直升機氣壓高度速度傳感器原位校準方法研究

張文鋒，曾建華

(中國直升機設計研究所，江西 景德鎮 333001)

0 引言

在直升機研制及試飛測試中，直升機飛行位置和姿態等信息對直升機的穩定控制至關重要，而氣壓高度、速度傳感器作為其主要信息獲取的方式之一[1]，其數據是否準確將直接影響飛行安全[2]，因此必須對其關鍵技術指標進行定期校準。雖然傳統實驗室校準方法可信度高，但其校準周期長，且重復拆卸與安裝傳感器對整個機身管路的密封性及傳感器本身都帶來風險;此外，傳感器實際工作使用過程中環境條件的改變、傳感器內部管路的相互連接均可能對測量結果存在影響，傳統實驗室校準方法無法復現傳感器的真實工作情況，無法準確對其實際工作中的數據是否準確進行有效評估。因此，必須開展氣壓高度、速度傳感器原位校準工作。本文提出了原位校準方法，利用該方法校準了傳感器且進行了驗證，滿足當前型號該類傳感器的原位校準需求，確保試驗試飛中數據的準確可靠。

1 校準原理及裝置要求

1.1 校準原理

直升機高度、速度參數的測量主要利用安裝在飛機頭部的空速管進行氣壓感受，產生相應的靜壓和動壓信號，并作用于與其相連的氣壓高度、速度傳感器從而產生相應的電信號[3]。在校準試驗現場，通過空速管上的靜壓孔和動壓孔，標準壓力源輸出不同的壓力值給氣壓高度、速度傳感器，通過數據采集設備采集傳感器電量輸出值，利用輸出值計算其校準結果是否滿足要求，從而達到校準高度、速度傳感器的目的。原位校準系統原理如圖1所示。原位校準時，機上高度速度傳感器的振動、環境溫濕度、管路、電磁場環境等情況，均與實際工作情況一致，因此，原位校準結果可信度更高。

圖1 原位校準系統原理圖

1.2 校準裝置及要求

校準裝置主要由標準壓力源、數據采集器、電源、氣路軟管、專用工裝、計算機和相關軟件組成，如圖2所示。標準壓力源用于向高度速度傳感器提供標準壓力信號；數據采集器實現傳感器輸出信號的測量；電源向標準設備供電；氣路軟管搭建標準設備輸出端與空速管上工裝入口的連接；專用工裝實現空速管上靜壓孔和動壓孔的密封；計算機及軟件存儲校準數據并分析計算校準結果。

氣壓高度、速度傳感器原位校準裝置，應在不影響直升機高度、速度測量系統正常工作的前提下實現原位校準功能，且作為計量標準設備，應具備良好的不確定度指標[4]，即：①整個標準設備引入的擴展不確定度應小于被測傳感器最大允許誤差絕對值的1/4；②具有良好的控制穩定性能，工作溫度范圍寬，易攜帶；③管路接口應具有良好的匹配及密封性。

圖2 原位校準裝置示意圖

2 校準方法

2.1 氣壓高度傳感器校準

與傳統的實驗室拆卸后單個校準方法不同，因直升機機身內部氣壓高度傳感器的靜壓端與速度傳感器的參考端相互連接，為了防止校準氣壓高度傳感器的過程中對速度傳感器造成損壞，需將空速管上的靜壓孔(Ps)和動壓孔(Qc)的工裝入口利用氣路軟管分別連接至標準壓力源的測試端。在校準管路搭建完成且密封性測試合格的情況下，將標準壓力源的壓力輸出模式調為絕壓模式,然后參考規程要求[4]，測量范圍內至少均勻或合理地設置5個校準點。校準時從壓力下限開始，待標準壓力源達到目標點時，計算機通過數據采集器采集此時的電量輸出值。逐點升壓至測量上限，依次采集上行程各目標壓力點的電量輸出值。然后，逐點降壓至測量下限，倒序采集各目標壓力點的下行程輸出值。上行程和下行程校準為1個循環，如此進行2個循環。為了消除標準壓力源的測試端與靜壓孔和動壓孔的高度差，校準時盡量將三者放置在同一水平面上，具體校準方法如圖3所示。

圖3 氣壓高度傳感器校準方法示意圖

2.2 氣壓速度傳感器校準

在完成上述氣壓高度傳感器校準后，只需將空速管上動壓孔(Qc)的工裝入口通過氣路軟管連接至標準壓力源的測試端，靜壓孔(Ps)與大氣連通即可。在校準管路搭建完成且密封性測試合格的情況下，將標準壓力源的壓力輸出模式調為表壓模式，然后參考規程要求，后續校準步驟與氣壓高度傳感器類似，具體校準方法如圖4所示。

圖4 氣壓速度傳感器校準方法示意圖

2.3 不確定度計算

氣壓高度、速度傳感器測量誤差不確定度來源[5]主要有標準壓力源引入的不確定度分量μ(p)、數據采集器引入的不確定度分量μ(v)。現以校準測量范圍為(0～1)psi、輸出(2.5～5)V、0.5級的氣壓速度傳感器為例，標準壓力源輸出壓力最大范圍15kPa(2.2psi)，最大允許誤差±0.01%FS, 在(15～45)℃范圍內使用時，溫度影響可忽略。數據采集器的最大允許誤差為±(0.0024%讀數+50μV)，使用時，環境溫度超過(23±5)℃時溫度影響為±10μV/℃。

1)標準壓力源引入的不確定度分量μ(p),標準壓力源與被測傳感器之間高度差影響忽略，因此，標準壓力源最大誤差不超過±1.5Pa，按均勻分布，則：

(1)

2)數據采集器引入的不確定度分量μ(v)，主要是數據采集器的示值誤差引入的μ(v1)、測量重復性引入的μ(v2)和環境溫度變化引入的μ(v3)。

示值誤差不超過±0.17mV，按均勻分布，則：

(2)

對氣壓速度傳感器進行2個循環的測量，每個校準點均有4次讀數，由此計算各個校準點的試驗標準偏差，取最大值，則s=2.3mV，則：

(3)

考慮可能存在的環境溫度影響，取最大值，按均勻分布，則：

(4)

因此：

(5)

3)合成標準不確定度：

(6)

4) 擴展不確定度：

U=kuc(Δv)=2.40mV，k=2

(7)

被檢傳感器的最大允許誤差為12.5mV，從上面分析可知，整套原位校準裝置最大引入的測量擴展不確定度小于被檢傳感器允許誤差的1/4，即3.125mV，因此本套校準裝置滿足要求。

3 校準結果驗證

表1 原位校準與實驗室校準結果

圖5 各點校準結果|En|值分布圖

4 結論

直升機氣壓高度、速度傳感器原位校準方法目

前已應用于部分型號直升機機載高度、速度傳感器的校準，該校準方法具有以下三個特點：

1)本文校準方法針對被檢傳感器的實際工作環境條件開展校準，校準數據真實、準確、可靠，對后期客戶使用校準數據具有更高的應用價值；

2)與傳統校準方法相比，原位校準避免了被檢傳感器的拆卸與安裝，大量節省了維護時間，同時杜絕了因拆卸不當造成的人為故障與損傷，大幅度縮短了校準時間，提高了校準工作效率；

3)本文針對直升機氣壓高度、速度傳感器的原位校準方法，對后續其他類機載傳感器開展原位校準有很好的借鑒作用。