飛機智能化傳感器的研究

錢菁華

摘 要 傳感器技術是獲取飛機的運行狀態與趨勢信息的首要環節。文章對飛機傳感器技術的發展進行了概要描述，通過與傳統傳感器的對比分析，對智能化傳感器的結構和特點進行了分析和探討，并對大客飛機可能采取的智能化傳感器技術進行了探討。

關鍵詞 智能化傳感器；測量；微處理器；分布式系統

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）03-0027-02

傳感器技術是自動化信息系統中獲取信息的重要步驟。現代飛機上各被測對象的測量就是利用各種傳感器來實現的，通過傳感器來控制飛機的運行。

分布式測控是目前飛機研制的重要發展方向。分布式測控系統把低級處理單元下放到現場的傳感器和作動器中，集中處理單元僅僅完成高級控制邏輯和算法功能，在傳感器和作動器中集成微處理器，使之成為智能化傳感器和智能化作動器，并通過數據總線與集中處理單元通訊。用智能化裝置代替集中處理單元實現激勵、濾波、A/D、時間平均、測量、線性化、溫度補償等一些簡單功能，減輕了電纜的重量。智能化傳感器和智能化執行機構以固定的速率通過數據總線向集中處理單元發送信號和狀態信息。

隨著分布式測控技術的進步，智能化傳感器在我國新一代飛機研制中的廣泛應用將成為必然趨勢，因此，有必要對智能化傳感器進行深入研究，為新型飛機的維護和測試做好準備。

1 智能化傳感器技術概述

隨著微處理器技術的不斷進步，現代飛機的傳感器技術正也越來越智能化。傳感器的智能化就是微處理器的信息處理能力與獲取信息的能力緊密的結合，并具有診斷和雙向數字通信等新功能。

智能化傳感器與傳統傳感器不同，它不僅僅是一個簡單的傳感器，還具有診斷和數字雙向通信等新功能。

智能化傳感器的主要新功能有。

1）具有自診斷和自補償功能，所以將提高和改善基本傳感器的性能。

2）微處理器和基本傳感器之間的工作模式為閉環，且具有雙向通信的功能。

3）智能化傳感器有信息存儲和記憶功能，所以該傳感器可以存儲已有的各種信息，如工作日期、校正數據等。

4）數字量輸出或總線式輸出功能。

2 大客飛機可能采取的智能化傳感器探討

用于處理傳感器信息的軟件能實現硬件難以實現的功能。智能化傳感器工作程序是通過軟件來實現的。

2.1 光電式智能化壓力傳感器

光電式智能化壓力傳感器原理如圖1所示，使用了一個紅外發光二極管和兩個光敏二極管，通過光學方法來測量壓力敏感元件（膜片）的位移。

圖1 光電式智能化壓力傳感器原理

提供參考信號基準的光敏二極管和提供被測壓力信號的光敏二極管制作在同一芯片上，因而受溫度和老化變化的影響相同，可以消除溫漂和老化帶來的誤差。兩個二極管受同一光源（發光二極管）的照射，固定在膜片硬中心上，起窗口作用的遮光板隨著感壓膜片的位移，將遮隔一部分射向測量二極管的光；而起提供參考信號作用的二極管則連續檢測光源的光強。兩個電壓信號Vp和Vref分別由測量二極管和提供參考基準的二極管產生，它們分別為：

式中：H—光強度（cd）；C—二極管光敏系數（V /cd·m2）；Ap—測量二極管的受光面積（m2）；Aref—參考基準二極管的受光面積（m2）。

用一個比例積分式A/D變換器來獲得僅與二極管照射面積Ap，Aref 以及零位調整和滿量程調整給定的轉角α，β有關的數字輸出。至于二極管和膜片的非線性可由微處理器修正。在標定時，將這些非線性特性存入可編程只讀存儲器中進行編程，在測量時即可通過微處理器運算實現非線性補償。

2.2 智能化差壓傳感器

圖2所示為智能化差壓傳感器，由現場通信器、微處理器、基本傳感器組成。硅壓阻力敏元件被該傳感器采用。它具有多種功能，即在同一單晶硅芯片上擴散有可測差壓、靜壓和溫度的多功能傳感器。

圖2 智能化差壓傳感器

該智能化傳感器指標的特點是：①量程比高；②精度較高；③具有遠程診斷功能，如在主控計算機中就可斷定是哪一部分發生了故障；④具有遠程設置功能，在主控計算機中可選擇輸出方式，調整阻尼的時間，審定量程比及零點調整等；⑤在現場通信器上可調整智能化傳感器的流程位置、編號和測壓量程；⑥具有對溫度誤差和非線性特性進行補償的數字補償功能。

