直升机上几种常用的传感器介绍

直升机上几种常用的传感器介绍

直升机作为20世纪航空技术极具特色的创造之一，极大地拓展了飞行器的应用范围。它不仅可以作低速、低空和机头方向不变的机动飞行，还可以小场地进行垂直升降。这些优点使得直升机具有广阔的前景和使用价值。作为一个复杂的系统，直升机内部安装了大量的传感器来保证直升机的安全、平稳、正确地飞行，其中包括了测量攻角的归零压差式攻角传感器，保证直升机平稳飞行的姿态传感器，测量油箱油位的变介电常数电容传感器，以及测量高度的高度传感器。

1 归零压差式攻角传感器

攻角，也称迎角，是指气流与直升机旋翼之间的夹角。飞机的火力控制系统、巡航控制系统以及失速警告系统都离不开飞机的攻角信息，攻角可以校正静压和动压，而静压和动压可以进一步计算气压高度和空速，因此获得精确的攻角对于飞机的大气数据系统具有十分重要的意义[1]。美国等一些国家将其用于运输机、轰炸机、战斗机和导弹上，我国也曾将其应用在歼5战斗机和运1运输机上。

1.1 工作原理

传感器的结构如图1-1所示，主要包括：敏感部分——探头；变换传动部分——气道、气室和桨叶；输出部分——电位器；温控部分——加热器和恒温器[2]。

归零压差式攻角传感器是一种空气动力装置，探头纵轴与飞行器纵轴相垂直，其上有两排互成90度的测压口，根据柏努利定理，圆柱表面的压力分布与该点径线相对气流的夹角有关。因此，其压力分布系数

当攻角不变时，两排测压口的气压是相等的。而当攻角改变时，测压口在流场中敏感的压力差为

该压差经过气道、气室变换传动为压差力矩，推动浆叶，带动探头转动，直到压差为零；同时，探头转动时，与探头同轴的电刷便在电位计的绕组上产生角位移，从而电位计产生与攻角成比例的电信号，其原理图如图1-2所示。整个过程均是自动调整的。为保证在各种使用条件（速度、高度、温度…）下传感器仍能正常工作，传感器内配有恒温器，探头内有加热器。

1.2 主要技术性能指标

归零压差式攻角传感器测量范围大，能满足直升机全攻角范围的测量要求，但探测到的攻角与实际相差较大，需进行校准。另外由于杂质脏污容易进入测压口，工作性能受到影响，因此需经常维护和清洁。该传感器还具有以下性能指标[3]：

(1) 测量范围(误差±0.5°)：四种量程:

A、-5° ～ +20°(25°)

B、-15°～ +15°(30°)

C、-30°～ +30°(60°)

D、-50°～ +5° (10°)

(2) 总精度≤1%(选取以下指标中的最大误差

A、非线性误差≤1%

B、迟滞误差，非重复性≤1%

C、气动零漂角α和安装校正角α*均≤满量程的1%(在无小风洞情况下暂定)

(3) 灵敏限约5’～10’。

(4) 动特性(在风洞中给传感器探头±3°的阶跃信号)：

A、回零过渡过程时间:T=0.075±0.025秒

B、固有频率f : 约5~7周/秒

(5) 讯号输出:

A、可根据不同用途，输出二组或四组电信号。

B、每组电位计电阻值约800~1000欧姆(60°量程)。

C、电位计电源为直流，最大电压不应超过10伏，稳压电源电压的最大误差应小于0.1%。

(6) 加热系统：

A、防冰功率≥80瓦

B、加热系统共用直流电压27±2.7伏，壳体接负电位。

(7) 重量约1公斤

(8) 寿命≥250个飞行小时(暂定)

(9) 储存期：约2年(暂定)

