传感器在直—9直升机上的应用和发展

2014-11-05陈涛井云鹏

电子技术与软件工程 2014年18期

陈涛　井云鹏

摘要

直-9直升机是引进法国“海豚”直升机生产专利并经国产化的快速4吨级中型多用途直升机，直升机上机载传感器监控的参数和对象主要包括压力、温度、位置、位移、角度、速度、转速、高度、油量、载荷、振动频率和振幅、金属屑和空气流场等，本文主要阐述了直-9直升机上传感器的使用分布、种类、特点、发展历程和趋势。

【关键词】传感器直-9直升机应用

1 引言

直-9系列直升机是中航工业哈飞引进法国“海豚”直升机生产专利并经国产化的快速4吨级中型多用途直升机，先后走过了小批组装、国产化、改进改型的研发过程，使我国的直升机制造技术水平向前跨越了二十年。直-9系列直升机已成为我国保有量最多的直升机型号。

该直升机具有结构重量轻、有效载荷大、巡航速度快、飞行噪声低、性能先进、操纵灵活、安全可靠、维护简单、翻修寿命长、经济性好等特点。全机结构采用复合材料，双发动机动力系统，主减速器传动装置，旋翼由4片复合材料桨叶和星型柔性桨毂组成，采用先进涵道尾桨和不对称翼型的大垂尾。能用于多种用途，当装有适当设备时，就可用于近海支援、人员运送、救护、空中摄影、海上巡逻、外部吊挂、海上救援、缉私、护林防火等任务。

直-9直升机主要组成和结构部件见图1。

1.旋翼桨叶 2.主减速器整流罩 3.滑油散热器 4.主减速器5.旋翼毂和传动轴组件

6.发动机 7.发动机整流罩 8.尾传动轴 9.尾传动轴整流罩10.尾桨叶

11.侧垂直安定面 12.尾桨毂和尾减速器组件 13.垂直安定面14.水平安定面

15.尾橇 16.尾梁 17.后部机体结构 18.主起落架舱门护板19.主起落架 20.滑动舱门

21.中舱门 22.驾驶员舱门 23.底部结构（含油箱）24.中央操纵台 25.座舱盖

26.前起落架 27.仪表板 28.机头罩 29.座舱地板30.滑油散热器进气道整流罩

2 使用分布和种类

直-9直升机是一种典型的中型直升机。直-9直升机上传感器应用繁多，从分布范围上来看，从直升机机头到机尾、从直升机底部的燃油箱到顶部旋翼、从机体左侧到右侧的的整个结构空间内所涉及的各系统都分布有传感器。从空间结构来看，安装传感器的区域主要涉及驾驶舱、座舱、行李舱、发动机舱、主减速器舱、电子设备舱、起落架舱和燃油箱等空间。从涉及的系统来看，主要包括发动机和发动机操纵、主减速器和传动系统、燃油系统、滑油系统、液压系统、环控系统、防火系统、飞行操纵、电源系统、导航系统、控制增稳系统、大气数据系统、大气航姿基准系统、起落架系统、旋翼系统和任务选装设备等。

直-9直升机上具体使用的传感器主要包括压力传感器、温度传感器、转速传感器、位置传感器、磁传感器、油量传感器、载荷传感器、金属屑传感器、空速传感器、速度矢量传感器、位移传感器和流量传感器等。

3 传感器使用特点

随着航空技术的快速发展，直升机结构和功能日益复杂，直升机上各系统的工作更趋于高精度、高可靠性、高稳定性、高安全性方向的发展，对于各系统的在线实时数据监控越来越重要。在航空领域上，直升机的设计、试验和生产制造三大技术中，利用机载设备传感器进行各参数和对象测量已经是一项必不可少的工作内容，其传感器正越来越得到极大的应用。

直-9直升机上机载设备传感器监控的参数和对象主要包括压力、温度、位置、位移、角度、速度、转速、高度、油量、载荷、振动频率和振幅、金属屑和空气流场等，其中测量压力和温度参数的传感器得到了最广泛的应用。在直-9直升机使用过程中，其应用的机载设备传感器一般具有如下特点：

