角度传感器风洞校准测量技术 传感器是如何工作的

一、引言 　　航空航天领域广泛地应用传感器技术，在飞机和导弹等飞行器表面采用压差归零式和风标对向式两种角度传感器便是一例。飞行员借助安装在飞机表面的角度传感器可以随时了解飞行姿态。同样，地面操纵人员通过对安装在飞行器表面的角度传感器随时获得高空飞行器的飞行姿态信息，及时遥控引导。然而，由于气流受到了飞行器本体的干扰影响，角度传感器所感受到的局部气流方向是被飞行器外形表面弯曲了的，与飞行器真实姿态角是不相同的，因此必须预先确定传感器感受到局部气流方向与飞行器真实角度两者之间的相互关系，才能获得飞行器的实际姿态角，因此，需要对传感器进行风洞校准测量。  二、传感器工作原理     　目前，飞行器上使用比较普遍的是压差归零式和风标对向式两种角度传感器。     　压差归零式角度传感器外形结构见图1，其工作原理是利用压差归零特性。传感器由一个电位计和一个随时跟踪气流转动的测压探头构成，测压探头上开有两排气槽，气流由气槽通过两个通道作用到内部两对相反的叶面上，产生一个与气流方向相反的反馈力矩，使探头追随气流转动至两排气槽压力相等，即压差为零的初始位置，此时与探头同轴连接的电刷在电位计上产生角位移，  输出与气流方向变化成正比的电信号。     　风标对向式角度传感器外形结构见图2，工作原理是利用风标对气流的对向特性。传感器包括一个电位计和一个随时跟踪气流转动的方向风标。当飞行器姿态角变化时，风标相对气流方向随之变化，产生一个与飞行器角度变化相反的角位移。风标转轴与电位计同轴连接，因此，风标转动角度与电位计输出电压信号成正比，由此可以确定角度传感器感受到的气流方向与飞行器实际角度的对应关系。安装在飞行器左侧用于测量飞行迎角的传感器称为迎角传感器；安装在飞行器正上方用于测量飞行侧滑角的称为侧滑角度传感器。                                                                            三、试验设备     　传感器校准实验是在航天科技集团公司笫701研究所低速风洞中进行的。该座风洞试验段尺寸为3m´3m´12m，试验风速在10~100m/s之间无级调速。风洞备有计算机控制的多自由度变角度系统，可以方便地模拟飞行器不同迎角、侧滑角状态，并且实时处理测试数据和绘制曲线。 四、校准项目与方法 1、校准项目      　校准项目主要包括两部分，首先在地面进行的静校，以及随后在风洞中进行的动校。前者是确定传感器系数以及非线性、迟滞、重复性、综合精度等产品性能参数，后者是确定角度传感器与飞行器实际角度之间关系，其中包括飞行器不同姿态角，如迎角、侧滑角、滚转角等对传感器校准的影响。同时还可确定不同试验风速和传感器安装位置对传感器校准的影响，并通过风洞试验达到优选传感器安装位置的目的。 2、校准方法      　传感器静校是属于常规方法，它的性能参数通常在产品使用说明书中提供。本文着重介绍在风洞中动校方法及其结果。     　首先把飞行器安装在风洞支撑机构上，将飞行器姿态角（如迎角、侧滑角、滚转角等）都调整到零度，误差在3、以内。在飞行器左侧为迎角传感器，在飞行器正上方为侧滑角度传感器。传感器转轴要垂直飞行器表面，且传感器底座表面与飞行器表面外形保持一致，不能有突起或凹坑。传感器不要安装在表面曲率变化大的机头（或弹头）处，应在机身（或弹身）平直段前部位置。图3、图4是安装在弹体上的角度传感器在风洞中的校准照片。                                                    五、数据处理     迎角传感器和侧滑角传感器数据处理方法是相同的，下面以迎角传感器为例说明。     在进行风洞校准时，可以得到飞行器真实迎角at与传感器输出电压Ua的对应关系，即：at＝F(Ua)     用反函数表示：Ua＝F-1(at)     传感器角位移as与输出电压Ua关系式由静校时确定：as＝f（Ua），     则传感器角位移与飞行器真实迎角关系式为∶as＝f(F-1(at))＝F(at)。     校测表明，在一定角度范围内，函数f(x)和F(x)都是线性函数，因而函数F(x)也必定成线性规律变化，于是可以用直线方程来表示∶     as＝Kaat+a0                                                                            (1)     根据传感器静校实验得：as＝Wa（Ua－Ua0）                    (2)     将式（2）、代入式（1），用最小二乘法求得直线斜率Ka及截距a0，从而可以得到飞行器真实迎角的计算式∶                  (3)     合理地调整传感器初始零位，可使截距a0值很小，甚至可忽略不计。若考虑飞行器有滚转角R t时，无截距的计算式为： (4)     同理可以得到飞行器真实的侧滑角的计算公式：                  (5)     合理地调整传感器初始零位，可使截距b0值很小，甚至可忽略不计。     同样，若考虑飞行器有滚转角Rt—时，无截距的计算式为：     (6)     以上各式中：aｔ、bｔ—飞行器实际迎角和实际侧滑角（°）     aｓ、bｓ—传感器感受到的气流迎角和气流侧滑角（°）     Ka 、Kb—迎角和侧滑角传感器风洞校准拟合直线斜率     a0、b0—迎角和侧滑角传感器风洞校准拟合直线截距（°）     Wa、Wb—迎角和侧滑角传感器静校系数（°/Ｖ），     Ｕa 、Ｕb —迎角和侧滑角传感器输出电压（V）     Rt—飞行器实际滚转角（°）     Ｕa0、Ｕb0 —迎角和侧滑角传感器机械零位的输出电压（V） 六、校测结果 1、风速影响      风洞校准试验风速V为50m/s和85m/s，在某一导弹上测量结果见表1。可以看到，试验风速对角度传感器校准无影响。 表1 风速影响

