军用直升机传感器技术的应用及趋势

王小阳 张国强 赵琛

摘要：随着军用直升机飞行控制系统向着电传飞控、光传飞控发展，除了传统的飞行状态参数传感器，电磁传感器和光学传感器也开始在军用直升机上广泛应用。本文介绍了军用直升机的各种功能传感器特别是应用于军用直升机飞行控制系统上的主要传感器，并总结分析了军用直升机传感器技术的发展趋势。

关键词：军用直升机；传感器；发展趋势

军用直升机由于具备垂直起落、空中悬停和定点回转等固定翼飞机所不具备的特性，在需要高机动性的低空作战领域具有十分重要的作用。而各类传感器为军用直升机提供各类机内机外参数，在直升机状态监测和飞行控制中至关重要。

1军用直升机功能传感器

军用直升机的传感器可以分为功能传感器和飞控传感器两大类。功能传感器主要是测量各种机体运行参数和飞行状态参数，主要有压力传感器、温度传感器和其他传感器。飞控传感器主要用于增穩装置、自动驾驶仪或自动飞行控制系统，主要用来获取驾驶员的指令输出，检测直升机舵机的运行状态。

1.1压力传感器

压力是重要的流体力学参数，与直升机飞行有关的流体主要有燃油、液压油、空气、滑油等，压力的测量涉及发动机系统、燃油系统、滑油系统、液压系统、环控系统、大气数据系统、大气航姿基准系统等多项系统。因此在所有直升机传感器中，压力传感器使用量最大。

发动机扭矩传感器属于一种压力传感器，通过发动机内的工作滑油在线测量扭矩压力，从而转换得到扭矩进而实现对发动机功率的监测。

发动机和传动系统中有工作滑油，为发动机和传动系统各个部件提供润滑和冷却，滑油压力传感器用于测量工作滑油的压力，常常安装在滑油流经的管路或者滑油腔内部。

燃油压力传感器通常安装在燃油流经的管路上，常和燃油流量传感器搭配使用，为燃油系统工作压力和流量的稳定提供监控保障。

直升机的液压系统是直升机控制作动的主要保障，液压传感器用于测量液压系统内液压油的工作压力。液压传感器安装在液压油流经的管路或液压油腔内部。

气压传感器用于测量直升机外界环境的大气压力和压力变化。其中静压传感器获取的数据可以经处理得到直升机的飞行高度信息，空速传感器通过测量外部气流的总压与静压之差可以获得直升机相对大气的运动速度。

环控系统压力传感器是指测量封闭座舱内的环境压力，该传感器为环控系统执行其它预定功能提供依据。

1.2温度传感器

温度是另一项重要的物性参数，与直升机飞行有关的温度参数主要涉及发动机系统、辅助动力系统、滑油系统、防火系统、环控系统、大气数据系统等。

发动机排气温度传感器安装在发动机的涡轮和尾喷处，用于测量这些位置的排气温度，从而实现对发动机工作状态的在线检测。

滑油温度传感器安装在滑油流经的管路或者滑油腔内部，用于检测工作滑油的温度，避免滑油过热。

气温传感器，气温传感器包括测量外界大气温度的传感器，测量座舱内温度的座舱温度传感器，此外还有测量货舱、行李舱、电子设备舱内温度的传感器。气温传感器不仅为保证座舱气温舒适提供依据，还监控机内各舱是否发生超温起火事故。

火警探测器主要安装于发动机和辅助动力系统，用于测量动力装置的工作温度，发动机和辅助动力装置舱内是否失火。

1.3其他传感器

为了实现军用直升机对除压力和温度之外的状态参数进行监测，直升机还装备有大量的传感器。例如磁航向传感器可以指示直升机当前航向相对地磁北极的偏角，常和惯导系统配套使用。转速传感器主要用于发动机和旋翼系统，旋翼转速传感器，用于监控主旋翼轴的最大和最小转速，并提供报警功能。发动机用的转速传感器用于监控发动机燃气涡轮的转速和自由涡轮的转速。液位传感器主要用于燃油系统、滑油系统和液压系统，以便监控燃料余量以及滑油箱和液压油箱的液位。载荷传感器通常安装在右横向线系伺服机构上，会在直升机达到它的可操纵极限时及时反馈给飞行员。角位移传感器安装在武器挂架上，用于测量挂架角度位置信号以便于武器发射。流量传感器实时监测流经燃油输送管道的燃油流量，实现对耗油率的测量。