3.1 工作介质复杂

在直升机上需要压力测量的工作介质复杂、种类多。工作介质有液体和气体之分，有一般工作介质，有高温高压介质，也有强腐蚀介质，主要包括煤油及油蒸气、滑油及油蒸气、液压油及油蒸气、汽油及油蒸气、常压空气及低压空气、高温高压空气、高速气流、各种振动源；工作介质温度变化大，一般为-55～450，对于发动机甚至温度高达2000多；工作介质压力范围大，一般为100Pa～30MPa，甚至压力高达100Ma多。

3.2 工作环境复杂

在直升机使用过程中的，传感器要长时间承受振动、加速度、温度冲击、电磁干扰等环境影响，暴漏在机体外部的会长时间承受盐雾、霉菌、湿热、砂尘、淋雨、太阳辐射等环境影响。对于带有火箭炮之类武器装备的直升机，传感器将会承受瞬时高强度的炮击振动。经验表明，长时间处于海洋性气候和高温地域工作的直升机，对其机载设备传感器耐湿度和腐蚀能力要求更高。

3.3 寿命和可靠性高

直升机是一种能够长期、可靠和安全使用的飞行器，其机载设备压力传感器的使用寿命一般要求能够达到10000小时以上，传感器平均故障间隔时间MTBF一般要求不低于2000小时。

3.4 体积小、重量轻

早期直升机研制过程中，机载设备传感器一般体积较大、重量较重。随着传感器技术的快步发展，从直升机运营性、经济性、尤其军用直升机机动性、战训能力角度出发，对机载设备传感器的体积和重量要求越来越严格，从直升机研制之初，到最后的设计定型、适航取证过程中，对传感器体积和重量要求都是层层控制。有限的结构空间对体积和重量的苛刻要求，也使得一些复合式传感器应用的越来越多。

3.5 工作精度高、稳定性好

随着直升机应用的领域越来越广泛，要求高精度、工作稳定性好的机载设备传感器已经越来越迫切，尤其对发动机工作状态、火控和武器系统、导航系统的监控要求有更高的精度和稳定性。要求传感器综合精度优于0.1%FS将很快变为一种基本指标要求。endprint

4 传感器功能

4.1 压力传感器

压力是流体技术领域中的一项重要参数，压力测量在国民经济的各个领域都得到了广泛应用。在直-9直升机上，压力传感器应用最多，从空间结构来看，安装压力传感器的区域主要涉及燃油箱、座舱、发动机舱、主/尾减速器舱、电子设备舱、起落架舱等空间。从涉及的系统来看，主要包括发动机、燃油系统、滑油系统、液压系统、环控系统、大气数据系统、大气航姿基准系统和任务、选装设备等。

直-9直升机安装的压力传感器具体种类和作用包括：

4.1.1 发动机扭矩传感器

用于检测发动机功率。通过发动机内工作滑油，测试发动机扭矩压力，输出后转换成发动机扭矩。测试介质为滑油。

4.1.2 滑油压力传感器

用于监控发动机和传动系统内滑油的工作压力。传感器通过安装在滑油流经的管路或滑油腔部位，为发动机和传动系统工作部件润滑和冷却提供压力监控保障。测试介质为滑油。

4.1.3 燃油压力传感器

用于监控燃油系统工作压力。传感器通过安装在燃油流经的管路上，为燃油系统稳定的工作压力和工作流量提供监控保障。测试介质为燃油。

4.1.4 液压传感器

用于测量液压系统内液压油的工作压力。传感器通过安装在液压油流经的管路或液压油腔部位，为液压系统液体传力提供压力监控保障。测试介质为液压油。

4.1.5 气压传感器

用于测量直升机所处位置的大气压力和压力变化。传感器通过直升机全静压系统，将测量的压力信息传给大气数据计算机进行处理和输出。测试介质为外界大气。

4.1.6 气压高度传感器

通过测量全静压系统的大气静压，来确定气压高度，传给计算机后计算得到直升机的飞行高度等信息。

4.1.7 环控系统用的压力传感器

当直升机驾驶舱和座舱为密封舱时，一般需要传感器测量舱内压力，为环控系统执行其它预定功能提供依据。

4.1.8 空速传感器

空速传感器用于测量直升机空速变化，通过测量外界气流的动压（总压与静压之差）来确定直升机相对周围大气速度的传感器。

4.1.9 任务设备用的压力传感器

主要用于保障直升机上安装的任务设备能执行预定功能。这类传感器一般都随任务设备而来。

4.2 温度传感器

在直-9直升机上，温度传感器的应用也非常多。从结构空间来看，安装温度传感器的区域主要涉及发动机舱、座舱/货舱、行李舱、主/尾减速器舱、电子设备舱、起落架舱和辅助动力装置舱等空间。从涉及的系统来看，主要包括发动机、滑油系统、防火系统、环控系统、大气数据系统、辅助动力装置和任务设备等。