(10) 外形尺寸：

传咸器全长: 190mm

探头长度: 86mm

法兰盘直径为: 115mm

壳体最大直径为 : 92mm

1.3 传感器的安装位置

攻角传感器最佳安装点应在直升机机翼侧曲线（z曲线）上压力系数为零的点处，此处可探测到直升机真实的攻角[4]。然而，该点会随着飞行速度的改变而漂移，且速度增大时，该点顺流后移；反之，前移。由于该点的不确定性，使得攻角传感器的安装不可能在飞行过程中始终位于最佳安装点。因此，对于攻角传感器的安装应进行综合考虑。

2 姿态传感器

顾名思义，姿态传感器是测量物体空间位置的一种传感器，保证了物体能以正确姿态到达正确的位置。姿态传感器不仅在国防中有广泛应用，如航天卫星、大炮坦克等；在民事应用中也有很多，如汽车、起重机、机器人等。姿态传感器包含了用于测量线加速度的三轴加速度传感器和用于测量角速度的三轴陀螺仪传感器，是一种复杂的传感器。

2.1 工作原理

2.1.1 加速度传感器

多数加速度传感器都采用压电效应，即对于不存在对称中心的异极晶体，加在晶体上的外力除了使晶体发生形变以外，还改变了晶体的极化状态，在晶体内部建立电场，这种由于机械力作用而使介质发生极化的现象称为（正）压电效应。如图2-1所示，为压电式加速度传感器的原理图。

传感器有质量块、压电元件、支座、输出引线组成，支座刚性的固定在被测物体上。当被测物体运动时，传感器产生加速度，质量块受到与加速度方向相反的惯性力，并作用于压电元件上，使其产生交变电荷（或电压）。当振动频率远低于传感器的固有频率时，传感器的输出电荷(电压)与作用力成正比。电信号经前置放大器放大，即可由一般测量仪器测试出电荷(电压)大小，从而得出物体的加速度[5]。

2.1.2 陀螺仪传感器

传统的机械式陀螺是利用一个高速旋转转子在惯性空间的方位稳定性来实现测量角速度的。在MEMS系统中要加工出高速旋转的复杂转子系统是非常困难的。因此，现在大多采用振动陀螺仪，此类陀螺仪的工作原理是产生并测量哥氏加速度，即利用哥氏效应使陀螺结构的2个振动模态之间产生能量转换。哥氏现象是指转动坐标系中的运动物体会受到与转动速度方向垂直的惯性力的作用[6]。

如图2-2所示的动态坐标系中， 是物体转动的角速度， 是径向速度， 是切向速度，则哥氏加速度的推导公式是：

结合上述4个等式，可得哥氏加速度：

在得出哥氏加速度之后，则角速度转动方向就会保持不变，同时根据电容来进行采样角速度，然后再经过各种处理器对信号进行处理，最后可以得到与Z轴方向的角速度成正比的电压信号。

2.1.3 姿态传感器attitude sensor

结合加速度传感器和陀螺仪传感器的数据，在经由其他转换电路即可得到物体的姿态信息，具体原理图如2-3所示。

加速度、角速度、角度三者之间存在着一定的转换关系，例如在某些特定的测量环境中，测量数据是加速度或者角速度信息，但是所需要的是角度信息，那么就可以通过微积分的方法来进行三者之间的转换，从而可以得到要求的具体信息[7]。

1）加速度转换公式

其中，ax和ay分别是水平和竖直方向的加速度，α和β为倾斜角度。

2）角速度转换公式

其中，φ为角度，ω为角速度，t为时间。

2.2 优点与缺点

姿态传感器具有以下优点与缺点：

（1）优点

姿态传感器具有很高的精度，其零偏移量在实验室中可达0.0005°/h，可测量±15°的角度范围，最小分辨率高达0.005°，最大可承受10000g的加速度，保证了传感器在恶劣环境下的仍能正常工作。由于MEMS技术的发展，姿态传感器逐步向轻小化发展，且价格较低廉。

（2）缺点

尽管近些年来我国的姿态传感器得到了飞速的发展，但其仍存在许多问题：（1）由于我国的制造技术和工艺比较落后，使得传感器的可靠性相对较差；（2）由于我国产品集成度不高、智能化技术落后，传感器在性能和功能上相对于国外比较差；（3）由于我国对技术更新的不重视，姿态传感器的技术更新周期较慢，得不到较大的发展空间。

