基于LabVIEW的光纤光...车身车门内间隙测量系统研究_于全全.pdf

第 卷 第 期 年 月传 感 技 术 学 报 .项目来源：湖北省自然科学基金项目（）；江汉大学校级科研项目（）收稿日期：修改日期：，（，）：（），：；：；：基于 的光纤光栅白车身车门内间隙测量系统研究于全全，孟丽君（江汉大学智能制造学院，湖北 武汉）摘 要：设计了一种基于光纤光栅（，）传感技术的白车身车门内间隙自动测量系统。传感器采用楔形滑块悬臂梁式传感体结构，分析了传感器的传感原理。利用 高频解调模块采集传感器的信号，通过无线网桥 对数据进行传输，基于 开发平台设计上位机交互界面系统。实验研究表明该测量系统的线性度达 、测量精度为，可进行 个点位车门内间隙的同步实时测量，实现传感位置、间隙历史曲线、间隙值等多状态实时显示，满足车间实际监测要求。关键词：车门内间隙；光纤光栅；软件；无线传输；在线监测中图分类号：；文献标识码：文章编号：（）车门内间隙是指在汽车白车身制造过程中，白车身的四个门与白车身框架之间的间隙。车门内间隙是影响白车身质量和车身关门力的关键参数，目前主流检测方法有油泥模型测量法、激光扫描仪测量法、测量系统、以及 公司的 测量系统。油泥模型测量是最传统的测量方法，即将油泥固定于车架框，关闭车门后测其形变。虽操作简单，但测量精度低，油泥形变测量过程易受外界因素影响。激光扫描仪扫描法即使用激光扫描仪，对固定好的车门进行测量，该方法精度高，满足多种车型测量要求。但测量时间过长，无法满足车间配件快速测量的需求。测量系统和 测量系统都是较为成熟的间隙测量系统，它们均配备测量传感器和测量界面，系统实时性和准确性高。但整套测量系统价格昂贵，使用成本高。本文研究了一种基于 的 白车身车门内间隙测量系统。该系统采用 作为传感器件，设计了一种传感结构作为 的传感体，配合 解调模块、无线网桥模块以及上位机测量软件，实现车门内间隙的高精度快速测量、车门内间隙动态变化测量、历史数据本地存储等功能，提高了白车身制造的效率和内间隙测量精度，有利于白车身的动态测量与质量控制。系统总体设计 白车身车门内间隙测量系统的总框图如图 所示：传感器采用磁吸式安装型式；利用 传 感 技 术 学 报第 卷解调模块 对传感器采集的数据进行预处理；解调模块可通过 协议直接与上位机进行数据传输，或通过无线网桥 将数据无线传输给上位机；上位机软件对数据进行二次处理，可实现测量点位间隙值数值图和曲线图的显示和存储记录。该车门内间隙测量系统最多支持 个点位的内间隙同步测量，具有可靠性好、精度高、效率高的优点。图 车门内间隙测量系统总体框图 系统基本组成 间隙传感器结构与传感原理图 所示为所设计的 间隙传感器，用于测量车门和车身框架之间的内间隙。该传感器主要由触头、基座、楔形滑块、弹簧座、等强度梁、盖板、磁铁等组成。触头用于接受车门挤压，受到挤压后，触头推动楔形滑块向后移动，楔形滑块的移动会使等强度梁发生形变，等强度梁上粘贴 来感测由间隙变化引起的等强度梁的弯曲变形。该传感器长，宽 ，高 ，重量为 。由于其尺寸小，质地轻，所以可以利用基座上磁铁的磁力吸附于被测车架上，测量完成后方便拆卸。图 间隙传感器结构图 间隙传感器以 作为传感器件，当环境温度变化或应力变化后，其有效折射率发生变化。利用这一特性，当粘贴在等强度梁上的 受到应力变化时，会引起反射光中心波长发生偏移，中心波长偏移量数据经过解调与数据处理，转换成对应的间隙值。图 所示为 间隙传感器粘贴 的示意图，每个 间隙传感器中需要粘贴两根。一根粘贴在等强度梁上，用于感受等强度梁弯曲应变；一根粘贴在基座内表面，负责补偿环境温度变化对中心波长偏移的影响。图 间隙传感器传感原理假设粘贴在等强度梁上的 为，粘贴在基座内表面的 为。当传感器受到车门挤压时，的中心波长受到等强度梁的应力影响和环境温度影响，而 只受到环境温度影响。