飞机智能化传感器的研究

钱菁华

摘 要 传感器技术是获取飞机的运行状态与趋势信息的首要环节。文章对飞机传感器技术的发展进行了概要描述，通过与传统传感器的对比分析，对智能化传感器的结构和特点进行了分析和探讨，并对大客飞机可能采取的智能化传感器技术进行了探讨。

关键词 智能化传感器；测量；微处理器；分布式系统

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）03-0027-02

传感器技术是自动化信息系统中获取信息的重要步骤。现代飞机上各被测对象的测量就是利用各种传感器来实现的，通过传感器来控制飞机的运行。

分布式测控是目前飞机研制的重要发展方向。分布式测控系统把低级处理单元下放到现场的传感器和作动器中，集中处理单元仅仅完成高级控制逻辑和算法功能，在传感器和作动器中集成微处理器，使之成为智能化传感器和智能化作动器，并通过数据总线与集中处理单元通讯。用智能化装置代替集中处理单元实现激励、滤波、A/D、时间平均、测量、线性化、温度补偿等一些简单功能，减轻了电缆的重量。智能化传感器和智能化执行机构以固定的速率通过数据总线向集中处理单元发送信号和状态信息。

随着分布式测控技术的进步，智能化传感器在我国新一代飞机研制中的广泛应用将成为必然趋势，因此，有必要对智能化传感器进行深入研究，为新型飞机的维护和测试做好准备。

1 智能化传感器技术概述

随着微处理器技术的不断进步，现代飞机的传感器技术正也越来越智能化。传感器的智能化就是微处理器的信息处理能力与获取信息的能力紧密的结合，并具有诊断和双向数字通信等新功能。

智能化传感器与传统传感器不同，它不仅仅是一个简单的传感器，还具有诊断和数字双向通信等新功能。

智能化传感器的主要新功能有。

1）具有自诊断和自补偿功能，所以将提高和改善基本传感器的性能。

2）微处理器和基本传感器之间的工作模式为闭环，且具有双向通信的功能。

3）智能化传感器有信息存储和记忆功能，所以该传感器可以存储已有的各种信息，如工作日期、校正数据等。

4）数字量输出或总线式输出功能。

2 大客飞机可能采取的智能化传感器探讨

用于处理传感器信息的软件能实现硬件难以实现的功能。智能化传感器工作程序是通过软件来实现的。

2.1 光电式智能化压力传感器

光电式智能化压力传感器原理如图1所示，使用了一个红外发光二极管和两个光敏二极管，通过光学方法来测量压力敏感元件（膜片）的位移。

图1 光电式智能化压力传感器原理

提供参考信号基准的光敏二极管和提供被测压力信号的光敏二极管制作在同一芯片上，因而受温度和老化变化的影响相同，可以消除温漂和老化带来的误差。两个二极管受同一光源（发光二极管）的照射，固定在膜片硬中心上，起窗口作用的遮光板随着感压膜片的位移，将遮隔一部分射向测量二极管的光；而起提供参考信号作用的二极管则连续检测光源的光强。两个电压信号Vp和Vref分别由测量二极管和提供参考基准的二极管产生，它们分别为：

式中：H—光强度（cd）；C—二极管光敏系数（V /cd·m2）；Ap—测量二极管的受光面积（m2）；Aref—参考基准二极管的受光面积（m2）。

用一个比例积分式A/D变换器来获得仅与二极管照射面积Ap，Aref 以及零位调整和满量程调整给定的转角α，β有关的数字输出。至于二极管和膜片的非线性可由微处理器修正。在标定时，将这些非线性特性存入可编程只读存储器中进行编程，在测量时即可通过微处理器运算实现非线性补偿。

2.2 智能化差压传感器

图2所示为智能化差压传感器，由现场通信器、微处理器、基本传感器组成。硅压阻力敏元件被该传感器采用。它具有多种功能，即在同一单晶硅芯片上扩散有可测差压、静压和温度的多功能传感器。

图2 智能化差压传感器

该智能化传感器指标的特点是：①量程比高；②精度较高；③具有远程诊断功能，如在主控计算机中就可断定是哪一部分发生了故障；④具有远程设置功能，在主控计算机中可选择输出方式，调整阻尼的时间，审定量程比及零点调整等；⑤在现场通信器上可调整智能化传感器的流程位置、编号和测压量程；⑥具有对温度误差和非线性特性进行补偿的数字补偿功能。