2.3 智能化結構傳感器系統

目前，智能化結構傳感器系統在先進飛機上應用主要為：飛機結構安全性監測、滑行中結構動態監測、自適應剛度控制、疲勞監測、先進隱身性能、敵機威脅監視器等。現代飛機和空間飛行器的結構更多地采用復合材料已成為發展趨勢。更引入矚目的是，在復合材料內埋入分布式光纖傳感器（或陣列），像植入人工神經元一樣，構成智能化結構件；光纖傳感器不僅僅是結構件的組成，還是它的監測部分。所以，自我監測功能就被這種智能化結構實現了。設法把埋入在結構中的分布式光纖傳感器（或陣列）和機內設備（特別是計算機）聯網，便構成智能化傳感器系統。它們可以連續地對結構應力、振動、溫度、聲、加速度和結構的完好性等多種狀態實施監測和處理，成為飛機的健康監測系統。它們具體可實現如下主要功能：①提供飛行前完好性和適航性狀態報告；②監視飛行載荷和環境，并能快速作出響應；③飛行過程中結構完好性故障或異常告警；④具有自適應能力；⑤能適時合理地安排飛行后的維護與檢修。

3 智能化傳感器的發展前景

目前智能化傳感器多實用在壓力、應力、應變、加速度和流量等傳感器中，并逐漸向化學、生物、磁和光學等各類傳感器的應用上擴展。

智能化傳感器如果是全數字式的，可以去除掉很多種與模擬的電路相關的誤差源。比如說，A/D和D/A變換器將不會出現在總的測量回路中。如此，再配合上相應的環境補償條件，每一個傳感器的特性都將重復地得到補償，可獲得的測量高重復性是前所未有的，因此測量的準確性被很大程度的提高了。這一實現，對測控技術將是一個重大進展。所以智能化傳感器今后將會向全數字化發展進攻。

今后，全部集成在一個芯片上（或多片模塊上）的傳感器將越來越多，如微執行器、微處理器、微傳感器，它們構成的微系統是通過閉環工作的。將更高一級的計算機控制系統與數字式接口相連接，算法運用專家系統中得到的，可以對基本微傳感器部分提供更好的補償和校正。如此的智能化傳感器，功能更強大，精度更準，可靠性更高，智能化的程度更高，優點更多。

智能化傳感器代表著傳感技術今后發展的大趨勢，這已是世界上儀器儀表界共同矚目的研究內容。有理由相信：在微機械加工工藝和微處理器技術的發展趨勢下，智能化傳感器亦會不斷更新，它的更新技術也必將推動測控技術的快速發展。

參考文獻

[1]張建民主編.傳感器與檢測技術[M].北京：機械工業出版社，2000.

[2]黃俊欽，樊尚春，劉廣玉.微機械傳感器最新發展[J].航空計測技術，2003（1）：1-8.

[3]樊尚春.傳感器技術及應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2004.endprint

摘 要 傳感器技術是獲取飛機的運行狀態與趨勢信息的首要環節。文章對飛機傳感器技術的發展進行了概要描述，通過與傳統傳感器的對比分析，對智能化傳感器的結構和特點進行了分析和探討，并對大客飛機可能采取的智能化傳感器技術進行了探討。

關鍵詞 智能化傳感器；測量；微處理器；分布式系統

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）03-0027-02

傳感器技術是自動化信息系統中獲取信息的重要步驟。現代飛機上各被測對象的測量就是利用各種傳感器來實現的，通過傳感器來控制飛機的運行。

分布式測控是目前飛機研制的重要發展方向。分布式測控系統把低級處理單元下放到現場的傳感器和作動器中，集中處理單元僅僅完成高級控制邏輯和算法功能，在傳感器和作動器中集成微處理器，使之成為智能化傳感器和智能化作動器，并通過數據總線與集中處理單元通訊。用智能化裝置代替集中處理單元實現激勵、濾波、A/D、時間平均、測量、線性化、溫度補償等一些簡單功能，減輕了電纜的重量。智能化傳感器和智能化執行機構以固定的速率通過數據總線向集中處理單元發送信號和狀態信息。

隨著分布式測控技術的進步，智能化傳感器在我國新一代飛機研制中的廣泛應用將成為必然趨勢，因此，有必要對智能化傳感器進行深入研究，為新型飛機的維護和測試做好準備。

1 智能化傳感器技術概述

隨著微處理器技術的不斷進步，現代飛機的傳感器技術正也越來越智能化。傳感器的智能化就是微處理器的信息處理能力與獲取信息的能力緊密的結合，并具有診斷和雙向數字通信等新功能。