假设两个 在相同的温度环境下，可以通过温度补偿实验消除温度变化引起的 波长偏移，得到只有应力变化引起的 中心波长的偏移。经过实验研究和公式推导，得出车门内间隙与中心波长偏移量的关系式为：（）（）公式中的，均是常数，其数值大小依据如图 所示，其中，的单位均是，单位是，是无单位系数，其在室温下约为 为自由状态下触头顶部到基座顶部的距离；为车门内间隙值；为 的中心波长偏移量；为 的中心波长偏移量；为 的初始中心波长值；为 与 的综合斜率。图 传感器对应参数两根 的中心波长初值、偏移量等均可通过解调模块解调得出，当各个 的波长值、偏移量等数据发送到上位机软件后，软件对数据进行二次第 期于全全，孟丽君：基于 的光纤光栅白车身车门内间隙测量系统研究 处理，代入式（），经计算得出对应位置的间隙值，显示在上位机软件上。上位机软件系统设计本软件系统可实现 个 间隙传感器的信号测量。系统中的 解调模块 拥有 个光纤接口，其中 个通道用于传感用 的波长解调，其余 个通道用于温度补偿用 的波长解调。支温度补偿型 串联，共用一个光纤接口。上位机软件中，采用按钮切换的方式，显示 个传感器 的波长变化、所测间隙数值的实时数据和历史曲线。图 所示是对解调模块发送的光谱特征数据进行二次处理的部分程序框图。通过 函数控件与解调模块通讯，通过各子 的数据处理与公式换算，输出间隙值，显示于前面板。图 协议与数据处理图 车门内间隙测量系统工作流程 系统工作流程车门内间隙测量系统工作流程如图 所示。内间隙测量系统以 上位机软件为中心，无线网桥作为中间桥梁，负责传递上位机与 解调模块收发的指令和数据，间隙传感器负责采集待测点的间隙变化，并将含有特征量的光信号发送给解调模块，解调模块与上位机软件通过 协议进行通讯，将解调好的数据发送到上位机软件中，上位机软件根据用户的命令对解调的数据进行二次处理、显示。人机交互界面设计本项目的人机交互界面使用 软件开发完成，上位机软件界面主要分为三个界面。如图 所示，第一界面由设备参数设置区、动态中心波长显示区、传感器安装车门位置区、传感器动态间隙值显示区、传感公式录入区、保存设置区、控制按钮区组成。从第一界面中，用户可以看到连接的传感器的个数以及所在位置、传感器实时测量的间隙值等数据。图 上位机软件第一界面图 所示为上位机软件的第二界面，在该界面用户可以看到 个间隙传感器所测量的间隙值的动态变化情况，第二界面可以让用户更加直观地看到车门关闭过程中车门内间隙变化情况。图 上位机软件第二界面图 上位机软件第三界面图 所示为上位机软件的第三界面，该界面是针对开发人员所设置的；从该界面用户可以看到连接在 间隙传感器内的每根 的光谱图，以传 感 技 术 学 报第 卷及起始波长、截止波长、波长间隔等；另设有通道选择按钮，用于切换到不同通道的光谱图；设有保存按钮，用于保存光谱图。系统实验测试 传感器安装性能实验由于 间隙传感器的安装方式为吸附式安装，其吸附性能是影响车门内间隙测量系统测量精度的重要因素，因此首先进行传感器实车吸附实验。实验选用的车型是常见的 车型，实验前先取下车架框上的密封条，将 间隙传感器吸附在裸露的车架框上，如图 所示，间隙传感器依靠基座上的 个强磁铁，可以稳定地吸附在车架框上。图 间隙传感器安装实物图 传感器线性度实验传感器的理论间隙测量范围为 ，由于加工精度误差等的限制，实际的测量范围为 。本实验以 作为楔形滑块的移动范围，滑块每次位移量为 ，记录一次中心波长偏移量，本实验共进行三次完整实验。根据式（）中的“”计算出综合波长偏移量。图 所示为三次实验的传感器位移量与 综合波长偏移量的变化曲线，以及三次实验算数平均值数据和拟合直线图。图 位移量与波长变化曲线通过图 可以看出，在滑块 的位移范围中，随着位移量的增加，综合波长偏移量绝对值逐渐增大，二者呈明显的线性关系。