1、1角度传感器在低速风洞中的校准测量技术来 源 ： 大 比 特 商 务 网摘 要 ： 本 文 介 绍 压 差 归 零 式 和 风 标 对 向 式 角 度 传 感 器 在 低 速 风 洞 中 的 校 准方 法 、 项 目 、 数 据 处 理 和 主 要 结 果 。关 键 字 ： 传 感 器 ,飞 机 ,飞 行 器本 文 介 绍 压 差 归 零 式 和 风 标 对 向 式 角 度 传 感 器 在 低 速 风 洞 中 的 校 准 方 法 、项 目 、 数 据 处 理 和 主 要 结 果 。 安 装 在 飞 机 或 导 弹 表 面 的 角 度 传 感 器 ， 由 于 受 到飞 行 器 本 体 的 干 扰
2、 ， 传 感 器 感 受 到 的 是 被 弯 曲 了 的 局 部 气 流 方 向 ， 因 而 人 们 不能 直 接 获 得 飞 行 器 真 实 角 度 。 为 了 确 定 被 弯 曲 了 的 气 流 方 向 与 飞 行 器 真 实 角 度之 间 的 关 系 ， 需 要 进 行 风 洞 校 准 测 量 。 校 准 结 果 表 明 ， 角 度 传 感 器 输 出 信 号 随飞 行 器 角 度 变 化 具 有 良 好 的 线 性 关 系 ， 校 准 数 据 稳 定 、 可 靠 ， 且 重 复 性 令 人 满意 。一 、 引 言航 空 航 天 领 域 广 泛 地 应 用 传 感 器 技 术 ， 在 飞
3、 机 和 导 弹 等 飞 行 器 表 面 采 用 压差 归 零 式 和 风 标 对 向 式 两 种 角 度 传 感 器 便 是 一 例 。 飞 行 员 借 助 安 装 在 飞 机 表 面的 角 度 传 感 器 可 以 随 时 了 解 飞 行 姿 态 。 同 样 ， 地 面 操 纵 人 员 通 过 对 安 装 在 飞 行器 表 面 的 角 度 传 感 器 随 时 获 得 高 空 飞 行 器 的 飞 行 姿 态 信 息 ， 及 时 遥 控 引 导 。 然而 ， 由 于 气 流 受 到 了 飞 行 器 本 体 的 干 扰 影 响 ， 角 度 传 感 器 所 感 受 到 的 局 部 气 流方 向 是
4、被 飞 行 器 外 形 表 面 弯 曲 了 的 ， 与 飞 行 器 真 实 姿 态 角 是 不 相 同 的 ， 因 此 必须 预 先 确 定 传 感 器 感 受 到 局 部 气 流 方 向 与 飞 行 器 真 实 角 度 两 者 之 间 的 相 互 关 系 ，才 能 获 得 飞 行 器 的 实 际 姿 态 角 ， 因 此 ， 需 要 对 传 感 器 进 行 风 洞 校 准 测 量 。二 、 传 感 器 工 作 原 理目 前 ， 飞 行 器 上 使 用 比 较 普 遍 的 是 压 差 归 零 式 和 风 标 对 向 式 两 种 角 度 传 感器 。压 差 归 零 式 角 度 传 感 器 外 形
5、结 构 见 图 1， 其 工 作 原 理 是 利 用 压 差 归 零 特性 。 传 感 器 由 一 个 电 位 计 和 一 个 随 时 跟 踪 气 流 转 动 的 测 压 探 头 构 成 ， 测 压 探 头上 开 有 两 排 气 槽 ， 气 流 由 气 槽 通 过 两 个 通 道 作 用 到 内 部 两 对 相 反 的 叶 面 上 ， 产生 一 个 与 气 流 方 向 相 反 的 反 馈 力 矩 ， 使 探 头 追 随 气 流 转 动 至 两 排 气 槽 压 力 相 等 ，即 压 差 为 零 的 初 始 位 置 ， 此 时 与 探 头 同 轴 连 接 的 电 刷 在 电 位 计 上 产 生 角
6、 位 移 ，输 出 与 气 流 方 向 变 化 成 正 比 的 电 信 号 。2风 标 对 向 式 角 度 传 感 器 外 形 结 构 见 图 2， 工 作 原 理 是 利 用 风 标 对 气 流 的对 向 特 性 。 传 感 器 包 括 一 个 电 位 计 和 一 个 随 时 跟 踪 气 流 转 动 的 方 向 风 标 。 当 飞行 器 姿 态 角 变 化 时 ， 风 标 相 对 气 流 方 向 随 之 变 化 ， 产 生 一 个 与 飞 行 器 角 度 变 化相 反 的 角 位 移 。 风 标 转 轴 与 电 位 计 同 轴 连 接 ， 因 此 ， 风 标 转 动 角 度 与 电 位 计
