摘要：本文介紹壓差歸零式和風(fēng)標(biāo)對向式角度傳感器在低速風(fēng)洞中的校準(zhǔn)方法、項目、數(shù)據(jù)處理和主要結(jié)果。安裝在飛機或?qū)棻砻娴慕嵌葌鞲衅鳎捎谑艿斤w行器本體的干擾，傳感器感受到的是被彎曲了的局部氣流方向，因而人們不能直接獲得飛行器真實角度。為了確定被彎曲了的氣流方向與飛行器真實角度之間的關(guān)系，需要進行風(fēng)洞校準(zhǔn)測量。校準(zhǔn)結(jié)果表明，角度傳感器輸出信號隨飛行器角度變化具有良好的線性關(guān)系，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定、可靠，且重復(fù)性令人滿意。
關(guān)鍵詞：角度傳感器；傳感器校準(zhǔn)；風(fēng)洞實驗；飛行器
一、引言
航空航天領(lǐng)域廣泛地應(yīng)用傳感器技術(shù)，在飛機和導(dǎo)彈等飛行器表面采用壓差歸零式和風(fēng)標(biāo)對向式兩種角度傳感器便是一例。飛行員借助安裝在飛機表面的角度傳感器可以隨時了解飛行姿態(tài)。同樣，地面操縱人員通過對安裝在飛行器表面的角度傳感器隨時獲得高空飛行器的飛行姿態(tài)信息，及時遙控引導(dǎo)。然而，由于氣流受到了飛行器本體的干擾影響，角度傳感器所感受到的局部氣流方向是被飛行器外形表面彎曲了的，與飛行器真實姿態(tài)角是不相同的，因此必須預(yù)先確定傳感器感受到局部氣流方向與飛行器真實角度兩者之間的相互關(guān)系，才能獲得飛行器的實際姿態(tài)角，因此，需要對傳感器進行風(fēng)洞校準(zhǔn)測量。
二、傳感器工作原理
目前，飛行器上使用比較普遍的是壓差歸零式和風(fēng)標(biāo)對向式兩種角度傳感器。
壓差歸零式角度傳感器外形結(jié)構(gòu)見圖1，其工作原理是利用壓差歸零特性。傳感器由一個電位計和一個隨時跟蹤氣流轉(zhuǎn)動的測壓探頭構(gòu)成，測壓探頭上開有兩排氣槽，氣流由氣槽通過兩個通道作用到內(nèi)部兩對相反的葉面上，產(chǎn)生一個與氣流方向相反的反饋力矩，使探頭追隨氣流轉(zhuǎn)動至兩排氣槽壓力相等，即壓差為零的初始位置，此時與探頭同軸連接的電刷在電位計上產(chǎn)生角位移，輸出與氣流方向變化成正比的電信號。
風(fēng)標(biāo)對向式角度傳感器外形結(jié)構(gòu)見圖2，工作原理是利用風(fēng)標(biāo)對氣流的對向特性。傳感器包括一個電位計和一個隨時跟蹤氣流轉(zhuǎn)動的方向風(fēng)標(biāo)。當(dāng)飛行器姿態(tài)角變化時，風(fēng)標(biāo)相對氣流方向隨之變化，產(chǎn)生一個與飛行器角度變化相反的角位移。風(fēng)標(biāo)轉(zhuǎn)軸與電位計同軸連接，因此，風(fēng)標(biāo)轉(zhuǎn)動角度與電位計輸出電壓信號成正比，由此可以確定角度傳感器感受到的氣流方向與飛行器實際角度的對應(yīng)關(guān)系。安裝在飛行器左側(cè)用于測量飛行迎角的傳感器稱為迎角傳感器；安裝在飛行器正上方用于測量飛行側(cè)滑角的稱為側(cè)滑角度傳感器。
三、試驗設(shè)備
