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)
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。
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

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。
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
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.