7、输出 电 压 信 号 成 正 比 ， 由 此 可 以 确 定 角 度 传 感 器 感 受 到 的 气 流 方 向 与 飞 行 器 实 际角 度 的 对 应 关 系 。 安 装 在 飞 行 器 左 侧 用 于 测 量 飞 行 迎 角 的 传 感 器 称 为 迎 角 传 感器 ;安 装 在 飞 行 器 正 上 方 用 于 测 量 飞 行 侧 滑 角 的 称 为 侧 滑 角 度 传 感 器 。三 、 试 验 设 备传 感 器 校 准 实 验 是 在 航 天 科 技 集 团 公 司 笫 701研 究 所 低 速 风 洞 中 进 行 的 。该 座 风 洞 试 验 段 尺 寸 为 3m?3m?12m， 试
8、 验 风 速 在 10100m/s 之 间 无 级 调 速 。风 洞 备 有 计 算 机 控 制 的 多 自 由 度 变 角 度 系 统 ， 可 以 方 便 地 模 拟 飞 行 器 不 同 迎 角 、侧 滑 角 状 态 ， 并 且 实 时 处 理 测 试 数 据 和 绘 制 曲 线 。四 、 校 准 项 目 与 方 法1、 校 准 项 目校 准 项 目 主 要 包 括 两 部 分 ， 首 先 在 地 面 进 行 的 静 校 ， 以 及 随 后 在 风 洞 中 进行 的 动 校 。 前 者 是 确 定 传 感 器 系 数 以 及 非 线 性 、 迟 滞 、 重 复 性 、 综 合 精 度 等 产
9、品 性 能 参 数 ， 后 者 是 确 定 角 度 传 感 器 与 飞 行 器 实 际 角 度 之 间 关 系 ， 其 中 包 括 飞行 器 不 同 姿 态 角 ， 如 迎 角 、 侧 滑 角 、 滚 转 角 等 对 传 感 器 校 准 的 影 响 。 同 时 还 可确 定 不 同 试 验 风 速 和 传 感 器 安 装 位 置 对 传 感 器 校 准 的 影 响 ， 并 通 过 风 洞 试 验 达到 优 选 传 感 器 安 装 位 置 的 目 的 。2、 校 准 方 法传 感 器 静 校 是 属 于 常 规 方 法 ， 它 的 性 能 参 数 通 常 在 产 品 使 用 说 明 书 中 提
10、供 。本 文 着 重 介 绍 在 风 洞 中 动 校 方 法 及 其 结 果 。首 先 把 飞 行 器 安 装 在 风 洞 支 撑 机 构 上 ， 将 飞 行 器 姿 态 角 (如 迎 角 、 侧 滑角 、 滚 转 角 等 )都 调 整 到 零 度 ， 误 差 在 3 以 内 。 在 飞 行 器 左 侧 为 迎 角 传 感器 ， 在 飞 行 器 正 上 方 为 侧 滑 角 度 传 感 器 。 传 感 器 转 轴 要 垂 直 飞 行 器 表 面 ， 且 传感 器 底 座 表 面 与 飞 行 器 表 面 外 形 保 持 一 致 ， 不 能 有 突 起 或 凹 坑 。 传 感 器 不 要 安装 在
11、表 面 曲 率 变 化 大 的 机 头 (或 弹 头 )处 ， 应 在 机 身 (或 弹 身 )平 直 段 前 部 位置 。 图 3、 图 4是 安 装 在 弹 体 上 的 角 度 传 感 器 在 风 洞 中 的 校 准 照 片 。五 、 数 据 处 理3迎 角 传 感 器 和 侧 滑 角 传 感 器 数 据 处 理 方 法 是 相 同 的 ， 下 面 以 迎 角 传 感 器 为例 说 明 。在 进 行 风 洞 校 准 时 ， 可 以 得 到 飞 行 器 真 实 迎 角 at 与 传 感 器 输 出 电 压Ua 的 对 应 关 系 ， 即 ： at=F(Ua)用 反 函 数 表 示 ： Ua=
12、F-1(at)传 感 器 角 位 移 as 与 输 出 电 压 Ua 关 系 式 由 静 校 时 确 定 ： as=f(Ua)，则 传 感 器 角 位 移 与 飞 行 器 真 实 迎 角 关 系 式 为 as=f(F-1(at)=F(at)。校 测 表 明 ， 在 一 定 角 度 范 围 内 ， 函 数 f(x)和 F(x)都 是 线 性 函 数 ， 因 而函 数 F(x)也 必 定 成 线 性 规 律 变 化 ， 于 是 可 以 用 直 线 方 程 来 表 示 as=Kaat+a0(1)根 据 传 感 器 静 校 实 验 得 ： as=Wa(Ua-Ua0)(2)六 、 校 测 结 果1、 风