  V(m/s) K_a a ₀ K_b b₀如何为农业机械应用选择压力传感器
为农用重型设备车辆选择合适的压力传感器，对于传感器本身以及设备的可靠性和寿命都有显著影响。在这些应用中，压力传感器通常用于测量油压、液压充油压力和液压系统压力，以确保车辆安全和高效的运行。每个应用都对压力传感器有一系列不同的要求，包括工作压力、环境条件和端接方式等。
下面是三个在农业应用中使用压力传感器来测量液压和气压参数的示例：
• 测量液体压力（比如液体肥料喷雾），以确保田地中的化学物质被合理的控制。
• 测量用于提升和移动农耕犁片和用具的液压压力。包括用于犁地和播种设备。
• 监测和控制制动及调平等安全系统的压力。
设计工程师在为农业机械应用选择合适的液压和气动压力传感器时，应注意四个主要参数：工作压力范围、过载和爆裂压力、环境防护等级、压力端口和连接器类型等。
此外，压力传感器的灵活性和可配置性也是影响设计复杂性和成本的重要因素。灵活和可配置的传感器能够满足不同国家的具体设计要求，并可用于多个液压重载农业应用中。设计师应选择那些为多个关键参数（包括工作压力、压力端口和连接器类型）提供大量可选方案的压力传感器产品系列。
工作压力范围
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传感器压力范围由被测对象决定。在农用车辆应用中，压力传感器可测量液体肥料等液体压力，或测量用于 “移动犁片和农耕用具”的液压压力。
在许多情况下，设计师可能希望传感器能够处理不同的压力范围以满足多个应用的需求。就上述示例而言，如果传感器用于测量诸如喷洒液体肥料时的液体压力，那么传感器应该提供50 psi的工作压力范围。而对于测量农用车辆中用于移动犁片和农耕用具的重载系统液压压力来说，压力范围应该位于5000到7000 psi之间。监控液压制动等安全系统压力时，则至少需要500 psi到1000 psi的压力范围。

选择一个可以满足应用所有工作压力需求的产品系列会使设计师的工作更加简单 - 他们只需为所有的压力传感器需求选择一个合格的产品系列和一种技术即可。
过载和爆裂压力
设计师在选择压力传感器时还应考虑过载压力和爆裂压力要求。过载压力是在不影响校准的前提下传感器所能承受的最大压力，而爆裂压力则是传感器保证密封件不破损或损坏的条件下所能承受的最大压力，两者都是设计师的重要考虑因素。这两种压力的额定值都是由传感器的工作压力决定的，并且在很多数据手册中都会提供。例如，霍尼韦尔传感与控制部的MLH型压力传感器（工作压力50 psi）可分别提供150 psi的过载压力和500 psi的爆裂压力。
在绝大多数情况下，设计师都想尽可能使过载压力和爆裂压力达到最大。因为在有些液压应用中过载压力和爆裂压力可能是最大的难题，在可能经受高过压的应用中更是如此。
但是，设计师需要在这些压力额定值与灵敏度之间进行权衡。随着传感器工作压力的增大，过载压力和爆裂压力都会增大，而灵敏度则会随之减小。因此设计师就需要在放弃多大的灵敏度和获得多大的过载和爆裂压力之间取得平衡。这同样取决于具体应用的需求。
防护等级
用于农业设备上的压力传感器必须能够承受非常严酷的环境。在许多情况下，重型农用设备车辆都容易受到水、湿气、化学品和灰尘的影响，从而影响压力传感器的性能。它们还必须能够承受冲击和振动、冲洗、高温和潮湿环境。这表示用于这些类型应用中的压力传感器应提供IP65或更高的防护等级。
压力传感器还应提供宽工作温度范围，以应付驾驶舱内、发动机附近或底部的热或冷环境。MLH型压力传感器可提供从-40 ℃到+125 ℃的工作温度范围。

