電傳飛控系統曲線測量方法探究

李良玉 張琦 張兆璨

摘?要：飛機操縱系統的操縱特性是直接影響飛機飛行品質的重要因素。在現在的飛機中，電傳操縱替代原有的傳統機械操縱形式。傳統的曲線測量方式精度較低，存在人為誤差較大，難以滿足現在對駕駛桿等操縱裝置的測量要求。本文通過對先進技術的探索，結合傳統方法，立足生產制造過程，提出一套新的電傳飛控曲線測量方案。

關鍵詞：曲線測量;傳感器;力-位移

駕駛桿、駕駛盤、腳蹬等的操縱特性是影響飛機飛行品質的重要因素。因此對其力-位移的曲線測量就顯得尤為重要。傳統的測量方式測量精度較低，不能進行實時數據采集，且功能單一。為了彌補該測量方法的不足，改善傳統測量工藝，適應新型的操縱系統，對電傳飛控系統曲線測量方法進行的研究，探索出一種先進的數字化測量方法無疑是一條必由之路。

1 需求分析

駕駛員通過操縱駕駛盤，可以控制副翼的偏轉從而調整飛機的滾裝姿態;通過操縱駕駛桿，可以控制升降舵的偏轉從而調整飛機的俯仰姿態;通過操縱腳蹬，可以控制方向舵的偏轉從而調整飛機的偏航姿態。曲線測量即對駕駛盤、駕駛桿、腳蹬等進行力與運動位移的測量。

2 傳統測量

傳統的曲線測量方法使用彈簧拉力計對駕駛盤、駕駛桿及腳蹬力進行測量，通過刻度尺等工裝工具對其運動位移進行測量。該測量方式存在測量時被測物與測量尺之間存在間隙;量具存在變形影響測量精度;工裝工具安裝點位置難以保持固定;人工讀數誤差大等問題。

3 電傳飛控系統曲線測量

在現在的飛機中，多采用電傳操縱技術，駕駛桿等操縱部件不直接連接舵面，通過傳感器采集駕駛桿等操縱設備的位移量，將機械信號轉換為電信號，經過計算機的解算處理后發往作動機構，舵面產生偏轉。操縱系統操縱運動的位移與舵面偏轉角度存在對應關系，所以對于操縱系統的力與位移的測量要求精度更高，并且要達到實時測量的效果。

3.1 總體思路

在駕駛盤、駕駛桿、腳蹬上安裝合適的力傳感器測量組件及位移傳感器測量組件，通過信號調理器將傳感器輸出的信號進行放大、濾波等處理，轉換為標準電壓信號，提供給信號采集系統采集、處理后，完成對操縱力以及運動位移的測量。

3.2 基礎原理

力值的測量核心元件采用電阻應變式傳感器，每個力傳感器輸出信號通過與之對應的信號調理板進行信號放大、濾波等處理。該類型傳感器由機械部分和電氣部分構成。測力傳感器機械部分：測力傳感器與駕駛盤等操縱機構連接在一起，承載操縱力，傳遞機械運動。測力傳感器的電路部分：根據電阻應變原理實現操縱力大小測量，輸出同操縱力成比例關系的電信號，實現對操縱力大小的檢測。當飛行員操縱飛機時，操縱力作用于力傳感器，引起力傳感器的彈性體產生拉壓應變。由材料力學可知（電阻應變傳感器力學原理）：

ε=δ/E=F/（А×E）

式中：ε——應變;

δ——應力;

E——材料彈性模量;

F——力;

А——結構參數表達式。

在彈性體上粘貼有電阻應變式電阻應變計。拉壓應變使應變計敏感柵發生變形，如圖2所示。

由物理學可知電阻R與長度L、ρ成正比，與其截面積A成反比，即R=ρL/A（式中，ρ電阻率，R電阻，L長度，A截面積），當電阻應變計因變形伸長dL時，電阻相對變化量dR/R=dL/L-dA/A+dρ/ρ。由電阻應變計的靈敏系數為K=（dR/R）/ε（電阻應變測量原理，即電阻應變效應），知：

dR/R=Kε

綜上所述，通過電阻應變計變形，可以將操縱力引起的彈性體拉壓應變量線性轉換成應變計電阻阻值變化量。

由粘貼于彈性體不同部位的四只應變計組成傳感器的電路部分——惠斯通電橋，如圖3所示，由電學原理知：

U0=R1R2-R2R4（R1+R2）（R3+R4）U

當操縱力為零時，R1=R2=R3=R4，惠斯通電橋平衡，輸出電壓U0為零。當有操縱力時，彈性體應變引起應變計電阻阻值變化dR，惠斯通電橋不平衡，輸出電壓U0=U（dR1-dR3+dR4-dR2）/4R，其中dR1、dR2、dR3、dR4為應變計的電阻變化量。令dR1=dR2=dR3=dR4=dR，得（電阻應變測量電學原理）：