直-9直升机安装的温度传感器具体种类和作用包括：

4.2.1 发动机排气温度传感器

用于检测发动机工作时涡轮和尾喷等处的排气温度。通过排气温度值判定发动机工作情况。测试介质为高温气体。

4.2.2 滑油温度传感器

用于测量发动机和传动系统内滑油的工作温度。传感器通过安装在滑油系统管路或滑油箱部位，为发动机和传动系统工作部件润滑和冷却提供监控保障。测试介质为中高温滑油。

4.2.3 大气数据系统用的温度传感器

用于测量直升机所处位置的大气温度。传感器通直接与外界大气相连，将测量信息传给大气数据计算机。测试介质为外界大气。

4.2.4 发动机和辅助动力装置用的火警探测器

用于测量发动机舱和辅助动力装置舱内工作温度，监控发动机和辅助动力装置舱是否失火。测试介质为中高温气体。

4.2.5 座舱/货舱、行李舱、电子设备舱用的温度探测器

用于测量座舱/货舱、行李舱、电子设备舱内温度，监控舱内是否发生火灾。

4.2.6 环控系统用的温度探测器

用于测量环控系统中的驾驶舱和座舱加温管路、空调系统的发动机引气管路是否泄漏。测试介质为高温气体。

4.2.7 任务设备用的温度传感器

主要用于保障直升机上安装的任务设备能执行预定功能。这类传感器一般都随任务设备而来。

4.3 其它传感器

4.3.1 磁航向传感器

磁航向传感器用于导航系统，主要用于测量直升机相对地磁北极的航向，用以指示直升机相对地磁北极的偏角。一般与惯导系统配套使用，为惯导系统提供相对地磁北极偏角的信息。

磁航向传感器属于两相地磁敏感元件，通过完全正交的两组线圈，在激磁信号的作用下，将测量到的地磁场强度信号转换成电信号，通过选频将2倍于激磁信号的频率选出，经解调后转换成直流信号，通过AD 转换将模拟信号转换成数字信号。在信号的处理上通过对两组信号符号的判别确定信号所属象限，通过对两组信号大小的反正切计算确定信号的角度。当直升机沿飞行方向顺时针旋转时，输出由小到大增加（0°→360°）；当直升机沿飞行方向逆时针旋转时，输出由大到小减少（360°→0°）。

4.3.2 转速传感器

转速传感器主要用于发动机和旋翼系统。旋翼转速传感器，用于监控主旋翼轴的最大和最小转速，并提供告警功能。发动机用的转速传感器用于监控发动机燃气涡轮的转速和自由涡轮的转速。

4.3.3 油量/液面传感器

油量传感器主要用于燃油系统、液压系统和滑油系统，监控燃油箱、液压油箱、滑油箱内燃油量的多少，以及提供最大和最小燃油油量报警。

传感器是一个电容器，其内外管表面的铜镀层构成了极板，电容器的介质即燃油和周围的空气。由于燃油的介质常数大约为空气介质常数的2倍，装于燃油箱内的传感器电容随着燃油平面的变化而变化。一般由于燃油箱形状不规则，传感器内管的铜镀层被镀成特定的形状，以使传感器的电容量与传感器测量的油量成线性变化。传感器内置开关，提供报警功能。endprint

4.3.4 载荷传感器

在高速飞行中，急剧的机动飞行（即小半径机动飞行）会引起严重的结构应力，如果这个应力过大就会引起事故。旋翼的载荷随过载系数的增加而增加。并且部分地由操纵线系承担，特别是右横向线系受力最严重。当直升机达到它的可操纵极限时，由安装在右横向线系伺服机构上的一个载荷传感器通知驾驶员，及时采取飞行程序处理。

