張文鋒，曾建華

(中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

在直升機(jī)研制及試飛測(cè)試中，直升機(jī)飛行位置和姿態(tài)等信息對(duì)直升機(jī)的穩(wěn)定控制至關(guān)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(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確將直接影響飛行安全[2]，因此必須對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行定期校準(zhǔn)。雖然傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)方法可信度高，但其校準(zhǔn)周期長(zhǎng)，且重復(fù)拆卸與安裝傳感器對(duì)整個(gè)機(jī)身管路的密封性及傳感器本身都帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn);此外，傳感器實(shí)際工作使用過(guò)程中環(huán)境條件的改變、傳感器內(nèi)部管路的相互連接均可能對(duì)測(cè)量結(jié)果存在影響，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)方法無(wú)法復(fù)現(xiàn)傳感器的真實(shí)工作情況，無(wú)法準(zhǔn)確對(duì)其實(shí)際工作中的數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確進(jìn)行有效評(píng)估。因此，必須開展氣壓高度、速度傳感器原位校準(zhǔn)工作。本文提出了原位校準(zhǔn)方法，利用該方法校準(zhǔn)了傳感器且進(jìn)行了驗(yàn)證，滿足當(dāng)前型號(hào)該類傳感器的原位校準(zhǔn)需求，確保試驗(yàn)試飛中數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠。

1 校準(zhǔn)原理及裝置要求

1.1 校準(zhǔn)原理

直升機(jī)高度、速度參數(shù)的測(cè)量主要利用安裝在飛機(jī)頭部的空速管進(jìn)行氣壓感受，產(chǎn)生相應(yīng)的靜壓和動(dòng)壓信號(hào)，并作用于與其相連的氣壓高度、速度傳感器從而產(chǎn)生相應(yīng)的電信號(hào)[3]。在校準(zhǔn)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，通過(guò)空速管上的靜壓孔和動(dòng)壓孔，標(biāo)準(zhǔn)壓力源輸出不同的壓力值給氣壓高度、速度傳感器，通過(guò)數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集傳感器電量輸出值，利用輸出值計(jì)算其校準(zhǔn)結(jié)果是否滿足要求，從而達(dá)到校準(zhǔn)高度、速度傳感器的目的。原位校準(zhǔn)系統(tǒng)原理如圖1所示。原位校準(zhǔn)時(shí)，機(jī)上高度速度傳感器的振動(dòng)、環(huán)境溫濕度、管路、電磁場(chǎng)環(huán)境等情況，均與實(shí)際工作情況一致，因此，原位校準(zhǔn)結(jié)果可信度更高。

圖1 原位校準(zhǔn)系統(tǒng)原理圖

1.2 校準(zhǔn)裝置及要求

校準(zhǔn)裝置主要由標(biāo)準(zhǔn)壓力源、數(shù)據(jù)采集器、電源、氣路軟管、專用工裝、計(jì)算機(jī)和相關(guān)軟件組成，如圖2所示。標(biāo)準(zhǔn)壓力源用于向高度速度傳感器提供標(biāo)準(zhǔn)壓力信號(hào)；數(shù)據(jù)采集器實(shí)現(xiàn)傳感器輸出信號(hào)的測(cè)量；電源向標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備供電；氣路軟管搭建標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備輸出端與空速管上工裝入口的連接；專用工裝實(shí)現(xiàn)空速管上靜壓孔和動(dòng)壓孔的密封；計(jì)算機(jī)及軟件存儲(chǔ)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)并分析計(jì)算校準(zhǔn)結(jié)果。

氣壓高度、速度傳感器原位校準(zhǔn)裝置，應(yīng)在不影響直升機(jī)高度、速度測(cè)量系統(tǒng)正常工作的前提下實(shí)現(xiàn)原位校準(zhǔn)功能，且作為計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，應(yīng)具備良好的不確定度指標(biāo)[4]，即：①整個(gè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備引入的擴(kuò)展不確定度應(yīng)小于被測(cè)傳感器最大允許誤差絕對(duì)值的1/4；②具有良好的控制穩(wěn)定性能，工作溫度范圍寬，易攜帶；③管路接口應(yīng)具有良好的匹配及密封性。

圖2 原位校準(zhǔn)裝置示意圖

2 校準(zhǔn)方法

2.1 氣壓高度傳感器校準(zhǔn)