傳感器校準(zhǔn)實驗是在航天科技集團公司笫701研究所低速風(fēng)洞中進行的。該座風(fēng)洞試驗段尺寸為3m´3m´12m，試驗風(fēng)速在10~100m/s之間無級調(diào)速。風(fēng)洞備有計算機控制的多自由度變角度系統(tǒng)，可以方便地模擬飛行器不同迎角、側(cè)滑角狀態(tài)，并且實時處理測試數(shù)據(jù)和繪制曲線。
四、校準(zhǔn)項目與方法
1、校準(zhǔn)項目
校準(zhǔn)項目主要包括兩部分，首先在地面進行的靜校，以及隨后在風(fēng)洞中進行的動校。前者是確定傳感器系數(shù)以及非線性、遲滯、重復(fù)性、綜合精度等產(chǎn)品性能參數(shù)，后者是確定角度傳感器與飛行器實際角度之間關(guān)系，其中包括飛行器不同姿態(tài)角，如迎角、側(cè)滑角、滾轉(zhuǎn)角等對傳感器校準(zhǔn)的影響。同時還可確定不同試驗風(fēng)速和傳感器安裝位置對傳感器校準(zhǔn)的影響，并通過風(fēng)洞試驗達到優(yōu)選傳感器安裝位置的目的。
2、校準(zhǔn)方法
傳感器靜校是屬于常規(guī)方法，它的性能參數(shù)通常在產(chǎn)品使用說明書中提供。本文著重介紹在風(fēng)洞中動校方法及其結(jié)果。
首先把飛行器安裝在風(fēng)洞支撐機構(gòu)上，將飛行器姿態(tài)角（如迎角、側(cè)滑角、滾轉(zhuǎn)角等）都調(diào)整到零度，誤差在3′以內(nèi)。在飛行器左側(cè)為迎角傳感器，在飛行器正上方為側(cè)滑角度傳感器。傳感器轉(zhuǎn)軸要垂直飛行器表面，且傳感器底座表面與飛行器表面外形保持一致，不能有突起或凹坑。傳感器不要安裝在表面曲率變化大的機頭（或彈頭）處，應(yīng)在機身（或彈身）平直段前部位置。圖3、圖4是安裝在彈體上的角度傳感器在風(fēng)洞中的校準(zhǔn)照片。
五、數(shù)據(jù)處理
迎角傳感器和側(cè)滑角傳感器數(shù)據(jù)處理方法是相同的，下面以迎角傳感器為例說明。
在進行風(fēng)洞校準(zhǔn)時，可以得到飛行器真實迎角at與傳感器輸出電壓Ua的對應(yīng)關(guān)系，即： at＝F(Ua)
用反函數(shù)表示：Ua＝F-1(at)
傳感器角位移as與輸出電壓Ua關(guān)系式由靜校時確定：as＝f（Ua），
則傳感器角位移與飛行器真實迎角關(guān)系式為∶ as＝f(F-1(at))＝F(at)。 。
校測表明，在一定角度范圍內(nèi)，函數(shù)f(x)和F(x)都是線性函數(shù)，因而函數(shù)F(x)也必定成線性規(guī)律變化，于是可以用直線方程來表示∶
as＝Kaat+a0 (1)
根據(jù)傳感器靜校實驗得：as＝Wa（Ua－Ua0）） (2)
將式（2）、代入式（1），用最小二乘法求得直線斜率Ka及截距a0，從而可以得到飛行器真實迎角的計算式： (3)
合理地調(diào)整傳感器初始零位，可使截距a0值很小，甚至可忽略不計。若考慮飛行器有滾轉(zhuǎn)角R t時，無截距的計算式為：
(4)
同理可以得到飛行器真實的側(cè)滑角的計算公式：
合理地調(diào)整傳感器初始零位，可使截距b0值很小，甚至可忽略不計。
同樣，若考慮飛行器有滾轉(zhuǎn)角Rt—時，無截距的計算式為：
以上各式中：aｔ、bｔ—飛行器實際迎角和實際側(cè)滑角（°）