摘要：计价秤传感器的准确度、温度性能、长期稳定性，对电子计价秤的性能有着至关重要的影响。本文分析了影响计价秤传感器质量的各种因素，结合制造工艺重点介绍了计价秤传感器的质量控制问题，并提出使用中的注意事项，以及安装调试等问题。
关键词：电子计价秤 计价秤传感器 温度性能 长期稳定性 质量管理

一、前言

1998年到2003年，国家质检总局对电子计价秤产品质量进行了6次国家监督抽查，合格率一直徘徊在50%左右，其中绝大部分是称重传感器温度性能不合格。由于计价秤传感器价值量偏低，受计价秤产品成本的影响，生产厂家竟相压低成本，使得传感器的产品质量下降，最终导致电子计价秤的产品质量不符合要求，损害消费者利益。要提高电子计价秤的产品质量，首先要抓好计价秤传感器的质量，较为重要的是要抓好传感器的温度性能。等效采用OIML R60国际建议的新国标GB7551-1997《称重传感器》，对于传感器的性能评价有了详细的要求，“必须认识到称重传感器可能具有小的非线性、滞后误差和适中的温度误差；或者恰好相反，可能具有适中的非线性、滞后误差和小的温度误差"。所以使用了允许总误差带作为限制因素。另一方面，传感器的质量是由使用的各种原材料的质量、工艺因素、质量管理等多方面原因决定的，解决了技术问题，在管理上没有下工夫，仍然不能获得高质量的产品，尤其是在批量生产的条件下，管理方面小的失误，就可能造成生产现场大量的损失。称重传感器的生产是一项系统工程，只有将技术与质量管理有效的结合，才能生产出合格的产品。

二、影响计价秤传感器质量的几个因素

总结设计、生产中的经验，在传感器的生产中，一般要考虑如下的因素：

1、应变计：包括基底（胶）材料，金属箔材，结构（有无盖膜，丝栅尺寸），级别，测试方法，出厂标准等；

2、贴片胶：包括品牌，品质，材料性质，使用期限，使用方法，是否易于工艺控制等；

3、弹性体：包括材质，批次的同一性，化学成分，热处理状态，机械性能，加工精度等；

4、贴片及装配工艺：包括夹具设计，压力，胶块尺寸，压力施加的稳定性，固化温度，焊点质量，电缆线的质量等；

5、防潮措施：主要是防潮材料的性能，防潮工艺，材料的耐侯性能等；

6、应变计与弹性体蠕变匹配：应变计、弹性体生产批号的变更，会影响传感器的蠕变性能，所以，要进行传感器的蠕变匹配；

7、传感器的温度补偿：包括零点温度和灵敏度温度补偿。这个工序决定了传感器的准确度。在按照新国标的要求对传感器进行的评价时，高低温性能尤其重要。

8、传感器的安装：螺丝的材质和夹紧力，弹性体和安装面的平整程度，有无毛刺；安装面材质的影响：不锈钢，电镀钢材，铸铝，铸铁等，由于结合面摩擦力的不同，对传感器温度性能的影响；

9、四角误差的调整：四角调整工装与秤台的安装位置关系，调整量对零点的影响，四角的精度等。

三、对上述影响因素的控制是保证产品质量的前提

计价秤传感器的结构比较简单，电路也不复杂，在质量控制中，关键是抓好重点环节。

1、关于应变计、贴片胶、弹性体的质量控制

一般来说，这三种材料是做好传感器的基础，是前提条件，基础做不好，就不可能有好的质量。所以，要选择有质量信誉的生产厂家，一般是大公司，如生产规模较大或销售额较大的公司。由于材料批号的变更会导致应变计与弹性体性能不匹配，造成传感器性能不合格，而工艺的调整和控制，牵涉到弹性体尺寸、补偿电阻阻值等一系列的问题，故对基础材料，要严格的选择和控制。通过对生产厂家质量管理的了解，试用中对产品质量的考核，批次生产中对质量问题的控制处理等，严格的筛选应变计、贴片胶、弹性体材料。对这些问题，研究和探讨的技术论文较多，推荐的产品也很多，可供参考。