與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室拆卸后單個(gè)校準(zhǔn)方法不同，因直升機(jī)機(jī)身內(nèi)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(zhǔn)氣壓高度傳感器的過(guò)程中對(duì)速度傳感器造成損壞，需將空速管上的靜壓孔(Ps)和動(dòng)壓孔(Qc)的工裝入口利用氣路軟管分別連接至標(biāo)準(zhǔn)壓力源的測(cè)試端。在校準(zhǔn)管路搭建完成且密封性測(cè)試合格的情況下，將標(biāo)準(zhǔn)壓力源的壓力輸出模式調(diào)為絕壓模式,然后參考規(guī)程要求[4]，測(cè)量范圍內(nèi)至少均勻或合理地設(shè)置5個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)。校準(zhǔn)時(shí)從壓力下限開始，待標(biāo)準(zhǔn)壓力源達(dá)到目標(biāo)點(diǎn)時(shí)，計(jì)算機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)采集器采集此時(shí)的電量輸出值。逐點(diǎn)升壓至測(cè)量上限，依次采集上行程各目標(biāo)壓力點(diǎn)的電量輸出值。然后，逐點(diǎn)降壓至測(cè)量下限，倒序采集各目標(biāo)壓力點(diǎn)的下行程輸出值。上行程和下行程校準(zhǔn)為1個(gè)循環(huán)，如此進(jìn)行2個(gè)循環(huán)。為了消除標(biāo)準(zhǔn)壓力源的測(cè)試端與靜壓孔和動(dòng)壓孔的高度差，校準(zhǔn)時(shí)盡量將三者放置在同一水平面上，具體校準(zhǔn)方法如圖3所示。

圖3 氣壓高度傳感器校準(zhǔn)方法示意圖

2.2 氣壓速度傳感器校準(zhǔn)

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

圖4 氣壓速度傳感器校準(zhǔn)方法示意圖

2.3 不確定度計(jì)算

氣壓高度、速度傳感器測(cè)量誤差不確定度來(lái)源[5]主要有標(biāo)準(zhǔn)壓力源引入的不確定度分量μ(p)、數(shù)據(jù)采集器引入的不確定度分量μ(v)?，F(xiàn)以校準(zhǔn)測(cè)量范圍為(0～1)psi、輸出(2.5～5)V、0.5級(jí)的氣壓速度傳感器為例，標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)使用時(shí)，溫度影響可忽略。數(shù)據(jù)采集器的最大允許誤差為±(0.0024%讀數(shù)+50μV)，使用時(shí)，環(huán)境溫度超過(guò)(23±5)℃時(shí)溫度影響為±10μV/℃。

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

(1)

2)數(shù)據(jù)采集器引入的不確定度分量μ(v)，主要是數(shù)據(jù)采集器的示值誤差引入的μ(v1)、測(cè)量重復(fù)性引入的μ(v2)和環(huán)境溫度變化引入的μ(v3)。

示值誤差不超過(guò)±0.17mV，按均勻分布，則：

(2)

對(duì)氣壓速度傳感器進(jìn)行2個(gè)循環(huán)的測(cè)量，每個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)均有4次讀數(shù)，由此計(jì)算各個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差，取最大值，則s=2.3mV，則：

(3)

考慮可能存在的環(huán)境溫度影響，取最大值，按均勻分布，則：

(4)

因此：

(5)

3)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

(6)

4) 擴(kuò)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(zhǔn)裝置最大引入的測(cè)量擴(kuò)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(zhǔn)裝置滿足要求。

3 校準(zhǔn)結(jié)果驗(yàn)證

表1 原位校準(zhǔn)與實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)結(jié)果

圖5 各點(diǎn)校準(zhǔn)結(jié)果|En|值分布圖

4 結(jié)論

直升機(jī)氣壓高度、速度傳感器原位校準(zhǔn)方法目

前已應(yīng)用于部分型號(hào)直升機(jī)機(jī)載高度、速度傳感器的校準(zhǔn)，該校準(zhǔn)方法具有以下三個(gè)特點(diǎn)：

1)本文校準(zhǔn)方法針對(duì)被檢傳感器的實(shí)際工作環(huán)境條件開展校準(zhǔn)，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)真實(shí)、準(zhǔn)確、可靠，對(duì)后期客戶使用校準(zhǔn)數(shù)據(jù)具有更高的應(yīng)用價(jià)值；

2)與傳統(tǒng)校準(zhǔn)方法相比，原位校準(zhǔn)避免了被檢傳感器的拆卸與安裝，大量節(jié)省了維護(hù)時(shí)間，同時(shí)杜絕了因拆卸不當(dāng)造成的人為故障與損傷，大幅度縮短了校準(zhǔn)時(shí)間，提高了校準(zhǔn)工作效率；

3)本文針對(duì)直升機(jī)氣壓高度、速度傳感器的原位校準(zhǔn)方法，對(duì)后續(xù)其他類機(jī)載傳感器開展原位校準(zhǔn)有很好的借鑒作用。