2.3 智能化结构传感器系统

目前，智能化结构传感器系统在先进飞机上应用主要为：飞机结构安全性监测、滑行中结构动态监测、自适应刚度控制、疲劳监测、先进隐身性能、敌机威胁监视器等。现代飞机和空间飞行器的结构更多地采用复合材料已成为发展趋势。更引入瞩目的是，在复合材料内埋入分布式光纤传感器（或阵列），像植入人工神经元一样，构成智能化结构件；光纤传感器不仅仅是结构件的组成，还是它的监测部分。所以，自我监测功能就被这种智能化结构实现了。设法把埋入在结构中的分布式光纤传感器（或阵列）和机内设备（特别是计算机）联网，便构成智能化传感器系统。它们可以连续地对结构应力、振动、温度、声、加速度和结构的完好性等多种状态实施监测和处理，成为飞机的健康监测系统。它们具体可实现如下主要功能：①提供飞行前完好性和适航性状态报告；②监视飞行载荷和环境，并能快速作出响应；③飞行过程中结构完好性故障或异常告警；④具有自适应能力；⑤能适时合理地安排飞行后的维护与检修。

3 智能化传感器的发展前景

目前智能化传感器多实用在压力、应力、应变、加速度和流量等传感器中，并逐渐向化学、生物、磁和光学等各类传感器的应用上扩展。

智能化传感器如果是全数字式的，可以去除掉很多种与模拟的电路相关的误差源。比如说，A/D和D/A变换器将不会出现在总的测量回路中。如此，再配合上相应的环境补偿条件，每一个传感器的特性都将重复地得到补偿，可获得的测量高重复性是前所未有的，因此测量的准确性被很大程度的提高了。这一实现，对测控技术将是一个重大进展。所以智能化传感器今后将会向全数字化发展进攻。

今后，全部集成在一个芯片上（或多片模块上）的传感器将越来越多，如微执行器、微处理器、微传感器，它们构成的微系统是通过闭环工作的。将更高一级的计算机控制系统与数字式接口相连接，算法运用专家系统中得到的，可以对基本微传感器部分提供更好的补偿和校正。如此的智能化传感器，功能更强大，精度更准，可靠性更高，智能化的程度更高，优点更多。

智能化传感器代表着传感技术今后发展的大趋势，这已是世界上仪器仪表界共同瞩目的研究内容。有理由相信：在微机械加工工艺和微处理器技术的发展趋势下，智能化传感器亦会不断更新，它的更新技术也必将推动测控技术的快速发展。

参考文献

[1]张建民主编.传感器与检测技术[M].北京：机械工业出版社，2000.

[2]黄俊钦，樊尚春，刘广玉.微机械传感器最新发展[J].航空计测技术，2003（1）：1-8.

[3]樊尚春.传感器技术及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004.endprint

摘 要 传感器技术是获取飞机的运行状态与趋势信息的首要环节。文章对飞机传感器技术的发展进行了概要描述，通过与传统传感器的对比分析，对智能化传感器的结构和特点进行了分析和探讨，并对大客飞机可能采取的智能化传感器技术进行了探讨。

关键词 智能化传感器；测量；微处理器；分布式系统

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）03-0027-02

传感器技术是自动化信息系统中获取信息的重要步骤。现代飞机上各被测对象的测量就是利用各种传感器来实现的，通过传感器来控制飞机的运行。

分布式测控是目前飞机研制的重要发展方向。分布式测控系统把低级处理单元下放到现场的传感器和作动器中，集中处理单元仅仅完成高级控制逻辑和算法功能，在传感器和作动器中集成微处理器，使之成为智能化传感器和智能化作动器，并通过数据总线与集中处理单元通讯。用智能化装置代替集中处理单元实现激励、滤波、A/D、时间平均、测量、线性化、温度补偿等一些简单功能，减轻了电缆的重量。智能化传感器和智能化执行机构以固定的速率通过数据总线向集中处理单元发送信号和状态信息。

随着分布式测控技术的进步，智能化传感器在我国新一代飞机研制中的广泛应用将成为必然趋势，因此，有必要对智能化传感器进行深入研究，为新型飞机的维护和测试做好准备。

1 智能化传感器技术概述

随着微处理器技术的不断进步，现代飞机的传感器技术正也越来越智能化。传感器的智能化就是微处理器的信息处理能力与获取信息的能力紧密的结合，并具有诊断和双向数字通信等新功能。