智能化傳感器與傳統傳感器不同，它不僅僅是一個簡單的傳感器，還具有診斷和數字雙向通信等新功能。

智能化傳感器的主要新功能有。

1）具有自診斷和自補償功能，所以將提高和改善基本傳感器的性能。

2）微處理器和基本傳感器之間的工作模式為閉環，且具有雙向通信的功能。

3）智能化傳感器有信息存儲和記憶功能，所以該傳感器可以存儲已有的各種信息，如工作日期、校正數據等。

4）數字量輸出或總線式輸出功能。

2 大客飛機可能采取的智能化傳感器探討

用于處理傳感器信息的軟件能實現硬件難以實現的功能。智能化傳感器工作程序是通過軟件來實現的。

2.1 光電式智能化壓力傳感器

光電式智能化壓力傳感器原理如圖1所示，使用了一個紅外發光二極管和兩個光敏二極管，通過光學方法來測量壓力敏感元件（膜片）的位移。

圖1 光電式智能化壓力傳感器原理

提供參考信號基準的光敏二極管和提供被測壓力信號的光敏二極管制作在同一芯片上，因而受溫度和老化變化的影響相同，可以消除溫漂和老化帶來的誤差。兩個二極管受同一光源（發光二極管）的照射，固定在膜片硬中心上，起窗口作用的遮光板隨著感壓膜片的位移，將遮隔一部分射向測量二極管的光；而起提供參考信號作用的二極管則連續檢測光源的光強。兩個電壓信號Vp和Vref分別由測量二極管和提供參考基準的二極管產生，它們分別為：

式中：H—光強度（cd）；C—二極管光敏系數（V /cd·m2）；Ap—測量二極管的受光面積（m2）；Aref—參考基準二極管的受光面積（m2）。

用一個比例積分式A/D變換器來獲得僅與二極管照射面積Ap，Aref 以及零位調整和滿量程調整給定的轉角α，β有關的數字輸出。至于二極管和膜片的非線性可由微處理器修正。在標定時，將這些非線性特性存入可編程只讀存儲器中進行編程，在測量時即可通過微處理器運算實現非線性補償。

2.2 智能化差壓傳感器

圖2所示為智能化差壓傳感器，由現場通信器、微處理器、基本傳感器組成。硅壓阻力敏元件被該傳感器采用。它具有多種功能，即在同一單晶硅芯片上擴散有可測差壓、靜壓和溫度的多功能傳感器。

圖2 智能化差壓傳感器

該智能化傳感器指標的特點是：①量程比高；②精度較高；③具有遠程診斷功能，如在主控計算機中就可斷定是哪一部分發生了故障；④具有遠程設置功能，在主控計算機中可選擇輸出方式，調整阻尼的時間，審定量程比及零點調整等；⑤在現場通信器上可調整智能化傳感器的流程位置、編號和測壓量程；⑥具有對溫度誤差和非線性特性進行補償的數字補償功能。

2.3 智能化結構傳感器系統

目前，智能化結構傳感器系統在先進飛機上應用主要為：飛機結構安全性監測、滑行中結構動態監測、自適應剛度控制、疲勞監測、先進隱身性能、敵機威脅監視器等。現代飛機和空間飛行器的結構更多地采用復合材料已成為發展趨勢。更引入矚目的是，在復合材料內埋入分布式光纖傳感器（或陣列），像植入人工神經元一樣，構成智能化結構件；光纖傳感器不僅僅是結構件的組成，還是它的監測部分。所以，自我監測功能就被這種智能化結構實現了。設法把埋入在結構中的分布式光纖傳感器（或陣列）和機內設備（特別是計算機）聯網，便構成智能化傳感器系統。它們可以連續地對結構應力、振動、溫度、聲、加速度和結構的完好性等多種狀態實施監測和處理，成為飛機的健康監測系統。它們具體可實現如下主要功能：①提供飛行前完好性和適航性狀態報告；②監視飛行載荷和環境，并能快速作出響應；③飛行過程中結構完好性故障或異常告警；④具有自適應能力；⑤能適時合理地安排飛行后的維護與檢修。

