一種微型空速計的簡易設計方法研究

蔡瑜，雷志東

(1.中國人民解放軍91872部隊，北京102442;2.海軍駐8359所軍代室，北京100143)

0 引言

空速是飛行器穩定與控制的重要參數。在導彈設計、艦載機飛行及安全著艦和無人機自主飛行等方面，空速是一項重要測試指標，它直接影響飛行器系統整個控制環節，對飛行器的安全飛行起著十分重要的作用;空速保持是現代飛行控制系統的重要組成部分。然而，對于已經設計定型的飛行器，如何加改裝空速計是一項頗具難度的工作。為此，必須對空速計設計提出要求:首先，空速計具有微小型特點，對飛行器整體結構和氣動性能不構成影響;其次，空速計要具有一定的測試精度。圍繞這些要求，本文提出一種微型空速計的簡易設計方法，目的是對相關飛行器空速計設計提供有益的參考。

1 空速計工作原理

空速計是利用差壓原理設計的，如圖1所示。它主要由空速管、差壓傳感器、信號調理電路和精密電源組成。

圖1 空速計原理框圖

飛行器按一定速度飛行時，空速管正對氣流方向的總壓與垂直于氣流方向的靜壓之差稱為動壓，動壓q與空速管相對氣流運動速度Va的平方成正比，即

式中:ρ為大氣密度。在海平面時，大氣密度的標準值為1.25 kg/m3。

因此，可得出:

而動壓可由差壓傳感器及后續放大電路測得u=kq，其中u為空速計輸出電壓，k為電路放大倍數。所以輸出電壓u與空速平方成正比，即

2 空速計設計原理和制作

如圖2所示，空速管采用直式結構，前端選用半球形，總壓孔設計在空速管與空速一致的方向上，靜壓孔設計在與其垂直的方向上，這樣可以同時測量總壓和靜壓，將總壓和靜壓接到差壓傳感器的兩個輸入端，才可測量氣流的動壓。

圖2 空速管裝配簡圖

為了測量動壓，可選用MEMS技術的差壓傳感器，它具有體積小、重量輕、可靠性高的優點。圖3為一款差壓傳感器，其重量僅3 g，它采用高穩定芯片粘合在陶瓷基上，結構穩定，可靠性好，滿足設計要求。

圖3 MEMS差壓傳感器

圖4為差壓測量電路，從左到右3個虛線框分別為恒流源、差壓傳感器、信號調理電路。VSET為基準電壓，運放反向輸入端通過采樣電阻R5對傳感器工作電流進行采樣，與基準電壓進行比較，利用比較結果控制運放的電壓輸出:當傳感器內阻增大，其工作電流減小，R5采樣電阻上的電壓減小，當小于基準電壓VSET時，運放電壓輸出上升，傳感器工作電流上升;當傳感器內阻減小，其工作電流增大，R5采樣電阻上的電壓增大，當大于基準電壓VSET時，運放電壓輸出下降，傳感器工作電流下降。這樣保證傳感器工作在恒流狀態。

圖4 差壓測量電路

需要注意的是，由于運放工作電壓的限制，在選擇采樣電阻R5時應保證工作電流不能過大，以免運放輸出電壓飽和。另外，電阻R5的性能直接決定了恒流源的精度，因此選擇R5時應盡量選擇高精度的電阻。

傳感器輸出信號經儀表放大器進行差動放大。由于差壓傳感器輸出電壓與空速的平方成正比，因此，在低速時，其輸出電壓非常低，甚至處于儀表放大器的死區，導致不能很好地測量低速時的空速。為了消除低速范圍放大器的死區，在儀表放大器的參考電壓端接一電壓基準，以抬高其放大零點，進而提高整個電路在低空速時的靈敏度。

3 性能測試

根據所設計飛行器的速度范圍，為測試該方法制作的空速計的實際精度，試驗小組對空速計原理樣機進行了測試。測試過程中，為消除壓強差為零時出現的傳感器與放大電路形成的零漂輸出電壓，將以測量值減去零漂輸出電壓為空速計顯示的輸出指示值。測試曲線直接用空速計顯示的指示值與標準空速值進行對比，測試結果表明微型空速計非線性度為0.18%，如圖5。

圖5 空速計整體測試曲線

4 結論

文中介紹了一種基于MEMS壓力傳感器空速測量系統實現方法。試驗表明:在0～30 m/s范圍內，精度可達0.5 m/s。該空速計設計簡單，外形小巧，在不影響飛行器總體結構的前提下，安裝方便，可靠性好，其精度等性能指標滿足了飛行控制系統的整體性能要求，為飛行器空速計加改裝設計作了有益的探索。

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