智能化传感器与传统传感器不同，它不仅仅是一个简单的传感器，还具有诊断和数字双向通信等新功能。

智能化传感器的主要新功能有。

1）具有自诊断和自补偿功能，所以将提高和改善基本传感器的性能。

2）微处理器和基本传感器之间的工作模式为闭环，且具有双向通信的功能。

3）智能化传感器有信息存储和记忆功能，所以该传感器可以存储已有的各种信息，如工作日期、校正数据等。

4）数字量输出或总线式输出功能。

2 大客飞机可能采取的智能化传感器探讨

用于处理传感器信息的软件能实现硬件难以实现的功能。智能化传感器工作程序是通过软件来实现的。

2.1 光电式智能化压力传感器

光电式智能化压力传感器原理如图1所示，使用了一个红外发光二极管和两个光敏二极管，通过光学方法来测量压力敏感元件（膜片）的位移。

图1 光电式智能化压力传感器原理

提供参考信号基准的光敏二极管和提供被测压力信号的光敏二极管制作在同一芯片上，因而受温度和老化变化的影响相同，可以消除温漂和老化带来的误差。两个二极管受同一光源（发光二极管）的照射，固定在膜片硬中心上，起窗口作用的遮光板随着感压膜片的位移，将遮隔一部分射向测量二极管的光；而起提供参考信号作用的二极管则连续检测光源的光强。两个电压信号Vp和Vref分别由测量二极管和提供参考基准的二极管产生，它们分别为：

式中：H—光强度（cd）；C—二极管光敏系数（V /cd·m2）；Ap—测量二极管的受光面积（m2）；Aref—参考基准二极管的受光面积（m2）。

用一个比例积分式A/D变换器来获得仅与二极管照射面积Ap，Aref 以及零位调整和满量程调整给定的转角α，β有关的数字输出。至于二极管和膜片的非线性可由微处理器修正。在标定时，将这些非线性特性存入可编程只读存储器中进行编程，在测量时即可通过微处理器运算实现非线性补偿。

2.2 智能化差压传感器

图2所示为智能化差压传感器，由现场通信器、微处理器、基本传感器组成。硅压阻力敏元件被该传感器采用。它具有多种功能，即在同一单晶硅芯片上扩散有可测差压、静压和温度的多功能传感器。

图2 智能化差压传感器

该智能化传感器指标的特点是：①量程比高；②精度较高；③具有远程诊断功能，如在主控计算机中就可断定是哪一部分发生了故障；④具有远程设置功能，在主控计算机中可选择输出方式，调整阻尼的时间，审定量程比及零点调整等；⑤在现场通信器上可调整智能化传感器的流程位置、编号和测压量程；⑥具有对温度误差和非线性特性进行补偿的数字补偿功能。

2.3 智能化结构传感器系统

目前，智能化结构传感器系统在先进飞机上应用主要为：飞机结构安全性监测、滑行中结构动态监测、自适应刚度控制、疲劳监测、先进隐身性能、敌机威胁监视器等。现代飞机和空间飞行器的结构更多地采用复合材料已成为发展趋势。更引入瞩目的是，在复合材料内埋入分布式光纤传感器（或阵列），像植入人工神经元一样，构成智能化结构件；光纤传感器不仅仅是结构件的组成，还是它的监测部分。所以，自我监测功能就被这种智能化结构实现了。设法把埋入在结构中的分布式光纤传感器（或阵列）和机内设备（特别是计算机）联网，便构成智能化传感器系统。它们可以连续地对结构应力、振动、温度、声、加速度和结构的完好性等多种状态实施监测和处理，成为飞机的健康监测系统。它们具体可实现如下主要功能：①提供飞行前完好性和适航性状态报告；②监视飞行载荷和环境，并能快速作出响应；③飞行过程中结构完好性故障或异常告警；④具有自适应能力；⑤能适时合理地安排飞行后的维护与检修。