aｓ、bｓ—傳感器感受到的氣流迎角和氣流側(cè)滑角（°）
Ka 、Kb—迎角和側(cè)滑角傳感器風(fēng)洞校準(zhǔn)擬合直線斜率
a0、b0—迎角和側(cè)滑角傳感器風(fēng)洞校準(zhǔn)擬合直線截距（°）
Wa、Wb—迎角和側(cè)滑角傳感器靜校系數(shù)（°/Ｖ），
Ｕa 、Ｕb —迎角和側(cè)滑角傳感器輸出電壓（V）
Rt—飛行器實際滾轉(zhuǎn)角（°）
Ｕa0、Ｕb0 —迎角和側(cè)滑角傳感器機械零位的輸出電壓（V）
六、校測結(jié)果
1、風(fēng)速影響
風(fēng)洞校準(zhǔn)試驗風(fēng)速V為50m/s和85m/s，在某一導(dǎo)彈上測量結(jié)果見表1。可以看到，試驗風(fēng)速對角度傳感器校準(zhǔn)無影響。
表1 風(fēng)速影響
V(m/s)Kaa 0Kbb0
501.4710.10°1.489-0.19°
851.4720.11°1.492-0.15°
2、側(cè)滑角的影響
不同側(cè)滑角對迎角傳感器的影響見表2。從表中可以看到，隨側(cè)滑角增加，迎角傳感器校準(zhǔn)曲線斜率Ka呈現(xiàn)遞增趨勢，但變化量很小。
表2 側(cè)滑角對迎角傳感器的影響
bt0°4°8°
Ka1.4711.4751.480
a00.10°0.07°-0.01°
3、迎角的影響
迎角不同時對側(cè)滑角傳感器的影響見表3。從表中可以看到，隨迎角增加，側(cè)滑角傳感器校準(zhǔn)曲線斜率Kb呈現(xiàn)遞增變化規(guī)律，但變化量不大。
表3 迎角對側(cè)滑角傳感器的影響
at0°4°8°
Kb1.4891.4951.517
b0-0.19°-0.22°-0.25°
4、安裝角影響
在某一飛行器上進行測量，安裝角q分別為0°、5°、10°三種狀態(tài)，結(jié)果見表4。從表中可以看到，隨安裝角增加，校準(zhǔn)擬合直線斜率Ka、Kb均呈增加趨勢。根據(jù)多次重復(fù)測量表明，θ=0° 時，數(shù)據(jù)最穩(wěn)定，特別是截距基本保持不變。因此安裝角θ=0°是最佳方案。
表4 安裝角影響
θ 0° 5° 10°
Ka 1.459 1.471 1.488
Kb 1.477 1.491 1.525
5、安裝位置影響
把傳感器從彈身前部平直段前移到頭部錐段。在不同側(cè)滑角時迎角傳感器的校準(zhǔn)結(jié)果見表5和圖5。在不同迎角時側(cè)滑角度傳感器校準(zhǔn)結(jié)果見表6。
表5 側(cè)滑角對迎角傳感器的影響(在圓錐段)
bt-10°-5°0°5°10°
Kb 1.4341.4981.5581.6131.677
a0 0.38° 0.05°-0.14°-0.44°-0.68°
關(guān)鍵詞：角度傳感器；傳感器校準(zhǔn)；風(fēng)洞實驗；飛行器
一、引言
航空航天領(lǐng)域廣泛地應(yīng)用傳感器技術(shù)，在飛機和導(dǎo)彈等飛行器表面采用壓差歸零式和風(fēng)標(biāo)對向式兩種角度傳感器便是一例。飛行員借助安裝在飛機表面的角度傳感器可以隨時了解飛行姿態(tài)。同樣，地面操縱人員通過對安裝在飛行器表面的角度傳感器隨時獲得高空飛行器的飛行姿態(tài)信息，及時遙控引導(dǎo)。然而，由于氣流受到了飛行器本體的干擾影響，角度傳感器所感受到的局部氣流方向是被飛行器外形表面彎曲了的，與飛行器真實姿態(tài)角是不相同的，因此必須預(yù)先確定傳感器感受到局部氣流方向與飛行器真實角度兩者之間的相互關(guān)系，才能獲得飛行器的實際姿態(tài)角，因此，需要對傳感器進行風(fēng)洞校準(zhǔn)測量。
