0
= 9. 78 m / s2 ．
同理扭矩 T 作用下的机翼变形量可以通过测量翼间两侧
与翼尖两侧的加速度（ 加速度计 B、C、B'、C'） 计算得到。
2． 2 系统软件设计 主程序首先完成系统的初始化，包括 TMS320F2812 时钟电
路、存储器、中断向量及各通讯接口等的初始化，以及 ADS1258 的初始化设置（ 包括工作方式、转换频率和通道数量等） 。初始 化完成后，进行 Flash 扇区擦除，完成后开放外部中断和定时中 断，完成数据的采集、存储和导出。流程见图 6。
MS8010 使用简单，输出为模拟电压信号，大小与加速度的 输入和供电电压有关。可通过测量测量 VAGND 信号得到供电
Байду номын сангаас
图 4 MS8010 加速度计的接口电路
由于测量装置要测量 12 路模拟信号，如果耦合供电电压
的影响，需要 24 路 A / D 通道采集传感器的输出。为简化设计，
使用精密电压源 AD586 为其供电（ 此时 Vout = （ 5 ± 0. 005） V，可
认为 VAGND 为已知） ，因此只需 12 路 A / D 转换通道便可完成
传感器信号的采集。12 路模拟输入信号被配置成单端输入方
式进入 A / D 转换器 ADS1258。
16 MHz 有 源 晶 振 为 ADS1258 提 供 稳 定 的 时 钟 信 号。
TMS320F2812 的通用输入输出引脚 GPIOF13 连接 ADS1258 的
个外部中 断 源，可 通 过 外 部 中 断 服 务 程 序 来 读 取 转 换 结 果。
ADS1258 接口电路设计如图 5 所示。
通过设置 CONFIG0 寄存器中的 BYPAS 位，选择待转换的
电压信号由外部缓冲方式送到 ADS1258，有效抑制输入端的噪
声。外部精密电压参考源使用 REF3125。用 Dig 表示 ADS1258
图 2 静态下加速度计输出
2 系统的设计和实现 2． 1 系统硬件设计
根据机翼的结构和控制系统的设计需求，测量装置一共要 完成 12 路加速度计数据的采集，采样频率为 200 Hz． 另外系统 还应具备一定的数据存储能力。
主控芯片采用 TMS320F2812DSP，该 DSP 是 32 位定点数字 信号处理器，器件 上 集 成 了 多 种 先 进 的 外 设，目 前 广 泛 应 用 于 运动控制 领 域。出 于 对 采 样 精 度 和 分 辨 率 的 考 虑，没 有 使 用 DSP 芯 片 自 带 的 12 位 ADC，而 是 使 用 24 位 A / D 转 换 器 ADS1258，自动通道检测通道采样速率最大为 23. 7 Ks / s，模拟 输入多路复用器可配置成 8 路差分输入或 16 路单极输入。另 外系统外扩 4M 字节的 Flash 存储器 AT49BV320C，用来实时存 储加速度计的输出。硬件结构如图 3 所示。
0 引言 由于飞机低空飞行时阵风或紊流产生的气动力和力矩会
给飞机带来不期望的附加过载，其中由垂直阵风引起的过载影 响较大，导致机体要承受较大的动态结构载荷（ 如翼根处存在 较大弯矩） ，从而容易发生疲劳损坏。问题的解决主要依赖于 日臻成熟的阵风载荷减缓技术，前提是能够对机翼的弹性变形 量进行实时高精 度 测 量，可 见，高 精 度 的 测 量 系 统 对 飞 机 的 结 构设计和性能评估等都具有重要意义。
中图分类号： V224. 4
文献标识码： A
文章编号： 1002 － 1841（ 2012） 02 － 0100 － 03
Design of Measuring Device for Deformation of Airplane's Wing Structure
ZHANG Jing-juan，QIN Hai-xia，WU Jun （ School of Instrument Science and Opt-electronics Engineering， Beijing University of Aeronautics and Astronautics，Beijing 100191，China）
a = （ Vout － VAGND ） / res
（ 2）
式中： VAGND = VDD /2，即供电电压的一半，res = 200 mV / g．
静止状态下测量结果如图 2 所示，传感器输出最大误差在
8 mg 以内，计算标准差为 2. 18 mg．
图 3 硬件结构图
电压的 大 小。另 外，它 还 可 以 输 出 传 感 器 内 部 的 温 度 信 息 （ Vtemp 管脚） ，通过对温度建模并补偿便可实现更高精度的测 量。图 4 为 MS8010 的典型接口电路。
Abstract： In order to alleviate gust disturbance to the plane，improving accuracy of the flight control，a real-time measuring device based on MEMS accelerometers was designed for aerodynamics deformation of the wing． The measuring principle was introduced firstly，then the hardware design method and software process were described． The sampling frequency of the device was 200 Hz，and 12 channels data of accelerometers were sampled and saved simultaneously． The experimental results prove that the measurement error of the bending angle is less than 0． 8°，and the device can meet the requirement of gust load alleviation active control system，proving the rationality of this design． Key words： MEMS accelerometer； aerodynamics deformation of the wing； gust load alleviation
图 6 主程序
A /D 数据的采样使用中断的方式。通道数据转换完成后， ADS1258 的 DRDY 信号有效。此时可以通过 SPI 接口读取 A / D 通道的数据。在循环通道模式下，可以通过数据字节中的首 字节，即状态字节查询得到通道的 ID 号。外中断处理流程如 图 7 所示。
初始化 ADS1258 时，转换延时命令位 DLY［2： 0］写入 001， 此时 ADC 的转换频率为 19 959 Hz． 要取得 200 Hz 的采样数 据，可以通过定时中断的方式。在 5 ms 的定时中断服务程序中 完成采样数据的平滑处理，并进行数据的存储。5 ms 定时中断 程序流程如图 8 所示。
2012 年 第2 期
仪表技术与传感器
Instrument Technique and Sensor
2012 No. 2
飞机机翼结构变形量测量装置
张京娟，秦海霞，吴 君
（ 北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京 100191）
摘要： 为减缓阵风或紊流对飞机的扰动，提高飞行控制精度，设计了一种基于微机电加速度计实时测量机翼弹性变形
的数字量化输出，则传感器输出的模拟电压值为