1.4军用直升机功能传感器的发展趋势

经过技术迭代和发展，军用直升机功能传感器主要朝着微型化、高精度以及高可靠方向发展。以压力传感器和温度传感器为例，传统的压力传感器多采用膜盒式压力传感器，膜盒式结构的压力传感器机械部件较多，使其工作可靠性和稳定性较低，体积较大，同时精度不高，使用寿命短。随着直升机技术的更新换代，直升机的构成和使用环境越来越复杂，对机载测试设备的技术要求与日俱增，传统的膜盒式压力传感器很难适应新型直升机机载测试的要求。目前直升机的压力传感器正在大量应用压阻式传感器，压阻式传感器的原理为单晶硅压阻效应，即在硅受到压力作用时，其电阻率随之发生变化。压阻式传感器将单晶硅膜片和电阻条采用集成电路工艺制作为一体式硅压阻芯片，然后将此芯片封装在传感器外壳中，具有很高的集成度和可靠性，相比膜盒式压力传感器缩小了体积。压阻式传感器还具有精度高、灵敏度高、动态响应快、稳定性好、便于批产的特点。压阻式传感器的这些优点使其在军用直升机技术更新迭代时被越来越多的应用。

在温度传感器的选择上，也经历了由热电偶式温度传感器发展为热电阻式温度传感器的过程。传统军用直升机大量装备热电偶式温度传感器，热电偶式温度传感器测温范围宽，测量准确方便，但也存在测温灵敏度不高，容易受到外界信号干扰，也容易受到前置放大器温漂的影响，因此较难跟踪微小的温度变化。目前直升机的温度传感器正在大量应用热电阻式传感器，特别是精度较高的Pt电阻温度传感器。Pt电阻温度传感器除了温度精度较高的优点，还具有长期稳定性较好，抗氧化与抗时效误差效果好等优点，广泛应用于中低温区的温度测量。

可以看到，目前军用直升机功能传感器的发展趋势大致有以下几个方向：（1）微型化，航空传感器的微型化可以带来诸多好处，减小了体积和重量，功耗降低，安装方便对周围器件影响较小。（2）集成化，传感器多采用集成封装的形式，提高了可靠性和易用性。（3）数字智能化，以利于信号的统一传输处理，同时实现故障自诊断、故障隔离等功能，提高整个测试系统的动态特性和整体性能。

2军用直升机飞控传感器

从直升机诞生以来，其驾驶操纵和飞行控制历经了机械操纵、机械操纵加装增稳装置或自动驾驶仪、电传飞行控制系统等多个阶段，并正在向着光传飞行控制系统发展。军用直升机飞控传感器主要是位移传感器，主要安装在驾驶杆、脚蹬和直升机舵机等位置，分别用来测量驾驶员操作指令和舵机当前的作动位置。随着军用直升机飞行控制系统由增稳控制到电传飞控到光传飞控的发展，军用直升机位移传感器也由电磁传感器向光学传感器发展。