由 软件分析得到拟合曲线公式为：。经过 软件分析得到综合波长偏移量算数平均值与拟合波长偏移量的误差棒图如图 所示。图 拟合数据与算术平均值数据误差棒图由图 知，间隙传感器最大偏差值在 处，其数值为，计算出测量系统的非线性误差 上位机软件工作性能实验图 显示了车门内间隙测量系统的实物图片。所有接线完成后，打开上位机软件开始测试。图 测量系统实物图片图 实验测量结果首先进行“位置”界面的运行测试，将 间隙传感器固定于桌面，使游标卡尺水平高度与 间隙传感器高度一致。图 所示为游标卡尺实际测量值与软件三次测量值。经过多次测量计算，测第 期于全全，孟丽君：基于 的光纤光栅白车身车门内间隙测量系统研究 量系统平均误差在 范围内波动，满足测量精度要求。产生误差的主要原因是传感器加工精度不足以及 解调模块解调性能不足。其次进行“波形”界面的运行测试，利用游标卡尺改变传感器的间隙值至 ，图 所示为“波形”界面显示的传感器历史曲线图，由图可以看出传感器波形图曲线随传感器间隙值的变化而变化，且最终趋于稳定。图 历史曲线变化图最后进行“光谱”界面的运行测试，图 所示为上位机软件“光谱”界面保存的两个测试数据。间隙传感器未被压缩时，光谱如图（）所示，中心波长值约为 ；压缩 间隙传感器时，光谱如图（）所示，中心波长值约为 ；所以在本次压缩间隙传感器前后，的中心波长偏移量为 。当间隙传感器测量异常时，开发人员可以在“光谱”界面的光谱图中看出对应通道的 是否损坏。图 光谱图 实车测试实验图 为实际车身内间隙测量实验图片，将 间隙传感器吸附于车架框上，关闭车门至紧闭，此过程中上位机波形界面的传感器 间隙值由 减小至 ，最终在 左右趋于稳定，波形突变原因可能是关门力度过大，传感器触头被过度压缩导致。实验结果表明，该车门内间隙测量系统能够满足车间实际测量需求。图 实车测试图 结论本文提出一种基于 间隙传感器的车门内间隙测量系统，设计了一种间隙传感器，通过开展传感器安装实验、传感器线性度实验、上位机软件测试实验、实车测试实验，验证了传感器的安装性能及测量系统整体性能，得出传感器的实验线性度为、传感器测量精度为。白车身车门内间隙测量系统具有 点位同步测量，无线高速传输，高速解调速率，传感位置、历史曲线、间隙值等多状态实时显示等特点。通过车门内间隙测量系统的精确测量和快速测量，可以让用户准确找到白车身车门内间隙的偏差，在提高车门装调质量方面具有重要意义。参考文献：叶德昭 白车身车门内间隙控制方法及应用 时代汽车，（）：，徐柱，何锋，曹占勇，等 某轿车白车身结构强度分析与优化研究 现代制造工程，（）：，王晓辉，常亮，聂小华，等 某装备车门橡胶密封条密封性敏度分析及改良设计 科学技术与工程，（）：张青涛，杨学友，刘涛，等 基于快速模板匹配的智能视觉传感器设计 传感技术学报，（）：杨志刚，彭里奇，沈哲，等 基于胶带密封法的汽车各密封部位动静态泄漏噪声的试验研究 汽车工程，（）：，传 感 技 术 学 报第 卷许敏，马钺，陈帅，等 基于结构光视觉的白车身覆盖件间隙面差测量方法 传感器与微系统，（）：徐世文，王毅刚，杨小禹，等 汽车车门密封结构的传声实验研究 声学技术，（）：张涛，姚志明，周旭，等 基于激光扫描的脚型测量系统关键技术及可靠性研究 计算机应用与软件，（）：苏晨辉，张雷，隋青美，等 表面粘贴式光纤光栅传感器的应变传递机理分析与实验研究 传感技术学报，（）：韩超，胡宾鑫，朱峰，等 光纤光栅高精度解调算法研究进展综述 激光与电子学进展，（）：舒岳阶，吴俊，周世良，等 光纤光栅应变传感器应力疲劳极限传感寿命评估方法 光子学报，（）：于全全（），男，江汉大学硕士研究生，主要研究方向为光纤光栅传感与检测，；孟丽君（），女，通讯作者，武汉理工大学博士，现为江汉大学硕士研究生导师，主要研究方向为光纤光栅传感与检测，。