基于虚拟仪器的小口径身管内径测量系统设计*

杨冬英，赵庆岚，刘 健

（1.山西大学商务学院，太原 030031；2.北京军代局驻207所军代室，太原 030006；3.北方自动控制技术研究所，太原 030006）

0 引言

火炮的核心部件是火炮身管，身管状态的好坏，直接影响到火炮发射精度。火炮身管内径测量，是确保火炮身管的加工质量和火炮使用后剩余生命的一个重要依据[1]；对于具有特殊用途的钢管类产品，根据其应用需求，管道内壁会有特殊的轨迹或截面，若其发生变化会严重影响管道的工作状态和寿命，而管道由于长时间使用，内壁会出现不同程度的腐蚀或磨损，导致管道内径发生变化，若不及时采取措施会影响管道的使用寿命和工作效率，严重时甚至造成管道破裂酿成重大事故。阎文、姚建国、李荣祥[2]提出了一种使用光杠杆测量原理，采用光电位置敏感器（PSD）和具有放大功能的信号处理电路组成身管内径测量系统，但该系统中光敏元件灵敏性可靠性不高。张青峰、唐力伟、郑海起等[3]提出了一种利用线阵CCD技术测量火炮身管内径的测量系统，但该系统的调理电路过于复杂。针对小口径身管内径测量过程，传感器较难进入并测量内径较小的身管，并且测量后数据处理复杂，测量结果难以保存等问题，本文提出了一种基于虚拟仪器技术的小口径身管内径测量系统，可以实现对小口径身管内径的高精度测量。该系统的检测装置能在较为狭窄的工作空间内按照固定轨迹运动，检测管道内径值，并且能够测量管道内壁具有特殊截面的管径[4-10]，同时具有数据的自动采集、显示结果、打印等功能。

1 系统主要硬件组成

测量系统由位移传感器测径头、定位机构、行走机构（齿轮齿条，电机和推杆）、激光位移传感器LDM42、工业PC机系统、RS485-USB转换器、控制柜、打印机等组成。

对于固定或移动的物体进行距离测量一般采用LDM42型激光测距仪传感器。测量范围大致为0.1 m～30 m，最大可以达到100 m；测量精度为1 mm；输入电压范围宽10～30VDC，功耗小于1.5 W；内部具有温度补偿功能，能在较宽的温度范围内使用；测距的频率与触发有多种方式可以灵活选择。主要应用传感器发射不同频率的可见激光束，然后接收从被测物返回的散射激光，将接收到的激光信息与参考信号进行比较，利用微处理器就可以计算出相应相位偏移所对应的物体间距离，精度可以达到毫米级。若调制光角频率为w，在待测量距离D上往返一次产生的相位延迟为φ，则对应时间t可表示为：

距离D可表示为：

将式（1）代入式（2）中，则距离D可表示为：

经化简，距离D可表示为：

测量原理：在身管外部，步进电机驱动齿轮转动从而带动齿条连杆推动测径头行进，在身管径向方向，安装在测径头前端的位移传感器紧贴身管内壁测量身管内径，实现内径的实时测量；轴向测距方面，利用激光位移传感器（LDM42）水平测距，实时准确感知测径头的位置，结合测径头的内径值得到小口径身管每一截面的内径值。径向位移传感器将测量信号通过RS485-USB转换器接口与PC机进行数据通讯，PC机利用上位机软件读取传感器的径向位移量，经过软件的协议转换和信号处理，实现最终的结果显示和结果打印功能，系统工作原理如图1所示。

小孔径身管测量系统中主要硬件包括激光测距仪、测径装置、定位装置、运动组件、机械连杆等。测量装置的主体是运动组件，也是其他部件的安装载体。运动组件上安装测径传感器和定位装置，是测量时进入管道内部并进行测量的运动部件。定位装置固定测量单元中运动组件，使测径传感器在测量时能够沿着固定轨迹在管道内运动不随意偏离。测径传感器用来测量管道内径值，输出的是径向信号；激光测距仪主要用来测量距离，其输出信号是轴向的，表示测径传感器此时在管道中的位置。通过串口、计算机与两种传感器进行通信，计算机以指令方式控制传感器的工作状态，其中激光位移传感器和测径装置实物图如图2所示。其中，1为定位装置、2为运动组件、3为测径头、4为机械连杆。