3 智能化传感器的发展前景

目前智能化传感器多实用在压力、应力、应变、加速度和流量等传感器中，并逐渐向化学、生物、磁和光学等各类传感器的应用上扩展。

智能化传感器如果是全数字式的，可以去除掉很多种与模拟的电路相关的误差源。比如说，A/D和D/A变换器将不会出现在总的测量回路中。如此，再配合上相应的环境补偿条件，每一个传感器的特性都将重复地得到补偿，可获得的测量高重复性是前所未有的，因此测量的准确性被很大程度的提高了。这一实现，对测控技术将是一个重大进展。所以智能化传感器今后将会向全数字化发展进攻。

今后，全部集成在一个芯片上（或多片模块上）的传感器将越来越多，如微执行器、微处理器、微传感器，它们构成的微系统是通过闭环工作的。将更高一级的计算机控制系统与数字式接口相连接，算法运用专家系统中得到的，可以对基本微传感器部分提供更好的补偿和校正。如此的智能化传感器，功能更强大，精度更准，可靠性更高，智能化的程度更高，优点更多。

智能化传感器代表着传感技术今后发展的大趋势，这已是世界上仪器仪表界共同瞩目的研究内容。有理由相信：在微机械加工工艺和微处理器技术的发展趋势下，智能化传感器亦会不断更新，它的更新技术也必将推动测控技术的快速发展。

参考文献

[1]张建民主编.传感器与检测技术[M].北京：机械工业出版社，2000.

[2]黄俊钦，樊尚春，刘广玉.微机械传感器最新发展[J].航空计测技术，2003（1）：1-8.

[3]樊尚春.传感器技术及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004.endprint

摘 要 传感器技术是获取飞机的运行状态与趋势信息的首要环节。文章对飞机传感器技术的发展进行了概要描述，通过与传统传感器的对比分析，对智能化传感器的结构和特点进行了分析和探讨，并对大客飞机可能采取的智能化传感器技术进行了探讨。

关键词 智能化传感器；测量；微处理器；分布式系统

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）03-0027-02

传感器技术是自动化信息系统中获取信息的重要步骤。现代飞机上各被测对象的测量就是利用各种传感器来实现的，通过传感器来控制飞机的运行。

分布式测控是目前飞机研制的重要发展方向。分布式测控系统把低级处理单元下放到现场的传感器和作动器中，集中处理单元仅仅完成高级控制逻辑和算法功能，在传感器和作动器中集成微处理器，使之成为智能化传感器和智能化作动器，并通过数据总线与集中处理单元通讯。用智能化装置代替集中处理单元实现激励、滤波、A/D、时间平均、测量、线性化、温度补偿等一些简单功能，减轻了电缆的重量。智能化传感器和智能化执行机构以固定的速率通过数据总线向集中处理单元发送信号和状态信息。

随着分布式测控技术的进步，智能化传感器在我国新一代飞机研制中的广泛应用将成为必然趋势，因此，有必要对智能化传感器进行深入研究，为新型飞机的维护和测试做好准备。

1 智能化传感器技术概述

随着微处理器技术的不断进步，现代飞机的传感器技术正也越来越智能化。传感器的智能化就是微处理器的信息处理能力与获取信息的能力紧密的结合，并具有诊断和双向数字通信等新功能。

智能化传感器与传统传感器不同，它不仅仅是一个简单的传感器，还具有诊断和数字双向通信等新功能。

智能化传感器的主要新功能有。

1）具有自诊断和自补偿功能，所以将提高和改善基本传感器的性能。

2）微处理器和基本传感器之间的工作模式为闭环，且具有双向通信的功能。

3）智能化传感器有信息存储和记忆功能，所以该传感器可以存储已有的各种信息，如工作日期、校正数据等。

4）数字量输出或总线式输出功能。

2 大客飞机可能采取的智能化传感器探讨

用于处理传感器信息的软件能实现硬件难以实现的功能。智能化传感器工作程序是通过软件来实现的。

2.1 光电式智能化压力传感器

光电式智能化压力传感器原理如图1所示，使用了一个红外发光二极管和两个光敏二极管，通过光学方法来测量压力敏感元件（膜片）的位移。

图1 光电式智能化压力传感器原理

提供参考信号基准的光敏二极管和提供被测压力信号的光敏二极管制作在同一芯片上，因而受温度和老化变化的影响相同，可以消除温漂和老化带来的误差。两个二极管受同一光源（发光二极管）的照射，固定在膜片硬中心上，起窗口作用的遮光板随着感压膜片的位移，将遮隔一部分射向测量二极管的光；而起提供参考信号作用的二极管则连续检测光源的光强。两个电压信号Vp和Vref分别由测量二极管和提供参考基准的二极管产生，它们分别为：