二、傳感器工作原理
目前，飛行器上使用比較普遍的是壓差歸零式和風(fēng)標(biāo)對向式兩種角度傳感器。
壓差歸零式角度傳感器外形結(jié)構(gòu)見圖1，其工作原理是利用壓差歸零特性。傳感器由一個電位計和一個隨時跟蹤氣流轉(zhuǎn)動的測壓探頭構(gòu)成，測壓探頭上開有兩排氣槽，氣流由氣槽通過兩個通道作用到內(nèi)部兩對相反的葉面上，產(chǎn)生一個與氣流方向相反的反饋力矩，使探頭追隨氣流轉(zhuǎn)動至兩排氣槽壓力相等，即壓差為零的初始位置，此時與探頭同軸連接的電刷在電位計上產(chǎn)生角位移，輸出與氣流方向變化成正比的電信號。
風(fēng)標(biāo)對向式角度傳感器外形結(jié)構(gòu)見圖2，工作原理是利用風(fēng)標(biāo)對氣流的對向特性。傳感器包括一個電位計和一個隨時跟蹤氣流轉(zhuǎn)動的方向風(fēng)標(biāo)。當(dāng)飛行器姿態(tài)角變化時，風(fēng)標(biāo)相對氣流方向隨之變化，產(chǎn)生一個與飛行器角度變化相反的角位移。風(fēng)標(biāo)轉(zhuǎn)軸與電位計同軸連接，因此，風(fēng)標(biāo)轉(zhuǎn)動角度與電位計輸出電壓信號成正比，由此可以確定角度傳感器感受到的氣流方向與飛行器實際角度的對應(yīng)關(guān)系。安裝在飛行器左側(cè)用于測量飛行迎角的傳感器稱為迎角傳感器；安裝在飛行器正上方用于測量飛行側(cè)滑角的稱為側(cè)滑角度傳感器。
三、試驗設(shè)備
傳感器校準(zhǔn)實驗是在航天科技集團公司笫701研究所低速風(fēng)洞中進行的。該座風(fēng)洞試驗段尺寸為3m´3m´12m，試驗風(fēng)速在10~100m/s之間無級調(diào)速。風(fēng)洞備有計算機控制的多自由度變角度系統(tǒng)，可以方便地模擬飛行器不同迎角、側(cè)滑角狀態(tài)，并且實時處理測試數(shù)據(jù)和繪制曲線。
四、校準(zhǔn)項目與方法
1、校準(zhǔn)項目
校準(zhǔn)項目主要包括兩部分，首先在地面進行的靜校，以及隨后在風(fēng)洞中進行的動校。前者是確定傳感器系數(shù)以及非線性、遲滯、重復(fù)性、綜合精度等產(chǎn)品性能參數(shù)，后者是確定角度傳感器與飛行器實際角度之間關(guān)系，其中包括飛行器不同姿態(tài)角，如迎角、側(cè)滑角、滾轉(zhuǎn)角等對傳感器校準(zhǔn)的影響。同時還可確定不同試驗風(fēng)速和傳感器安裝位置對傳感器校準(zhǔn)的影響，并通過風(fēng)洞試驗達到優(yōu)選傳感器安裝位置的目的。
2、校準(zhǔn)方法
傳感器靜校是屬于常規(guī)方法，它的性能參數(shù)通常在產(chǎn)品使用說明書中提供。本文著重介紹在風(fēng)洞中動校方法及其結(jié)果。
