一種微型空速計(jì)的簡易設(shè)計(jì)方法研究

蔡瑜，雷志東

(1.中國人民解放軍91872部隊(duì)，北京102442;2.海軍駐8359所軍代室，北京100143)

0 引言

空速是飛行器穩(wěn)定與控制的重要參數(shù)。在導(dǎo)彈設(shè)計(jì)、艦載機(jī)飛行及安全著艦和無人機(jī)自主飛行等方面，空速是一項(xiàng)重要測試指標(biāo)，它直接影響飛行器系統(tǒng)整個控制環(huán)節(jié)，對飛行器的安全飛行起著十分重要的作用;空速保持是現(xiàn)代飛行控制系統(tǒng)的重要組成部分。然而，對于已經(jīng)設(shè)計(jì)定型的飛行器，如何加改裝空速計(jì)是一項(xiàng)頗具難度的工作。為此，必須對空速計(jì)設(shè)計(jì)提出要求:首先，空速計(jì)具有微小型特點(diǎn)，對飛行器整體結(jié)構(gòu)和氣動性能不構(gòu)成影響;其次，空速計(jì)要具有一定的測試精度。圍繞這些要求，本文提出一種微型空速計(jì)的簡易設(shè)計(jì)方法，目的是對相關(guān)飛行器空速計(jì)設(shè)計(jì)提供有益的參考。

1 空速計(jì)工作原理

空速計(jì)是利用差壓原理設(shè)計(jì)的，如圖1所示。它主要由空速管、差壓傳感器、信號調(diào)理電路和精密電源組成。

圖1 空速計(jì)原理框圖

飛行器按一定速度飛行時，空速管正對氣流方向的總壓與垂直于氣流方向的靜壓之差稱為動壓，動壓q與空速管相對氣流運(yùn)動速度Va的平方成正比，即

式中:ρ為大氣密度。在海平面時，大氣密度的標(biāo)準(zhǔn)值為1.25 kg/m3。

因此，可得出:

而動壓可由差壓傳感器及后續(xù)放大電路測得u=kq，其中u為空速計(jì)輸出電壓，k為電路放大倍數(shù)。所以輸出電壓u與空速平方成正比，即

2 空速計(jì)設(shè)計(jì)原理和制作

如圖2所示，空速管采用直式結(jié)構(gòu)，前端選用半球形，總壓孔設(shè)計(jì)在空速管與空速一致的方向上，靜壓孔設(shè)計(jì)在與其垂直的方向上，這樣可以同時測量總壓和靜壓，將總壓和靜壓接到差壓傳感器的兩個輸入端，才可測量氣流的動壓。

圖2 空速管裝配簡圖

為了測量動壓，可選用MEMS技術(shù)的差壓傳感器，它具有體積小、重量輕、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。圖3為一款差壓傳感器，其重量僅3 g，它采用高穩(wěn)定芯片粘合在陶瓷基上，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，可靠性好，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3 MEMS差壓傳感器

圖4為差壓測量電路，從左到右3個虛線框分別為恒流源、差壓傳感器、信號調(diào)理電路。VSET為基準(zhǔn)電壓，運(yùn)放反向輸入端通過采樣電阻R5對傳感器工作電流進(jìn)行采樣，與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，利用比較結(jié)果控制運(yùn)放的電壓輸出:當(dāng)傳感器內(nèi)阻增大，其工作電流減小，R5采樣電阻上的電壓減小，當(dāng)小于基準(zhǔn)電壓VSET時，運(yùn)放電壓輸出上升，傳感器工作電流上升;當(dāng)傳感器內(nèi)阻減小，其工作電流增大，R5采樣電阻上的電壓增大，當(dāng)大于基準(zhǔn)電壓VSET時，運(yùn)放電壓輸出下降，傳感器工作電流下降。這樣保證傳感器工作在恒流狀態(tài)。

圖4 差壓測量電路

需要注意的是，由于運(yùn)放工作電壓的限制，在選擇采樣電阻R5時應(yīng)保證工作電流不能過大，以免運(yùn)放輸出電壓飽和。另外，電阻R5的性能直接決定了恒流源的精度，因此選擇R5時應(yīng)盡量選擇高精度的電阻。

傳感器輸出信號經(jīng)儀表放大器進(jìn)行差動放大。由于差壓傳感器輸出電壓與空速的平方成正比，因此，在低速時，其輸出電壓非常低，甚至處于儀表放大器的死區(qū)，導(dǎo)致不能很好地測量低速時的空速。為了消除低速范圍放大器的死區(qū)，在儀表放大器的參考電壓端接一電壓基準(zhǔn)，以抬高其放大零點(diǎn)，進(jìn)而提高整個電路在低空速時的靈敏度。

3 性能測試

根據(jù)所設(shè)計(jì)飛行器的速度范圍，為測試該方法制作的空速計(jì)的實(shí)際精度，試驗(yàn)小組對空速計(jì)原理樣機(jī)進(jìn)行了測試。測試過程中，為消除壓強(qiáng)差為零時出現(xiàn)的傳感器與放大電路形成的零漂輸出電壓，將以測量值減去零漂輸出電壓為空速計(jì)顯示的輸出指示值。測試曲線直接用空速計(jì)顯示的指示值與標(biāo)準(zhǔn)空速值進(jìn)行對比，測試結(jié)果表明微型空速計(jì)非線性度為0.18%，如圖5。

圖5 空速計(jì)整體測試曲線

4 結(jié)論

文中介紹了一種基于MEMS壓力傳感器空速測量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法。試驗(yàn)表明:在0～30 m/s范圍內(nèi)，精度可達(dá)0.5 m/s。該空速計(jì)設(shè)計(jì)簡單，外形小巧，在不影響飛行器總體結(jié)構(gòu)的前提下，安裝方便，可靠性好，其精度等性能指標(biāo)滿足了飛行控制系統(tǒng)的整體性能要求，為飛行器空速計(jì)加改裝設(shè)計(jì)作了有益的探索。

［1］Martin D P，Grant JJ，Ringwood JV，Evaluation of a prototype thermal anemometer for use in low airspeed drying measure calculations［J］．Flow Measurement and Instrumentation，2001，12(5－6):385－396.

［2］王鐵城.空氣動力學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù) ［M］．北京:航空工業(yè)出版社，1995.

［3］孫以材.壓力傳感器的設(shè)計(jì)、制造與應(yīng)用［M］．北京:冶金工業(yè)出版社，2000.

［4］劉理天.單片集成壓力傳感器［D］．北京:清華大學(xué)微電子所.