式中：H—光强度（cd）；C—二极管光敏系数（V /cd·m2）；Ap—测量二极管的受光面积（m2）；Aref—参考基准二极管的受光面积（m2）。

用一个比例积分式A/D变换器来获得仅与二极管照射面积Ap，Aref 以及零位调整和满量程调整给定的转角α，β有关的数字输出。至于二极管和膜片的非线性可由微处理器修正。在标定时，将这些非线性特性存入可编程只读存储器中进行编程，在测量时即可通过微处理器运算实现非线性补偿。

2.2 智能化差压传感器

图2所示为智能化差压传感器，由现场通信器、微处理器、基本传感器组成。硅压阻力敏元件被该传感器采用。它具有多种功能，即在同一单晶硅芯片上扩散有可测差压、静压和温度的多功能传感器。

图2 智能化差压传感器

该智能化传感器指标的特点是：①量程比高；②精度较高；③具有远程诊断功能，如在主控计算机中就可断定是哪一部分发生了故障；④具有远程设置功能，在主控计算机中可选择输出方式，调整阻尼的时间，审定量程比及零点调整等；⑤在现场通信器上可调整智能化传感器的流程位置、编号和测压量程；⑥具有对温度误差和非线性特性进行补偿的数字补偿功能。

2.3 智能化结构传感器系统

目前，智能化结构传感器系统在先进飞机上应用主要为：飞机结构安全性监测、滑行中结构动态监测、自适应刚度控制、疲劳监测、先进隐身性能、敌机威胁监视器等。现代飞机和空间飞行器的结构更多地采用复合材料已成为发展趋势。更引入瞩目的是，在复合材料内埋入分布式光纤传感器（或阵列），像植入人工神经元一样，构成智能化结构件；光纤传感器不仅仅是结构件的组成，还是它的监测部分。所以，自我监测功能就被这种智能化结构实现了。设法把埋入在结构中的分布式光纤传感器（或阵列）和机内设备（特别是计算机）联网，便构成智能化传感器系统。它们可以连续地对结构应力、振动、温度、声、加速度和结构的完好性等多种状态实施监测和处理，成为飞机的健康监测系统。它们具体可实现如下主要功能：①提供飞行前完好性和适航性状态报告；②监视飞行载荷和环境，并能快速作出响应；③飞行过程中结构完好性故障或异常告警；④具有自适应能力；⑤能适时合理地安排飞行后的维护与检修。

3 智能化传感器的发展前景

目前智能化传感器多实用在压力、应力、应变、加速度和流量等传感器中，并逐渐向化学、生物、磁和光学等各类传感器的应用上扩展。

智能化传感器如果是全数字式的，可以去除掉很多种与模拟的电路相关的误差源。比如说，A/D和D/A变换器将不会出现在总的测量回路中。如此，再配合上相应的环境补偿条件，每一个传感器的特性都将重复地得到补偿，可获得的测量高重复性是前所未有的，因此测量的准确性被很大程度的提高了。这一实现，对测控技术将是一个重大进展。所以智能化传感器今后将会向全数字化发展进攻。

今后，全部集成在一个芯片上（或多片模块上）的传感器将越来越多，如微执行器、微处理器、微传感器，它们构成的微系统是通过闭环工作的。将更高一级的计算机控制系统与数字式接口相连接，算法运用专家系统中得到的，可以对基本微传感器部分提供更好的补偿和校正。如此的智能化传感器，功能更强大，精度更准，可靠性更高，智能化的程度更高，优点更多。

智能化传感器代表着传感技术今后发展的大趋势，这已是世界上仪器仪表界共同瞩目的研究内容。有理由相信：在微机械加工工艺和微处理器技术的发展趋势下，智能化传感器亦会不断更新，它的更新技术也必将推动测控技术的快速发展。

参考文献

[1]张建民主编.传感器与检测技术[M].北京：机械工业出版社，2000.

[2]黄俊钦，樊尚春，刘广玉.微机械传感器最新发展[J].航空计测技术，2003（1）：1-8.

[3]樊尚春.传感器技术及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004.endprint