2 系统软件设计

小口径身管测量系统的上位机软件在Lab-VIEW7.1平台上实现，LabVIEW具有非常强大的数据采集和处理分析功能，良好的接口性能，与其他仿真工具软件具有良好的兼容功能，给系统的开发带来很大的方便快捷。

该测量系统的功能模块主要包括标定模块、参数设置模块、测试模块、数据处理模块和结果输出模块。

1）标定模块。标定流程图和程序前面板如图3所示。

2）参数模块。模块包括了测量系统初始化的设置：电机的前进和后退速度、激光测距仪的频率、测量时间间隔、测径头行走的距离、测量模式（单次测量和连续测量）等。本模块用于小口径身管内径测量系统测量前和测量中所有需要的参数设置，以满足用户不同的使用需求。

3）测量模块。测量系统的测量模块流程图如图4所示。驱动电机转动，带动齿轮齿条传动，从而推动连杆行走，进而带动测径头行走。根据激光位移传感器的实时测量来判断测径头到达指定位置后，测量截面内径值，直至所有数据全部测量结束。

4）数据处理模块。模块包括数据的滤波和误差补偿算法。其中误差补偿算法的具体内容包括数据粗大误差的剔除和数据的平均值计算，剔除粗大误差值后的数据平均值作为系统最后的输出测量值。

5）结果输出模块。模块包括数据的实时显示图表和测试结束后数据报表的生成和打印。

3 实验结果和数据误差分析

为验证该测试系统性能，以某段小孔径身管为测试对象进行测试实验。通过激光测距仪测量测径头在身管内的实时位置，以25 mm、75 mm、125 mm、175 mm为采样点，径向位移传感器实时记录身管内径测量数据。实验结果如表1所示。

表1 实验结果

选择75 mm处测量数据为分析对象进行数据可靠性分析。由于被测管道是使用过的，并不知道其内径真实值，所以通常选择多次测量的平均值作为内径真值的估计值。然后依据贝塞尔公式，如式（5）计算出各点的标准偏差，见下页表2所示。

式中：σj为各测试点的标准偏差；j为标定点序号，j=1，2，3，…，m；i为循环次数，i=1，2，3，…，n；yji为各标定点输出值。

得到各点标准偏差后，将其代入式（6），可以很方便地计算出整个测试过程的标准偏差σ。

再根据式（7）得到同一激励量对应多次循环的同向行程相应量的绝对误差ΔR。

表2 75 mm处测量数据计算结果（单位：mm）

式中：σ为标准偏差。K为置信因子。取K=3时，置信度为99.73%。

最后，根据式（8）得到重复性为δR。计算结果如表2中最后一项所示。

式中：YFS为满量程输出。本文中YFS=1 mm。

由表2可知，测试能够满足一般工程精度要求。

测试过程中的误差主要存在系统误差、人为误差和环境误差。具体如下：

1）系统误差：在本测试系统中，误差主要有影响系统准确性的误差和影响系统精密性的误差。影响系统准确性的误差主要体现在标定误差。系统误差的另一重要来源是测头的制造精度误差。

2）人为误差：测量过程中人为造成炮管的晃动或者转动时力度过大都会产生一定的误差。

3）环境误差：在测量过程中，环境对测量结果也有较大的影响，环境中的温度、振动、灰尘等都会对测量结果造成影响。

另外，测量过程中齿轮齿条的空回误差，身管里残留的黄油和铁屑等因素依然会对测量结果造成一定的误差影响，因此，必须在实验结束后检查测量仪器情况，以保证以后的正常使用。

4 结论

针对目前现有小口径测量仪存在的量程小、人工操作繁琐、劳动强度大、效率低、维护保养难等缺点，设计开发了小口径身管内径测量系统，该系统实现了小口径身管内径的自动精确检测和图形化显示功能，具有数据的自动采集、显示结果、打印等功能，同时该系统能够测量管道内壁特殊截面的管径。通过对该测量系统的检测数据实时处理，数据精度满足工程要求，达到了预期效果，该系统的实现为小口径身管内径的测量提供了一种切实可行和精度较高的技术手段，具有较高的军事经济效益和良好的推广应用价值。