首先把飛行器安裝在風(fēng)洞支撐機構(gòu)上，將飛行器姿態(tài)角（如迎角、側(cè)滑角、滾轉(zhuǎn)角等）都調(diào)整到零度，誤差在3′以內(nèi)。在飛行器左側(cè)為迎角傳感器，在飛行器正上方為側(cè)滑角度傳感器。傳感器轉(zhuǎn)軸要垂直飛行器表面，且傳感器底座表面與飛行器表面外形保持一致，不能有突起或凹坑。傳感器不要安裝在表面曲率變化大的機頭（或彈頭）處，應(yīng)在機身（或彈身）平直段前部位置。圖3、圖4是安裝在彈體上的角度傳感器在風(fēng)洞中的校準(zhǔn)照片。
五、數(shù)據(jù)處理
迎角傳感器和側(cè)滑角傳感器數(shù)據(jù)處理方法是相同的，下面以迎角傳感器為例說明。
在進行風(fēng)洞校準(zhǔn)時，可以得到飛行器真實迎角at與傳感器輸出電壓Ua的對應(yīng)關(guān)系，即： at＝F(Ua)
用反函數(shù)表示：Ua＝F-1(at)
傳感器角位移as與輸出電壓Ua關(guān)系式由靜校時確定：as＝f（Ua），
則傳感器角位移與飛行器真實迎角關(guān)系式為∶ as＝f(F-1(at))＝F(at)。 。
校測表明，在一定角度范圍內(nèi)，函數(shù)f(x)和F(x)都是線性函數(shù)，因而函數(shù)F(x)也必定成線性規(guī)律變化，于是可以用直線方程來表示∶
as＝Kaat+a0 (1)
根據(jù)傳感器靜校實驗得：as＝Wa（Ua－Ua0）） (2)
將式（2）、代入式（1），用最小二乘法求得直線斜率Ka及截距a0，從而可以得到飛行器真實迎角的計算式： (3)
合理地調(diào)整傳感器初始零位，可使截距a0值很小，甚至可忽略不計。若考慮飛行器有滾轉(zhuǎn)角R t時，無截距的計算式為：
(4)
同理可以得到飛行器真實的側(cè)滑角的計算公式：
合理地調(diào)整傳感器初始零位，可使截距b0值很小，甚至可忽略不計。
同樣，若考慮飛行器有滾轉(zhuǎn)角Rt—時，無截距的計算式為：
以上各式中：aｔ、bｔ—飛行器實際迎角和實際側(cè)滑角（°）
aｓ、bｓ—傳感器感受到的氣流迎角和氣流側(cè)滑角（°）
Ka 、Kb—迎角和側(cè)滑角傳感器風(fēng)洞校準(zhǔn)擬合直線斜率
a0、b0—迎角和側(cè)滑角傳感器風(fēng)洞校準(zhǔn)擬合直線截距（°）
Wa、Wb—迎角和側(cè)滑角傳感器靜校系數(shù)（°/Ｖ），
Ｕa 、Ｕb —迎角和側(cè)滑角傳感器輸出電壓（V）
Rt—飛行器實際滾轉(zhuǎn)角（°）
Ｕa0、Ｕb0 —迎角和側(cè)滑角傳感器機械零位的輸出電壓（V）
六、校測結(jié)果
1、風(fēng)速影響
風(fēng)洞校準(zhǔn)試驗風(fēng)速V為50m/s和85m/s，在某一導(dǎo)彈上測量結(jié)果見表1。可以看到，試驗風(fēng)速對角度傳感器校準(zhǔn)無影響。
表1 風(fēng)速影響
V(m/s)Kaa 0Kbb0
501.4710.10°1.489-0.19°
851.4720.11°1.492-0.15°
2、側(cè)滑角的影響
不同側(cè)滑角對迎角傳感器的影響見表2。從表中可以看到，隨側(cè)滑角增加，迎角傳感器校準(zhǔn)曲線斜率Ka呈現(xiàn)遞增趨勢，但變化量很小。
表2 側(cè)滑角對迎角傳感器的影響
bt0°4°8°
Ka1.4711.4751.480
a00.10°0.07°-0.01°
3、迎角的影響