13、 速 影 响风 洞 校 准 试 验 风 速 V 为 50m/s 和 85m/s， 在 某 一 导 弹 上 测 量 结 果 见 表1。 可 以 看 到 ， 试 验 风 速 对 角 度 传 感 器 校 准 无 影 响 。表 1风 速 影 响2、 侧 滑 角 的 影 响不 同 侧 滑 角 对 迎 角 传 感 器 的 影 响 见 表 2。 从 表 中 可 以 看 到 ， 随 侧 滑 角 增加 ， 迎 角 传 感 器 校 准 曲 线 斜 率 Ka 呈 现 递 增 趋 势 ， 但 变 化 量 很 小 。表 2侧 滑 角 对 迎 角 传 感 器 的 影 响3、 迎 角 的 影 响4迎 角 不 同 时 对 侧
14、 滑 角 传 感 器 的 影 响 见 表 3。 从 表 中 可 以 看 到 ， 随 迎 角 增加 ， 侧 滑 角 传 感 器 校 准 曲 线 斜 率 Kb 呈 现 递 增 变 化 规 律 ， 但 变 化 量 不 大 。表 3迎 角 对 侧 滑 角 传 感 器 的 影 响4、 安 装 角 影 响在 某 一 飞 行 器 上 进 行 测 量 ， 安 装 角 q 分 别 为 0、 5、 10三 种 状 态 ，结 果 见 表 4。 从 表 中 可 以 看 到 ， 随 安 装 角 增 加 ， 校 准 拟 合 直 线 斜 率Ka、 Kb 均 呈 增 加 趋 势 。 根 据 多 次 重 复 测 量 表 明 ，
15、 q=0时 ， 数 据 最 稳 定 ，特 别 是 截 距 基 本 保 持 不 变 。 因 此 安 装 角 q=0是 最 佳 方 案 。表 4安 装 角 影 响5、 安 装 位 置 影 响把 传 感 器 从 弹 身 前 部 平 直 段 前 移 到 头 部 锥 段 。 在 不 同 侧 滑 角 时 迎 角 传 感 器的 校 准 结 果 见 表 5和 图 5。 在 不 同 迎 角 时 侧 滑 角 度 传 感 器 校 准 结 果 见 表 6。表 5侧 滑 角 对 迎 角 传 感 器 的 影 响 (在 圆 锥 段 )表 6迎 角 对 侧 滑 度 度 传 感 器 的 影 响 (在 圆 锥 段 )根 据 表
16、5、 表 6校 准 结 果 表 明 ， 角 度 传 感 器 不 宜 安 装 在 曲 率 变 化 较 大 的 飞 行器 圆 锥 段 头 部 ， 否 则 ， 在 不 同 姿 态 角 下 ， 校 准 直 线 斜 率 和 截 距 均 发 生 很 大 变 化 。5七 、 结 论(1)无 论 是 压 差 式 角 度 传 感 器 或 风 标 式 角 度 传 感 器 ， 在 一 定 角 度 范 围 内 ， 角位 移 与 输 出 电 压 具 有 良 好 线 性 。(2)动 校 表 明 ， 传 感 器 性 能 稳 定 ， 数 据 可 靠 ， 校 准 直 线 斜 率 误 差 为0.002,截 距 误 差 为 0.1
17、。(3)飞 机 、 导 弹 姿 态 角 变 化 ， 对 传 感 器 校 准 曲 线 特 性 (斜 率 、 截 距 )有影 响 ， 采 用 计 算 机 可 进 行 逐 次 叠 代 修 正 ,最 终 给 出 准 确 的 飞 行 器 迎 角 和 側 滑角 。(3)试 验 风 速 大 小 对 角 度 传 感 器 校 准 无 影 响 ， 即 与 飞 行 速 度 大 小 无 关 ， 这 给使 用 带 来 方 便 。(4)传 感 器 要 安 装 在 飞 行 器 左 侧 (或 右 側 )和 正 上 方 处 ， 且 在 机 身 或 弹 身前 部 平 直 段 ， 不 要 安 装 在 曲 率 变 化 大 的 头 部
18、 锥 段 。(5)传 感 器 校 准 直 线 的 截 距 是 由 传 感 器 机 械 零 位 决 定 的 。 如 果 把 飞 行 器 初 始角 度 都 调 到 零 度 ， 然 后 调 试 传 感 器 安 装 初 始 角 ， 使 输 出 信 号 很 小 ， 从 而 截 距 很小 ,以 至 截 距 可 以 忽 略 不 计 。(6)压 差 式 角 度 传 感 器 测 量 范 围 为 30。 风 标 式 角 度 传 感 器 为120之 间 。 前 者 校 准 角 度 小 的 原 因 是 在 飞 行 器 角 度 大 时 而 成 为 “盲 区 ”， 因 为 气 槽 容 易 旋 转 到 背 风 面 ， 此 时 对 气 流 方 向 不 敏 感 。相 关 文 章 推 荐 ：1、 英飞凌推出角度传感器 提高电机效能2、 基于 AM402的电流量输出电容式角度传感器3、 角度传感器在低速风洞中的校准测量技术