4.3.5 金属屑传感器

金属屑传感器利用电磁感应原理，用于监控发动机和传动系统工作滑油中金属屑种类、大小和含量，并提供告警功能。

4.3.6 位置传感器

位置传感器用于控制增稳系统，控制增稳系统用于仪表飞行时对直升机的姿态、航向和飞行轨迹进行控制。位置传感器主要包括脚蹬位置传感器、总距位置传感器和周期杆位置传感器。

脚蹬、总距和周期杆位置传感器是一种连续工作的机电装置，当脚蹬、总距变距杆和航向周期杆的位置移动后，通过连杆带动传感器的的摇臂转动，与摇臂联接的电位计因而输出相对应的电压变化信号，输出到放大器和计算机，来反映脚蹬、总距和周期杆的位置。

4.3.7 速度矢量传感器

速度矢量传感器为复合式传感器，用于大气数据系统，安装在旋翼下面的诱导气流场中，感受由空速和下洗流引起的合成气流全压、静压、大气静温、以及探头相对于直升机轴线的俯仰角和方位角，传送给直升机大气数据计算机进行处理。

4.3.8 角位移传感器

用于武器随动系统，角位移传感器安装在武器通用挂架上，实时反馈挂架位置，并输出挂架位置信号送至随动电子箱内进行解算。

4.3.9 流量传感器

流量传感器主要用于直升机燃油系统，不断地监控燃油系统供油管路中流经的燃油流量，并传给直升机上数据计算机，换算成燃油消耗总量和剩余量。

5 发展历程

5.1 压力传感器

直-9直升机应用的压力传感器在工作原理和工作方式上主要经历了两个阶段：

第一阶段：膜盒式压力传感器

在机载测试技术发展的初期，使用的都是膜盒式结构的压力传感器来对直升机上各种形式的压力进行测量。二十世纪八十年代初，中航工业哈飞引进法国“海豚”直升机，并发展成直-9系列直升机。法国“海豚”直升机研制初期安装的压力传感器均是膜盒式压力传感器。直-9系列直升机早期研发阶段，绝大部分压力传感器沿用了“海豚”直升机所安装的传感器，少数压力传感器安装了国内航空仪表生产单位研发的膜盒式结构压力传感器。

膜盒式结构的压力传感器精度不高，工作稳定性差，工作寿命短。随着航空技术的发展，直升机构成和使用日趋复杂，对机载测试技术的要求也不断的提高，这种结构形式的压力传感器很难满足机载测试的要求。

第二阶段：压阻式压力传感器

直-9系列直升机先后走过了小批组装、国产化、改进改型的研发过程。在二十世纪九十年代初，直-9直升机开始了各类传感器的国产化、更新换代工作，尤其是压力传感器，全部应用中国电子科技集团第49所研发的压阻式压力传感器。

压阻式传感器就是利用单晶硅压阻效应制成的。它是将单晶硅膜片和电阻条采用集成电路工艺制作成为硅压阻芯片，然后将此芯片封接在传感器外壳内连接出电极引线而制成。利用硅的压阻效应和集成电路技术制成的压阻式传感器，具有灵敏度高、动态响应快、测量精度高、稳定性好、易于小型与微型化、便于批量生产与使用方便等特点。因而，它是一种发展迅速、应用广泛的新型传感器，所以国内外一些传感器生产厂家己逐渐淘汰了膜盒式结构的压力传感器，取而代之的就是压阻式压力传感器。

但是，压阻式传感器是用半导体材料制成的，半导体材料对温度比较敏感，所以以半导体材料作为敏感元件的传感器的温度特性比较差，温度漂移非常大；它特殊的加工工艺又使其非线性误差也比较大。因此较大的温漂和非线性误差，而使压阻式传感器的使用受到了限制。但它的重复性非常好，所以可通过对温度漂移误差和非线性误差进行补偿，来提高它的温度使用范围。

5.2 温度传感器

直-9直升机应用的温度传感器在工作原理和工作方式上主要经历了两个阶段：

第一阶段：热电偶温度传感器

热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一。二十世纪八十年代初，中航工业哈飞引进法国“海豚”直升机，并发展成直-9系列直升机。法国“海豚”直升机研制初期安装的温度传感器均是热电偶温度传感器。直-9系列直升机早期研发阶段，绝大部分温度传感器沿用了“海豚”直升机所安装的传感器。