U0=U×dR/R

這樣，通過粘貼于力傳感器感彈性體不同部位的四只應變計組成的惠斯通電橋，將電阻變化轉化為電壓信號。當力傳感器感受到操縱力時，惠斯通電橋輸出一個與操縱力成線性關系的電壓信號，這樣就可以實現對操縱力的測量。

3.3 駕駛盤測量

駕駛盤裝夾工裝組件，伺服傾角傳感器與扭矩傳感器裝夾于駕駛盤上。拉伸力或扭矩作用于手柄上通過手柄將拉伸力或扭矩傳遞至力傳感器或扭矩傳感器上，其中力傳感器負責測量拉伸力，扭矩傳感器負責對扭矩進行測量，最終將信號輸出。當轉動駕駛盤時，駕駛盤帶動裝夾工裝上的伺服傾角傳感器一起繞駕駛盤轉軸轉動，伺服傾角傳感器感測到的傾角變化就是駕駛盤的轉角變化。實現了駕駛盤轉角位移的直接測量。傳感器將測量值轉換為模擬量電壓進行輸出，通過采集板卡對其進行采集得出當前狀態下駕駛盤的操縱力及操縱位移。

3.4 駕駛桿測量

駛桿的位置測試可利用測試工裝安裝傾角傳感器進行測試，通過傾角傳感器進行測試，由傾角傳感器輸出的角位移數據得出操縱桿的位置變化信息，角度信息通過傳感器轉換電壓模擬量，采集后計算得出當前位置。操縱力分為推力及拉力，通過拉壓力傳感器進行測量，設計工裝將拉壓力傳感器固定其中，通過推拉駕駛桿工裝產生推拉力，使駕駛桿動作，同時有拉力傳感器進行測量，將拉壓力轉換為對應的電壓模擬量，通過采集板卡采集計算出當前操作力。

3.5 腳蹬測量

腳蹬位移測量組件通過緊固件，將腳蹬桿裝夾工裝組件及傾角傳感器裝夾于腳踏板上。并在安裝時通過測試服傾角傳感器輸出信號，以調整并保證傾角傳感器敏感軸方向同腳蹬桿轉動方向一致。當腳蹬桿轉動時，腳蹬踏板帶動裝夾工裝上的伺服傾角傳感器一起繞腳蹬桿轉軸轉動，伺服傾角傳感器感測到的傾角變化就是腳蹬桿的轉角變化。這樣實現了腳蹬桿轉角位移的直接測量，同時可計算出方向舵腳蹬行程。腳蹬桿及腳蹬踏板位移關系如圖4。

腳蹬的操縱力為兩個獨立的力傳感器，分別采集腳蹬力和剎車力信號。通過壓力傳感器來讀取操縱過程中的壓力變化，將壓力轉換為對應的電壓模擬量，通過采集板卡采集計算出當前操作力。

3.6 信號調理采集

數據采集器能完成各測量傳感器提供激勵電源，以及接收各傳感器的輸出信號;數據采集器能實現多檔可調的信號放大、濾波、過壓和過流保護、數據采集等功能。

3.7 系統軟件

駕駛艙測量系統的功能是在硬件的基礎上，通過運行應用軟件來實現的。數據采集系統軟件主要完成飛機操作系統各傳感器的數據采集、數據分析、實時顯示、數據存儲、數據傳輸和數據回放等。系統基于先進的通用總線技術，實現測試數據的采集、存儲及分析。

4 結論

傳感器曲線測量方法較之傳統的測量方法更為高效、測量結果更為精確，能夠實時準確的反映駕駛桿、駕駛盤、腳蹬等操縱機構的力-位移狀況，確保測試水平，保證飛機飛行品質。