迎角不同時對側(cè)滑角傳感器的影響見表3。從表中可以看到，隨迎角增加，側(cè)滑角傳感器校準(zhǔn)曲線斜率Kb呈現(xiàn)遞增變化規(guī)律，但變化量不大。
表3 迎角對側(cè)滑角傳感器的影響
at0°4°8°
Kb1.4891.4951.517
b0-0.19°-0.22°-0.25°
4、安裝角影響
在某一飛行器上進行測量，安裝角q分別為0°、5°、10°三種狀態(tài)，結(jié)果見表4。從表中可以看到，隨安裝角增加，校準(zhǔn)擬合直線斜率Ka、Kb均呈增加趨勢。根據(jù)多次重復(fù)測量表明，θ=0° 時，數(shù)據(jù)最穩(wěn)定，特別是截距基本保持不變。因此安裝角θ=0°是最佳方案。
表4 安裝角影響
θ 0° 5° 10°
Ka 1.459 1.471 1.488
Kb 1.477 1.491 1.525
5、安裝位置影響
把傳感器從彈身前部平直段前移到頭部錐段。在不同側(cè)滑角時迎角傳感器的校準(zhǔn)結(jié)果見表5和圖5。在不同迎角時側(cè)滑角度傳感器校準(zhǔn)結(jié)果見表6。
表5 側(cè)滑角對迎角傳感器的影響(在圓錐段)
bt-10°-5°0°5°10°
Kb 1.4341.4981.5581.6131.677
a0 0.38° 0.05°-0.14°-0.44°-0.68°
圖5: 不同側(cè)滑角時迎角傳感器校準(zhǔn)曲線
表6 迎角對側(cè)滑度度傳感器的影響(在圓錐段)
at -18° -12°-6°0°6° 12°18°
Kb2.0461.8691.7241.6211.5391.4651.422
b0-0.23°-0.08°0.14°0.34°0.60°0.70°0.87°
根據(jù)表5、表6校準(zhǔn)結(jié)果表明，角度傳感器不宜安裝在曲率變化較大的飛行器圓錐段頭部，否則，在不同姿態(tài)角下，校準(zhǔn)直線斜率和截距均發(fā)生很大變化。
七、結(jié)論
（1）無論是壓差式角度傳感器或風(fēng)標(biāo)式角度傳感器，在一定角度范圍內(nèi)，角位移與輸出電壓具有良好線性。
（2）動校表明，傳感器性能穩(wěn)定，數(shù)據(jù)可靠，校準(zhǔn)直線斜率誤差為±0.002, 截距誤差為±0.1°。
（3）飛機、導(dǎo)彈姿態(tài)角變化，對傳感器校準(zhǔn)曲線特性（斜率、截距）有影響，采用計算機可進行逐次疊代修正, 最終給出準(zhǔn)確的飛行器迎角和側(cè)滑角。
（4）試驗風(fēng)速大小對角度傳感器校準(zhǔn)無影響，即與飛行速度大小無關(guān)，這給使用帶來方便。
（5）傳感器要安裝在飛行器左側(cè)(或右側(cè))和正上方處，且在機身或彈身前部平直段，不要安裝在曲率變化大的頭部錐段。
（6）傳感器校準(zhǔn)直線的截距是由傳感器機械零位決定的。如果把飛行器初始角度都調(diào)到零度，然后調(diào)試傳感器安裝初始角，使輸出信號很小，從而截距很小, 以至截距可以忽略不計。
（7）壓差式角度傳感器測量范圍為±30°。風(fēng)標(biāo)式角度傳感器為±120°之間。前者校準(zhǔn)角度小的原因是在飛行器角度大時而成為“盲區(qū)”，因為氣槽容易旋轉(zhuǎn)到背風(fēng)面，此時對氣流方向不敏感。
轉(zhuǎn)自：佳工機電