热电偶温度传感器具有探测工作温度范围宽，电动势较大，测量方便，准确较高的优点，热电偶传感器也有自己的缺陷，它灵敏度比较低，容易受到环境的信号干扰，也容易受到前置放大器温漂的影响，不适合测量微小的温度变化。

第二阶段：热电阻温度传感器

直-9系列直升机先后走过了小批组装、国产化、改进改型的研发过程。在二十世纪九十年代初，直-9直升机开始了各类传感器的国产化、更新换代工作，在温度传感器上，大部分应用了国内航空仪表公司研发的热电阻温度传感器，主要是铂电阻温度传感器。

铂电阻温度传感器测量精度极高，长期稳定性好，抗氧化与抗时效误差效果好。铂电阻温度传感器测试温度偏低，是中低温区最常用的一种温度传感器。

6 发展趋势

直升机上机载传感器技术属于由技术推动发展的技术领域之一，它超前于直升机的发展以向直升机提供先进的成熟产品。它是测量技术的前端，也是信息技术的源头，传感器在航空领域有着广泛的应用。除了红外、激光、图像、雷达探测等机载光电、射频传感器系统外，那些基于压力、温度、加速度、角度、位移、油量、生物敏、化学敏等原理的机载传感器，主要用于测量直升机的飞行姿态、状态、导航定位参数、动力装置及燃滑油系统工作参数，测量武器火控系统以及飞控、液压、电源、起落架、环控、救生、安全与防护等机载设备系统的工作参数，供驾驶员直接了解直升机机的有关状态，对各种机载装置和系统进行控制。endprint

直升机上机载传感器发展趋势主要体现在下面几个方向：

（1）微型化：微型化会为直升机带来很多好处，其功耗低、重量轻、体积小、分辨率高，实施安装非常方便；对周围器件影响小，也利于微型仪器、仪表的配套使用。

（2）集成化：多功能一体化传感器在航空领域内越来越得到广泛关注和应用，

其中，将多种不同敏感元器件制作在同一个硅片上，制成集成化多功能的传感器，集成度高、体积小，容易实现补偿和校正，是当前传感器集成化发展的主要方向。

（3）数字智能化：

目前，直-9系列直升机为我国保有量最多的直升机型号。国内外用户，对直-9直升机的使用需求日益复杂，在直-9直升机的现有的设计平台，对其操作系统、显示系统的数字化改造已迫在眉睫，随着直-9直升机应用数字式电子控制技术程度越来越高，传统的压力传感器已经很难满足数字控制系统的要求。

智能压力传感器开发和应用，为解决直-9直升机数字控制系统具有记忆、思维、处理能力开辟了广阔地前景。运用在航空控制系统中的智能压力传感器，除了发送/接收数字信号外，还执行信号采集和处理、故障自诊断、故障隔离及故障容错等任务，分担了FADEC系统的繁重低级任务，腾出大量CPU资源来实现复杂、精确的控制算法和监控管理，用以提高综合系统的动态特性和整体性能。

同传统压力传感器相比，智能传感器具有以下几个显著特点：

（1）精度更高：智能传感器可以通过软件进行信息处理，从而可以修正各种确定性系统误差，也可适当补偿随机误差，降低噪声，提高传感器精度；

（2）稳定、可靠性好：它具有自诊断、自校准和数据存储功能，对于智能结构系统还具有自适应功能；

（3）检测与处理方便：它不仅具有一定的可编程自动化能力，可根据对象或条件的变化，改变量程或输出数据的形式，而且输出数据可通过串行或并行口直接送到远地的计算机进行处理：

（4）功能广：不仅可以实现多传感器信息参数的综合测量，而且可以有多种形式输出。

参考文献

[1]航空传感器实用手册[M]北京：机械工业出版社，1995.

[2]传感器技术手册[M].北京：国防工业出版社，1986.

[3]余瑞芬.传感器原理[M].北京：航空工业出版社，1995.

[4]刘君华.智能传感器系统[M].西安：西安电子科技大学出版社，2000（08）.

[5] S哈尔滨飞机制造公司.A365N1海豚2型直升机培训手册[Z]，1990.

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