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1、分类号：UDC ：密级：编号：工学硕士学位论文( 在职人员)飞机顶升姿态监控仪的设计与误差分析硕士研究生：指导教师：企业导师学位级别：学科、专业：所在单位：论文提交日期：论文答辩日期：学位授予单位：李香风李庆芬教授杨洪涛高级工程师工程硕士机械工程中国南方航空股份有限公司黑龙江分公司2 0 11 年3 月1 7 日2 0 11 年6 月1 5 日哈尔滨工程大学。夕，4 C l a s s i f i e dI n d e x ：U D C ：AD is s e r t a ti o nf o rt h eD e g r e eo fM E n gD e s i g na n dE r r o r
2、A n a l y s i so fA i r c r a f tJ a c k i n gP o s i t i o nM o n i t o rC a n d i d a t e ：L iX i a n g f e n gS u p e r v is o r ：P r o f L iO in g f e nE n t e r p r i s eS u p e r v i s o r ：S e n i o rE n g i n e e rY a n gH o n g t a oA c a d e m i cD e g r e eA p p l i e df o r ：M a s t e ro
3、 fE n g i n e e r i n gS p e c i a l t y ：M e c h a n i c a le n g i n e e r i n gA f f i l i a t i o n ：C h i n aS o u t h e r nA i r l i n e sC o m p a n yL i m it e dH E IL O N G J I A N GB r a n c hD a t e o fS u b m i s s i o n ：M a r c h ，2 0 11D a t e o fO r a lE x a m i n a t i o n ：J u n e
4、，2 0 11，I c c 时，千斤顶支点B 不动，千斤顶支点A 需要顶起的位移是l 盼，千斤顶支点 C 需要顶起的位移是( 1 昭I c c ) ；当1 明，l c c 时，千斤顶支点C 不动，千斤顶支点A 需要顶起的位移是l c c ，千斤顶支点B 需要顶起的位移是( 1 c c 一1 雎) ，即倾斜角巾和俯仰角入均为正值的情况下，三顶升支点的预顶高度，其它三种情况的原理与求解过程与第种情况相同，表2 1 给出了三顶升支点在不同的空间姿态时的预项高度。工作者通过姿态监控仪可以直接看到任意时刻飞机的空中姿态以及三个顶升支点的相对高度，从而直接判断出如何操作千斤项。1 4第2 章飞机顶升姿态监
5、控仪原理表2 1 三顶升支点空间位置及预顶高度三支点预顶高度 姿态角三支点位置 ABCl 从 O ，A 0 l 从 O 。 0 1 B B l c c l 从0l A l 从一l c c l c c 1 B l 从Ol 从一l 陷l 从- 砂 O ，A O 1 B B l c c l 从0l 从，l 从一l c c ，2 4 姿态监控仪的传感器技术分析传感器是信息采集的前端元件，它的作用非常重要，决定了一个测量仪器的精度和稳定性。仪器性能的好坏很大程度上依赖于传感器技术的发展。飞机项升姿态监控仪采用加速度传感器和感应式磁传感器作为测量传感元件，只有采用高品质的加速度传感器和感应式磁传感器才能保