3 变介电常数电容传感器

燃油是直升机动力的来源，时刻对油箱中燃油量的检测至关重要，保证了直升机的飞行安全和后续工作的安排。作为直升机燃油测量系统的重要部件，变介电常数电容传感器可以实时向飞行员反映燃油情况。

3.1 工作原理

影响电容主要有三个因素：极板距离、极板相对面积和介电常数。只要保持其中两个量不变，就可以使电容成为第三个量的一元函数。变介电常数电容传感器就是仅改变介电常数来达到测量目的。

电容器的电容表达式：

其中，ε为介电常数，S为极板相对面积，δ为极板间距。

如图3-1所示，将作为电容器两极板的圆筒1和圆筒2置于液体中（液体不能导电，若导电则对极板作绝缘处理），这样，极板间的介质有空气和液体两种。液体介质的液面发生变化，则电容器的电容液随之改变[8]。

总电容C由液体介质电容C1和空气介质电容C2组成：

其中： h——电容器总高度；

x——电容器浸入液体的深度；

R——同心圆电极的外半径；

r——同心圆电极的内半径；

ε1——液体介电常数；

ε2——空气介电常数；

当容器尺寸和液体介质确定后，则：

那么，C=a+bx，说明电容量C与电容器浸入液体的深度x成正比。

当燃油量改变时，传感器的电容随之成比例的改变，再通过测量系统将电容量转化成直流电压信号，又经过数字化后输入到显示设备的微处理装置，最终计算出燃油液面高度变化后的油量容积，并显示出来。具体工作过程见图3-2.

3.2 优点与缺点

变介电常数电容传感器具有以下的优点与缺点[9]：

（1）优点

①温度稳定性好：电容传感器的电容值一般与电极材料无关，有利于选择温度系数低的材料，又因本身发热极小，影响稳定性甚微；

②结构简单：电容传感器结构简单，易于制造，易于保证高的精度，可以做得非常小巧，以实现某些特殊的测量；

③适应性强：电容式传感器能工作恶劣环境中，可以承受很大的温度变化，承受高压力，高冲击，过载等；能测量超高温和低压差，也能对带磁工件进行测量；

④动态响应好：电容传感器由于带电极板间的静电引力很小（约几个10-5 N），又由于它的可动部分质量很轻，因此其固有频率很高，动态响应时间短，能在几兆赫兹的频率下工作，特别适用于动态测量。

⑤灵敏度高：电容传感器带电极板间的静电引力很小，所需输入力和输入能量极小，因而可测极低的压力和很小的加速度、位移等，使得分辨率高，能测量0.01μm甚至更小的位移。

（2）缺点

①输出阻抗高，负载能力差：电容传感器的容量受其电极的几何尺寸等限制，一般只有几个皮法到几百皮法，使传感器的输出阻抗很高，负载能力很差，易受外界干扰影响而产生不稳定现象，严重时甚至无法工作，必须采取屏蔽措施，从而给设计和使用带来极大的不便。

②干扰电容影响大：电容传感器的初始电容量小，而连接传感器和电子线路的引线电缆电容、电子线路的杂散电容以及传感器内极板与其周围导体构成的干扰电容却较大，不仅降低了传感器的灵敏度，还影响测量精度。

③输出特性为非线性。

4 高分子湿度传感器

对空气进行增湿或减湿以保持座舱空气具有适宜的湿度。舱内空气太干燥会使乘员感到不适；舱内空气湿度过大会使空调系统结冰，舱内出现滴水和雾气，座舱玻璃结雾并影响电子设备。因此，对座舱内湿度的控制非常重要。

