一种微型空速计的简易设计方法研究

蔡瑜，雷志东

(1.中国人民解放军91872部队，北京102442;2.海军驻8359所军代室，北京100143)

0 引言

空速是飞行器稳定与控制的重要参数。在导弹设计、舰载机飞行及安全着舰和无人机自主飞行等方面，空速是一项重要测试指标，它直接影响飞行器系统整个控制环节，对飞行器的安全飞行起着十分重要的作用;空速保持是现代飞行控制系统的重要组成部分。然而，对于已经设计定型的飞行器，如何加改装空速计是一项颇具难度的工作。为此，必须对空速计设计提出要求:首先，空速计具有微小型特点，对飞行器整体结构和气动性能不构成影响;其次，空速计要具有一定的测试精度。围绕这些要求，本文提出一种微型空速计的简易设计方法，目的是对相关飞行器空速计设计提供有益的参考。

1 空速计工作原理

空速计是利用差压原理设计的，如图1所示。它主要由空速管、差压传感器、信号调理电路和精密电源组成。

图1 空速计原理框图

飞行器按一定速度飞行时，空速管正对气流方向的总压与垂直于气流方向的静压之差称为动压，动压q与空速管相对气流运动速度Va的平方成正比，即

式中:ρ为大气密度。在海平面时，大气密度的标准值为1.25 kg/m3。

因此，可得出:

而动压可由差压传感器及后续放大电路测得u=kq，其中u为空速计输出电压，k为电路放大倍数。所以输出电压u与空速平方成正比，即

2 空速计设计原理和制作

如图2所示，空速管采用直式结构，前端选用半球形，总压孔设计在空速管与空速一致的方向上，静压孔设计在与其垂直的方向上，这样可以同时测量总压和静压，将总压和静压接到差压传感器的两个输入端，才可测量气流的动压。

图2 空速管装配简图

为了测量动压，可选用MEMS技术的差压传感器，它具有体积小、重量轻、可靠性高的优点。图3为一款差压传感器，其重量仅3 g，它采用高稳定芯片粘合在陶瓷基上，结构稳定，可靠性好，满足设计要求。

图3 MEMS差压传感器

图4为差压测量电路，从左到右3个虚线框分别为恒流源、差压传感器、信号调理电路。VSET为基准电压，运放反向输入端通过采样电阻R5对传感器工作电流进行采样，与基准电压进行比较，利用比较结果控制运放的电压输出:当传感器内阻增大，其工作电流减小，R5采样电阻上的电压减小，当小于基准电压VSET时，运放电压输出上升，传感器工作电流上升;当传感器内阻减小，其工作电流增大，R5采样电阻上的电压增大，当大于基准电压VSET时，运放电压输出下降，传感器工作电流下降。这样保证传感器工作在恒流状态。

图4 差压测量电路

需要注意的是，由于运放工作电压的限制，在选择采样电阻R5时应保证工作电流不能过大，以免运放输出电压饱和。另外，电阻R5的性能直接决定了恒流源的精度，因此选择R5时应尽量选择高精度的电阻。

传感器输出信号经仪表放大器进行差动放大。由于差压传感器输出电压与空速的平方成正比，因此，在低速时，其输出电压非常低，甚至处于仪表放大器的死区，导致不能很好地测量低速时的空速。为了消除低速范围放大器的死区，在仪表放大器的参考电压端接一电压基准，以抬高其放大零点，进而提高整个电路在低空速时的灵敏度。

3 性能测试

根据所设计飞行器的速度范围，为测试该方法制作的空速计的实际精度，试验小组对空速计原理样机进行了测试。测试过程中，为消除压强差为零时出现的传感器与放大电路形成的零漂输出电压，将以测量值减去零漂输出电压为空速计显示的输出指示值。测试曲线直接用空速计显示的指示值与标准空速值进行对比，测试结果表明微型空速计非线性度为0.18%，如图5。

图5 空速计整体测试曲线

4 结论

文中介绍了一种基于MEMS压力传感器空速测量系统实现方法。试验表明:在0～30 m/s范围内，精度可达0.5 m/s。该空速计设计简单，外形小巧，在不影响飞行器总体结构的前提下，安装方便，可靠性好，其精度等性能指标满足了飞行控制系统的整体性能要求，为飞行器空速计加改装设计作了有益的探索。

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