6、证仪器有较高的测量精度和稳定性。传感器作为一种测量装置，将被测量转换为满足精度要求的具有一定对应关系的某种易于计算的物理量。虽然传感器的测量原理、基本结构、使用环境、应用条件、测量目的和技术指标等都不尽相同，但是对它们的基本要求却是相同的，通常要求传感器量程足够大、过载能力强、灵敏度高、响应速度快，工作稳定可靠、实用性和适应性强、便于使用和维修等n 6 1 7 1 钔。2 4 1加速度传感器技术加速度计是惯性导航系统中的重要敏感元件，它通过测量加速度信息，完成系统中载体的位置、速度以及产生跟踪信号的任务。随着惯性导航技术的迅速发展，出现了各种结构和类型的加速度计，大致可分为摆式加速度计和摆式积
7、分陀螺加速度计两大类，它的输出大多采用力平衡伺服回路，反馈方式可采用模拟量或数字量。摆式积分陀螺加速度计动态范围宽，精度高，但结构比较复杂，质量和体积稍大，较多应用于弹道式导弹中n 9 捌。目前应用较多的摆式加速度计有液浮摆式加速度计、挠性加速度计及静电加速度计心。液浮摆式加速度计适用于小量程和较高的精度的测量，在舰船导航系统上应用较多。】5哈尔滨T 程人学硕十学位论文静电加速度计能够测量1 0 嘈g 甚至更小的加速度，功耗低，可长时间工作，适应于宇宙飞船。挠性加速度计结构简单，体积小、质量轻，价格低廉，域值低等特点，较多应用于飞机导航系统中。加速度计通常由敏感质量、伺服电路、换能器和力矩器等
8、几部分组成。有的加速度计在壳体中集成了伺服电路；而有的加速度计将电路和表头分开，即采用分体结构口引。不同类型的加速度计的基本工作原理是一致的( 图2 6 为石英挠性伺服加速度计工作原理示意图) ，即符合牛顿第二定律。当敏感质量m 处于平衡状态下，反馈力F b 与惯性力F 相等，即F 。= F ，反馈电流j 与被测加速度a 成正比关系。由欧姆定理可知，如果在伺服电路的输出端串接一个精密电阻R ，那么电阻R 两端的输出电压也正比于加速度a ，通过测量电阻R 的输出电压就能够得到加速度a 的值。一釜蒌H 兰竺二聂丽剥位置运功广1u敏感质量m换能器反馈力F反馈力矩M电流信号l伺服电路_ 1 厂M =
9、一M bF 呐1 l反馈力Fbll 返回初始 反馈力矩M b 广_ 叫平衡位置- J 1 一 力矩线圈敏感质量m图2 6 石英挠性伺服加速度计工作原理示意图当加速度计输入所在平面相对水平面倾斜a 角时，加速度计传感器的输出为U = U o + K g os i n a( 2 1 2 )其中U 。是当加速度计的敏感轴位于水平面时，加速度计的输出值。此时地球重力加速度垂直于加速度计的输入轴，重力加速度在该轴上的分量等于零，U 。为加速度计的最大零偏，K 为电压标度因数。由式( 2 1 2 ) 可以得出s i n a = p U 。) 伍g o )( 2 1 3 )式( 2 一1 3 ) 即是当加速
10、度计的敏感轴处于垂直方向和倾斜方向构成的倾斜面上时，测量倾斜角的计算公式汹1 。当重力加速度的方向与加速度计输入轴的方向相互垂直时，重力加速度在该敏感轴上的分量等于零，而这时加速度计的输出即为最大零偏U o 。当输入加速度从一g 到+ g反复变化时，加速度计输出零位的位置在一定的范围内变化，这个范围叫零位不稳定性，1 6第2 章飞机顶升姿态监控仪原理是影响仪器测量精度的重要因素之一。另外，灵敏度、标度因数、分辨率、线性度和稳定性等性能指标也影响着加速度计的测量精度。为了提高信号传输时的信噪比，通常希望电压标度因数大一点。而线性度和稳定性反映的是标度因数在一定测量范围内保持稳定不变的特性。综合考
11、虑以上性能指标，本文中的飞机顶升姿态监控仪采用了石英挠性伺服加速度计作为测量倾斜角和俯仰角的敏感元件。由接近零温度系数的熔融石英玻璃制成的石英挠性伺服加速度计具有滞后小、漂移小、精度高、重复性高、热稳定性高等优点嘲2 射。这种加速度计适于测量超低频直至零赫( 准静赫) 的l lg 加速度( 低于1 0 g )以及静态角。2 4 2 感应式磁传感器技术本文中的飞机顶升姿态监控仪采用感应式磁传感器作为测量偏航角的敏感元件，它实际上是一种变压器式器件，但不同于普通的变压器，其作用是调制被测磁场哺1 。铁芯磁导率在环境磁场作用下产生的偶次谐波分量随激励磁场强度变化而变化，当激励磁场强度达到一定值时，铁