4.1 工作原理

该传感器的敏感膜材料采用聚乙烯醇、醋酸纤维素、聚酸胺等高分子材料，具有非常丰富的材料结构和物理、化学现象[10]。高分子材料的敏感作用就是将材料的物化特性转化为传感器的阻抗特性，然后再加以测量。按其测量原理，一般可分为电容型、电阻型、声表面波型和光学型等，并以前两类为主。

4.1.1 电容型高分子湿度传感器

此类传感器的结构一般为“三明治”结构[11]，如图4-1所示。

在上、下电极间夹着高分子湿敏材料，当环境湿度发生变化时，高分子湿敏材料感湿后，其材料的介电常数发生变化，电容量也随之变化，再配合测量电路即可得到相应的湿度。电容变化量与相对湿度成正相关，且成线性关系。

4.1.2 电阻型高分子湿度传感器

电阻式湿敏高分子材料很多，常见的是高分子电解质-聚苯乙烯磺酸锂，其湿度传感器的结构如图4-2所示。先制成憎水性聚苯乙烯基片，然后制成一层亲水性磺化聚苯乙烯，在 LiCl溶液中经离子交换，得到感湿性很强的聚苯乙烯磺酸锂感湿膜。在感湿膜上印刷梳状电极，即制成了高分子湿度传感器。聚苯乙烯磺酸锂是一种强电解质，具有极强的吸水性，吸水后电离，在其水溶液中就含有大量的锂离子，随吸湿量不同，聚苯乙烯磺酸锂的阻值也不同，配合测量电路即可得到相应的湿度[12]。

4.2 优点与缺点

高分子湿度传感器具有以下优点与缺点：

（1）优点

电容型高分子湿度传感器的吸湿响应时间短，一般小于5秒，感湿特性受温度影响小，在5- 50℃范围内，电容温度系数一般为0.06% RH/℃。

电阻型高分子湿度传感器的吸湿响应时间较短，其湿滞小，稳定性好。

（2）缺点

具有漂移现象；可靠性不理想；抗干扰能力不强；易老化。

5 无线电高度传感器

为了实时了解直升机的飞行高度以保证安全和进行相关安排，需使用高度传感器进行测量。常用的测量方法有3种[13]：利用无线电波的反射特性来测量飞行高度（本文所采用的的方法）；测量飞机垂直地面运动的线加速度来获取飞行高度；测量大气参数来得到飞行高度。

5.1 工作原理

5.1.1 基本原理

无线电高度传感器是利用无线电波的反射特性来测量飞行高度。

如图5-1所示，A和B处分别装有发射机和接收机，且两点距离为l，已知电波在空气中的传播速度c约为3×108 m/s。从A点发射电波，通过两种路径可到达B点，一种是从A点直接到达B点，另一种是从A点经地面O点反射至B点。

第一种路径所需的时间t1为：

第二种路径所需的时间t2为：

两次的时间差t为：

则可得到：

若发射机和接收机合为一体（l=0），那么：

测量出无线电波发射和接收的时间差t即可得到飞行高度h。

5.1.2 测量原理

由于要测量的时间差一般较小，故常采用间接的方法来测量，如调频式无线电高度传感器是通过调制周期来测量时间差的，从而计算得到高度[14]。高度公式为：

其中，ΔF为发射源所产生信号的线性调频宽度，fb为反射信号与本振信号混频产生的低频信号的差频，T为调制周期。

5.2 优点与缺点

无线电高度传感器在低空时测量高度精度很高，但若遇飞行点地面海拔高度未知时无法将所测得的真实高度转化为飞机所在点的海拔高度，且遇地形不平时易产生阶梯误差。另外，如果测量时直升机有垂直方向的速度，则由于多普勒效应的存在而产生误差。以上误差在低空时可忽略不计，但在高空时误差较大。

6 结论

上述5中传感器对于保证直升机安全高效地工作有着至关重要的作用，全面认识和了解传感器的原理和特性对于传感器的发展和改进有重要意义。本文仅介绍了5种传感器所有类型中其中一种，在实际应用中应该结合具体情况选用不同传感器。

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本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/7e86aa26195f312b3069a58f.html