2、贴片和固化工艺

这是制做一个高品质传感器的关键，决定了传感器的质量。传感器生产厂家都知道它的重要性，但各家采取的方法却有所不同。关键在于严细程度。一是环境要清洁；二是操作者自身要作好清洁防护，如：不能化妆，防止油性物质污染弹性体；戴好口罩，手套等，防止人的唾液溅到应变计上；三是胶水的使用要严格按照说明书的要求执行，如配胶方法，储存条件，使用注意事项，固化温度及时间，压力，失效期等；四是弹性体要清洁，贴片部位要擦拭干净，不能有油脂、污物、砂粒等，影响胶粘质量；五是应变计的粘贴和固定要准确，粘贴中不能损伤到应变计的丝栅，不要偏离定位尺寸，应变计不能产生滑移；六是要防止贴片胶在连续使用中受到污染；七是夹具的施压应准确，符合设计要求，不能对应变计产生横向力，高温固化时不能产生热松弛；八是固化温度和保温时间要适当，符合胶粘剂的固化温度要求；另外，耐温橡胶块的尺寸大小，厚度，硬度等，都会对应变计的粘贴性能造成影响。还有一些影响因素，如操作的方式，操作者的细心程度，涂胶的尺寸等，都需要贴片人员在实践中摸索和掌握。

3、防潮措施

防潮措施是保证传感器的长期稳定性的一项措施。计价秤传感器在潮湿的环境中使用时，若秤的密封性能不好，会使传感器受到湿热的影响，使应变计及密封材料受潮，绝缘下降，造成秤的零点漂移。一般防潮材料是硅胶、聚胺脂等，还有橡胶类防潮剂。选择时考虑的因素有：一、不能影响传感器的性能，尤其是蠕变性能，或者影响量有据可循；二、便于施工，固化，易于操作，高温固化时不损坏传感器的器件；三、防护效果有效；四、较为重要的一点是按照GB7551-1997《称重传感器》的要求，进行湿热实验，可以达到标准的要求；五、特殊的要按照使用环境的要求，如，盐厂、海水养殖厂、鱼市等，进行实验，应该达到标准或使用的要求。后者可以根据需要，与使用方达成协议，如保证两年，还是五年不出问题。只有经过试验和计价秤现场的实际应用，才能保证传感器的性能不出问题。近几年来，国外有许多优秀的防潮材料在传感器上获得应用，制定的传感器防潮标准比国内的标准有较大提高，很好地保证了传感器的长期稳定性。

4、传感器蠕变性能匹配和温度补偿

八十年代末期，国内出现了蠕变自补偿应变计，利用应变计栅头部分结构尺寸的改变，来完成传感器的蠕变补偿，使之达到规定的精度。对于计价秤传感器来说，由于弹性体是铝材，所以，传感器的蠕变性能就与应变计和铝材有关，以及与应变计的粘贴技术有关。当铝材的批号发生变化时，就要对传感器的蠕变性能进行考察，当然，对于传感器的高低温蠕变性能，也要进行考察，以保证传感器的性能符合使用要求。在此之间，要确保贴片、固化工艺和夹具的质量稳定，只有一个变化的因素。当确定了新材料需匹配的应变计蠕变补偿号之后，才具备了批量生产的必备条件之一。目前，应变计生产厂家对应变计的蠕变批号做的很细，完全可以保证用户的要求。其次，要进行传感器零点温度和灵敏度温度补偿。一般来讲，零点温度补偿由于容易实现，所以要全数进行；而灵敏度温度补偿，由于需进行加载、加温测试，时间长，可以采取抽样的方法，确定补偿的参数，在后续的批量生产中应用。若传感器的原材料保持不变，如：应变计、弹性体的批号不变，电缆线的材料和长度不变，灵敏度温度补偿电阻和并联电阻的阻值不变等，传感器的灵敏度温度影响是基本一定的。由于计价秤传感器是双孔平行梁结构，输出的线性度很好，所以控制好了传感器的蠕变和温度性能后，基本上就达到了国标三千分度的要求。至此，方可以对传感器进行批量生产。在生产中，对铝材的批号，应变计的批号要严格的控制，作好分类管理和追溯，发生不合格品要及时处理，避免与下一批次的材料相混淆。选定蠕变和灵敏度温度补偿的参数之后，就可以进行批量生产了。

5、传感器的安装和四角误差调整

传感器的安装，影响到传感器的性能，对于小量程的传感器更要注意，避免在安装中使传感器受到较大的力，损坏到传感器的应变梁。力矩大小要与螺丝的大小相匹配，避免将弹性体的螺纹拉坏；弹性体和秤架的结合面，不能有突起或毛刺；四角调整工装与传感器的中心相对位置，要与秤架的位置相匹配。若弹性体应变梁的壁厚不均，或者应变计的粘贴位置偏离，造成四角误差较大，在调整中还要注意用力不当会引起零点变化以及造成传感器的零点不稳定。传感器的零点温度补偿是在传感器不受力的情况下进行的，当在秤上安装后，要注意考察在传感器受力的情况下，零点温度的值是否会发生变化。

以上是我们在工作中的一些体会。认真的抓好技术和管理，不断总结经验和教训，就一定可以生产出高精度计价秤传感器。

参考文献
刘九卿：《我国称重传感器总体质量水平急待提高》《衡器》2005年第1期

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