基于ME MS的飛機桿面角位移多動能傳感器設計

高峰娟，崔亞君，高艷麗

（海軍航空工程學院青島校區，山東 青島 2 6 6 0 4 1）

基于ME MS的飛機桿面角位移多動能傳感器設計

高峰娟，崔亞君，高艷麗

（海軍航空工程學院青島校區，山東 青島 2 6 6 0 4 1）

針對機械式量角器和電子羅盤式量角器存在的測量精度不高、易受電磁干擾、攜帶不方便等問題，提出了基于M E M S技術并采用了磁隔離器件的多功能傳感器設計，提高了桿面角位移測量精度，有效避免了磁干擾。

M E M S技術；角位移測量；磁隔離

在“黑匣子”所記錄的參數中，操縱模擬量即飛機升降舵、方向舵、副翼、襟翼、油門桿、駕駛桿、腳蹬等飛機桿/面角位移是飛行參數記錄系統中應該記錄的重要參數。準確記錄并解析還原出此參數，為輔助飛行質量評估，事故發生后幫助相關人員進行事故調查與分析，日常機務維護時輔助地勤人員設備故障診斷等提供了有效依據。本文設計了一種基于ME MS的飛機桿/面轉角傾角等操縱位移測量的多功能傳感器，能夠實現精確測量飛機升降舵、方向舵、副翼、襟翼、油門桿、駕駛桿、腳蹬等的轉角或傾角，而且工作準備時間縮短，體積小易攜帶。

1 傳感器設計

飛機操縱位移多動能傳感器的設計是在文獻[1]設計的飛機操縱位移參數標校設備的基礎上，針對電子羅盤傳感器進行的深度研究和開發，與文獻[2]設計的飛機板面角位移遠程顯示裝置交聯，完成轉角傾角的精確測量及顯示。交聯關系如圖1。由于飛機桿/面角位移參數多、測量工位分布廣、測量信號均為模擬量、精度要求高，對于多動能傳感器的設計，考慮了以下原則：（1）能夠與飛機板面角位移遠程顯示裝置交聯配合。（2）便于攜帶、可靠性高、具有一定通用性和兼容性，便于維護和升級。

圖1 飛機操縱位移多動能傳感器交聯關系

圖2 飛機操縱位移多動能傳感器原理框圖

2 傳感器原理

多功能傳感器由ME MS三軸陀螺儀、ME MS三軸加速度計、S T M3 2微控制器、和RS 2 3 2通訊單元組成，工作原理框圖如圖2所示。

（1）ME MS三軸陀螺儀。陀螺儀采用S T公司的L 3 G系列芯片。利用速率陀螺與加速度計配合，實現對轉動體繞固定轉軸轉動的方位角的精確測量。其具有1 6位分辨率，精度高，噪聲低；有3 2位F I F O，便于數據處理，提高了與主機通訊速度；有S P I接口，便于與主機交換數據。三軸陀螺儀組成框圖如圖3所示。載體有轉動角速度的情況下，陀螺內電容容量產生相應的變化，經放大器放大、濾波、A/D轉換、數字濾波處理得到與轉動角速度對應的數字量，并通過S P I接口輸出。陀螺傳感器內置了溫度自檢測電路，可對陀螺溫度進行測量、轉換、輸出，對所測的角速度進行溫度補償，消除溫度誤差。（2）ME MS三軸加速度計。三軸加速度計采用F r e e s c a l e公司的芯片MMA 8 4 5 1。利用加速度計實現對轉動體繞固定轉軸轉動的傾角（橫向和縱向轉角）的精確測量。其具有1 4位分辨率，精度高，噪聲低；3 2位F I F O，便于數據處理；I I C接口，便于與主機機交換數據。載體有加速度變化的情況下，傳感器內電容容量產生相應的變化，經C/V變換、放大器、A/D轉換、D S P數字信號處理，得到與加速度對應的數字量，并通過I I C接口輸出。載體偏離水平面時，重力加速度在三軸上的分量發生變化，通過測量靜態重力加速度變化，轉化并計算出傾角變化，輸出與傾角有關的數字信號。三軸加速度計組成框圖如圖4所示。（3）S T M3 2微控制器。多功能傳感器的主機單元采用基于A RM公司的高性能C o r t e x-M3內核的S T M3 2微控制器，是專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用專門設計。其具有以下特點：外設豐富，含A D C、UA RT、S P I、I I C等；集成度高，含復位電路、低電壓檢測、調壓器、精確的RC振蕩器等；低功耗，在7 2 MHz時消耗3 6 mA(所有外設處于工作狀態)，待機時下降到2 μA。（4）RS 2 3 2通訊單元（圖5）。采用RS 2 3 2協議實現傳感器與飛機板面角位移遠程顯示裝置間的數據交換，并通過電平轉換電路，完成通信數據的電平轉換，傳感器通過串口發送的數據，采用中斷方式進行接收。

圖3 三軸陀螺儀組成框圖

圖4 三軸加速度計組成框圖

3 傳感器電源

傳感器電源由飛機板面角位移遠程顯示裝置主機提供，5 V的飛機板面角位移遠程顯示裝置電源經L D OS P X 1 1 1 7穩壓后，給傳感器提供3.3 V的工作電壓，傳感器電源如圖6。在多功能傳感器供電電路中采用隔離D C/D C模塊，將飛機板面角位移遠程顯示裝置的電源與傳感器進行隔離，并采用控制電路對傳感器是否上電進行控制。傳感器D C/D C模塊電路原理圖見圖7。為增強系統的可靠性，提高傳輸速率，采用磁隔離器件A D UM1 2 0 1實現飛機板面角位移遠程顯示裝置和多功能傳感器間的電氣隔離。磁隔離器件A D UM1 2 0 1原理圖如圖8所示。

綜上所述，本文設計的多功能傳感器，采用ME MS技術提高測量精度，主要解決了機械式量角器測量精度不高，操作精度不易控制和電子羅盤式量角器易受電磁干擾，以及以上測量器件工作準備時間長、攜帶不方便等突出問題，而且體積小，精度高，具有很好的使用價值。

圖5 通訊單元電平轉換電路原理圖

圖6 傳感器電源原理圖

圖7 傳感器D C/D C模塊電路原理圖

圖8 磁隔離器件A D U M1 2 0 1原理圖

[1]王小飛，邸亞洲，曲建嶺等.飛機操縱位移參數標校設備的設計[J].儀表技術，2 0 1 1(1 1):5 4~5 6.

[2]邸亞洲,周玉平,高峰等.飛機板面角位移遠程顯示裝置的設計[J].儀表技術，2 0 1 3(8):2 2~2 4.

T P 2 1 2；T P 2 7 4

A

1 6 7 1-0 7 1 1（2 0 1 7）0 1（上）-0 1 0 8-0 3