12、芯将处于过饱和工作状态，这时偶次谐波分量就会明显增大，对环境磁场来说，相应的磁通量即被调制，并产生感应电势。感应式磁传感器主要由地磁感应元件、激磁电路、偶次谐波测量电路、数据采集处理单元等组成。感应式磁传感器用来将环境磁场的物理量转化为可控的电势信号；测量电路主要用来对感应电势中的偶次谐波分量进行选通、滤波、放大。感应式磁传感器非常适用于测量弱磁场，比如大地磁场，它的测量效果非常好。感应式磁传感器被广泛应用于磁场检测、工程测量和电磁参数检测等领域。地磁感应元件由铁芯、激励线圈和测量线圈组成。其工作原理如图2 7 ，图中W E 为测量线圈，图中W J 为激励线圈。当两条磁路中有磁通变化时，测量线
13、圈W e 中便有感应电势E 输出。激励线圈有两个( W J - 和w J 2 ) ，分别绕在两根铁芯上，而且所绕圈数相等。两个激励线圈反向串联后通以交流电源，由于两铁芯上激励线圈是反向串连缠绕的，因此任一时刻两铁芯中的激励方向都是相反的。因为两根铁芯的各项参数几乎完全完全相同，所以在公共感应线圈中由激励磁场产生的感应电势可以互相抵消，因此它的作用只是对铁芯磁导率进行调制，而在两平行铁芯轴向上由环境磁场产生的感应电势确是同向的，因此环境磁场在感应线圈中产生的感应电势可以互相叠加。交流电源在两个激励线圈中产生的交变磁通的作用是使两个铁芯的导磁系数能随交变电源的变化而变化。如图2 8 ，当通入的交流
14、电源较小时，铁芯的导磁系数较大，反之，导磁系数很小。适当选择交流电源的幅值，使铁芯在小电流时导磁系数较大，接近1 7哈尔滨：r 程大学硕十学位论文幅值时，导磁系数迅速降至最小，达到磁通饱和的程度，这样，铁芯的导磁系数将随交流电源的变化而变化。B弋ft)H一一U图2 7 地磁感应元件工作原理图图2 8 坡莫合金的磁滞回线电磁感应元件中的铁芯要求具有高的磁导率和小的矫顽力，这就需要选取高导磁材料，这种材料包括铁、镍、钴及它们的合金和某些锰、银、铝的合金，它们的导磁率很高，并且具有极强的聚磁能作用。作为一种软磁合金的坡莫合金，它的磁滞回线与普通的铁磁物质的磁滞回线完全不同，是细长条形状，磁滞特性不显
15、著，可以近似地用它的起始磁化曲线来表示其磁化特性。这种材料易磁化，也容易退磁，适用于交变磁场，可用来制造变压器、继电器、电磁铁、电机以及各种高频电磁元件的铁芯。坡莫合金具有在弱磁场中导磁率高和矫顽力小等优点，即使外磁场只发生微小的变化，可在坡莫合金上就会引起非常明显的磁感应强度变化，也就是说，会在感应线圈中产生明显的电势。环境磁场是利用铁芯在不饱和的时刻进入铁芯，交流电源变化一个周期，环境磁场有两次“机会”进入测量线圈w e 中，使w e 有环境磁场的感应电式输出E 。即当将正弦激励电压加到激励线圈两端时，在激励磁线圈中产生的激励电流会产生激励磁场H ( H = H -C O S t ) ，而
16、当激励磁场的振幅H - 略大于坡莫合金的磁化饱和点H 。时，作用于感应线圈上的环境磁场会使感应线圈上的偶次谐波电压分量产生急剧的变化，偶次谐波中的二次谐波电压e 2 占有重要作用，是最主要的偶次谐波电压，它与环境磁场H o 的函数关系如下：吃= 鲁 1 _ 睁吁一 - 一睁甲2 卜2 耐浯二次谐波电压e 2 的振幅E 2 为岛= 鲁n 警) 2 3 佗一 1 - ( 警) 2 ( 3 坨) 变，但方向随之改变。在一定条件下，二次谐波电压e 2 仅与环境磁场H o 有关，当环境感器输出为零。因此，感应式磁传感器在测量环境磁场的大小的同时也能反映出环境磁呸= 瓦d E 2 = 等 半+ Y , - Y o1 - 1 通常情况下，H 0 远远小于H 和H 。，因此式( 3 - 1 1 ) 可以化