3 智能化傳感器的發展前景

目前智能化傳感器多實用在壓力、應力、應變、加速度和流量等傳感器中，并逐漸向化學、生物、磁和光學等各類傳感器的應用上擴展。

智能化傳感器如果是全數字式的，可以去除掉很多種與模擬的電路相關的誤差源。比如說，A/D和D/A變換器將不會出現在總的測量回路中。如此，再配合上相應的環境補償條件，每一個傳感器的特性都將重復地得到補償，可獲得的測量高重復性是前所未有的，因此測量的準確性被很大程度的提高了。這一實現，對測控技術將是一個重大進展。所以智能化傳感器今后將會向全數字化發展進攻。

今后，全部集成在一個芯片上（或多片模塊上）的傳感器將越來越多，如微執行器、微處理器、微傳感器，它們構成的微系統是通過閉環工作的。將更高一級的計算機控制系統與數字式接口相連接，算法運用專家系統中得到的，可以對基本微傳感器部分提供更好的補償和校正。如此的智能化傳感器，功能更強大，精度更準，可靠性更高，智能化的程度更高，優點更多。

智能化傳感器代表著傳感技術今后發展的大趨勢，這已是世界上儀器儀表界共同矚目的研究內容。有理由相信：在微機械加工工藝和微處理器技術的發展趨勢下，智能化傳感器亦會不斷更新，它的更新技術也必將推動測控技術的快速發展。

參考文獻

[1]張建民主編.傳感器與檢測技術[M].北京：機械工業出版社，2000.

[2]黃俊欽，樊尚春，劉廣玉.微機械傳感器最新發展[J].航空計測技術，2003（1）：1-8.

[3]樊尚春.傳感器技術及應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2004.endprint

摘 要 傳感器技術是獲取飛機的運行狀態與趨勢信息的首要環節。文章對飛機傳感器技術的發展進行了概要描述，通過與傳統傳感器的對比分析，對智能化傳感器的結構和特點進行了分析和探討，并對大客飛機可能采取的智能化傳感器技術進行了探討。

關鍵詞 智能化傳感器；測量；微處理器；分布式系統

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）03-0027-02

傳感器技術是自動化信息系統中獲取信息的重要步驟。現代飛機上各被測對象的測量就是利用各種傳感器來實現的，通過傳感器來控制飛機的運行。

分布式測控是目前飛機研制的重要發展方向。分布式測控系統把低級處理單元下放到現場的傳感器和作動器中，集中處理單元僅僅完成高級控制邏輯和算法功能，在傳感器和作動器中集成微處理器，使之成為智能化傳感器和智能化作動器，并通過數據總線與集中處理單元通訊。用智能化裝置代替集中處理單元實現激勵、濾波、A/D、時間平均、測量、線性化、溫度補償等一些簡單功能，減輕了電纜的重量。智能化傳感器和智能化執行機構以固定的速率通過數據總線向集中處理單元發送信號和狀態信息。

隨著分布式測控技術的進步，智能化傳感器在我國新一代飛機研制中的廣泛應用將成為必然趨勢，因此，有必要對智能化傳感器進行深入研究，為新型飛機的維護和測試做好準備。

1 智能化傳感器技術概述

隨著微處理器技術的不斷進步，現代飛機的傳感器技術正也越來越智能化。傳感器的智能化就是微處理器的信息處理能力與獲取信息的能力緊密的結合，并具有診斷和雙向數字通信等新功能。

智能化傳感器與傳統傳感器不同，它不僅僅是一個簡單的傳感器，還具有診斷和數字雙向通信等新功能。

智能化傳感器的主要新功能有。

1）具有自診斷和自補償功能，所以將提高和改善基本傳感器的性能。

2）微處理器和基本傳感器之間的工作模式為閉環，且具有雙向通信的功能。

3）智能化傳感器有信息存儲和記憶功能，所以該傳感器可以存儲已有的各種信息，如工作日期、校正數據等。

4）數字量輸出或總線式輸出功能。

2 大客飛機可能采取的智能化傳感器探討

用于處理傳感器信息的軟件能實現硬件難以實現的功能。智能化傳感器工作程序是通過軟件來實現的。

2.1 光電式智能化壓力傳感器

光電式智能化壓力傳感器原理如圖1所示，使用了一個紅外發光二極管和兩個光敏二極管，通過光學方法來測量壓力敏感元件（膜片）的位移。

圖1 光電式智能化壓力傳感器原理

提供參考信號基準的光敏二極管和提供被測壓力信號的光敏二極管制作在同一芯片上，因而受溫度和老化變化的影響相同，可以消除溫漂和老化帶來的誤差。兩個二極管受同一光源（發光二極管）的照射，固定在膜片硬中心上，起窗口作用的遮光板隨著感壓膜片的位移，將遮隔一部分射向測量二極管的光；而起提供參考信號作用的二極管則連續檢測光源的光強。兩個電壓信號Vp和Vref分別由測量二極管和提供參考基準的二極管產生，它們分別為：

式中：H—光強度（cd）；C—二極管光敏系數（V /cd·m2）；Ap—測量二極管的受光面積（m2）；Aref—參考基準二極管的受光面積（m2）。

用一個比例積分式A/D變換器來獲得僅與二極管照射面積Ap，Aref 以及零位調整和滿量程調整給定的轉角α，β有關的數字輸出。至于二極管和膜片的非線性可由微處理器修正。在標定時，將這些非線性特性存入可編程只讀存儲器中進行編程，在測量時即可通過微處理器運算實現非線性補償。

2.2 智能化差壓傳感器

圖2所示為智能化差壓傳感器，由現場通信器、微處理器、基本傳感器組成。硅壓阻力敏元件被該傳感器采用。它具有多種功能，即在同一單晶硅芯片上擴散有可測差壓、靜壓和溫度的多功能傳感器。

圖2 智能化差壓傳感器

該智能化傳感器指標的特點是：①量程比高；②精度較高；③具有遠程診斷功能，如在主控計算機中就可斷定是哪一部分發生了故障；④具有遠程設置功能，在主控計算機中可選擇輸出方式，調整阻尼的時間，審定量程比及零點調整等；⑤在現場通信器上可調整智能化傳感器的流程位置、編號和測壓量程；⑥具有對溫度誤差和非線性特性進行補償的數字補償功能。

2.3 智能化結構傳感器系統

目前，智能化結構傳感器系統在先進飛機上應用主要為：飛機結構安全性監測、滑行中結構動態監測、自適應剛度控制、疲勞監測、先進隱身性能、敵機威脅監視器等。現代飛機和空間飛行器的結構更多地采用復合材料已成為發展趨勢。更引入矚目的是，在復合材料內埋入分布式光纖傳感器（或陣列），像植入人工神經元一樣，構成智能化結構件；光纖傳感器不僅僅是結構件的組成，還是它的監測部分。所以，自我監測功能就被這種智能化結構實現了。設法把埋入在結構中的分布式光纖傳感器（或陣列）和機內設備（特別是計算機）聯網，便構成智能化傳感器系統。它們可以連續地對結構應力、振動、溫度、聲、加速度和結構的完好性等多種狀態實施監測和處理，成為飛機的健康監測系統。它們具體可實現如下主要功能：①提供飛行前完好性和適航性狀態報告；②監視飛行載荷和環境，并能快速作出響應；③飛行過程中結構完好性故障或異常告警；④具有自適應能力；⑤能適時合理地安排飛行后的維護與檢修。

3 智能化傳感器的發展前景

目前智能化傳感器多實用在壓力、應力、應變、加速度和流量等傳感器中，并逐漸向化學、生物、磁和光學等各類傳感器的應用上擴展。

智能化傳感器如果是全數字式的，可以去除掉很多種與模擬的電路相關的誤差源。比如說，A/D和D/A變換器將不會出現在總的測量回路中。如此，再配合上相應的環境補償條件，每一個傳感器的特性都將重復地得到補償，可獲得的測量高重復性是前所未有的，因此測量的準確性被很大程度的提高了。這一實現，對測控技術將是一個重大進展。所以智能化傳感器今后將會向全數字化發展進攻。

今后，全部集成在一個芯片上（或多片模塊上）的傳感器將越來越多，如微執行器、微處理器、微傳感器，它們構成的微系統是通過閉環工作的。將更高一級的計算機控制系統與數字式接口相連接，算法運用專家系統中得到的，可以對基本微傳感器部分提供更好的補償和校正。如此的智能化傳感器，功能更強大，精度更準，可靠性更高，智能化的程度更高，優點更多。

智能化傳感器代表著傳感技術今后發展的大趨勢，這已是世界上儀器儀表界共同矚目的研究內容。有理由相信：在微機械加工工藝和微處理器技術的發展趨勢下，智能化傳感器亦會不斷更新，它的更新技術也必將推動測控技術的快速發展。

參考文獻

[1]張建民主編.傳感器與檢測技術[M].北京：機械工業出版社，2000.

[2]黃俊欽，樊尚春，劉廣玉.微機械傳感器最新發展[J].航空計測技術，2003（1）：1-8.

[3]樊尚春.傳感器技術及應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2004.endprint