2.1电磁式位移传感器

第一代军用直升机的特征为以小功率活塞式发动机提供动力，同时操纵采用传统机械杆系操纵系统，代表机型为米-4和贝尔-47。飞行员通过对总距杆、脚蹬、周期变距杆、拉杆等操纵部件实现对直升机飞行姿态的控制。从二十世纪四、五十年代开始，直升机开始采用涡轴发动机同时在操纵方面开始装备控制增稳系统，如美国的H-13、UH-1、S-58和法国的“云雀”等。六十年代到七十年代初的直升机，大多采用模拟式自动驾驶仪，如美国的AH-1G、S-61、贝尔-214和法国的“超黄蜂”“海豚”等。七十年代中期到八十年代的直升机，大多采用数字式自动飞行控制系统，如美国的贝尔-412、CH-47D、S-70、AH-64和法国的“超美洲豹”、英国的EH-101等。军用直升机从开始装备控制增稳系统开始，就开始用到位移传感器，目前直升机上应用最广泛的位移传感器为电磁式位移传感器。电磁式位移传感器主要安装于总距杆、脚蹬、周期变距杆等处，称为驾驶员传感器。同时在直升机舵机中也装有电磁式位移传感器，用以监测驾驶员操作指令的执行情况。

电磁式位移传感器多采用差动结构，因此电磁式位移传感器又称为差动式位移传感器，分为线位移传感器和角位移传感器。现以线位移传感器为例说明其原理，差动式线位移传感器，实际上是一个交流变压器，有激磁绕组和输出绕组两个绕组，激磁绕组流过交变电流后，在绕组空间产生交变磁场。因为激磁和输出之间存在互感，所以在输出绕组中感应出一个与动铁心直线位移成比例的电信号。输出绕组两个线圈是反接的，头接头或尾接尾，因此，当动铁心在两个输出线圈中间时，两个输出线圈的感应电压互相抵消。如果动铁心向一个方向移动，输出电压与动铁心的直线位移成比例增加；如果动铁心从中位向另一个方向移动，输出电压仍然与动铁心的直线位移成比例增加，但相位相反。

电磁式位移传感器有以下的特点：（1）结构简单，整个结构没有活动电触点，因此工作稳定可靠、寿命长，尤其适合应用在航空领域。（2）灵敏度和分辨率较高，应用于军用直升机的电磁式位移传感器最高能测出微米级别的位移变化。传感器的输出信号强，一般每毫米的位移可对应数百毫伏的输出。（3）线性度和可重复性都比较好，在一定位移范围内，电磁式位移传感器的非线性误差可以达到0.1%量级，并且复现性很好。

但是电磁式位移传感器也有一定的不足，其频率响应较低，不适宜用于快速动态监控场合。同时相对于更先进的光学位移传感器，电磁式位移传感器精度不够高。最重要的是，电磁式位移传感器由于其原理和构造，在信号测量和传输过程中，容易受外界电磁干扰造成误差，对于低空飞行的军用直升机更是如此。

2.2光学位移传感器

从六、七十年代以来，直升机先进飞行控制系统的研究得到西方各国的高度重视，并向电传和光传飞行控制的方向发展。美国先后进行了“战术飞机制导系统”（TAGS）、“重型运输直升机”（HLH）、“先进数字/光传控制系统”（ADOCS）等项目研究计划。军用直升机低空、低速、前沿纵深使用的作战环境使之较其他飞机更易遭受电磁干扰、核辐射等的影响。因此，在直升机上发展光传飞控系统也较其他飞机更为迫切。实际上，国外光传飞控系统也首先是在直升机上发展并使用的。实现光传飞控系统首先要研制开发用于直升机光传飞控系统的关键部件，主要包括光背板计算机、光学位移传感器、具备光接口的通用接口适配计算机等，光位移传感器用于采集驾驶员周期杆、总距杆和脚蹬的操纵位移，具有十分重要的作用。

光学位移传感器一般是变栅距光栅位移传感器或称波长编码光位移传感器，变栅距光栅位移传感器是一种以波长为输出信号特征的光位移传感器，它利用变栅距光栅的带通滤波功能，通过测算输出光中心波长来解算位移。变栅距光栅是变栅距光栅位移传感器的核心部件，具有理想光栅的光位移传感器输出的波长与传感器的位移成正比。

光位移传感器与传统的电磁式位移传感器相比，首先大幅度改善了位移传感器的抗干扰性能。其次进一步小型化、轻量化，更易于与其他零部件配套。同时光位移传感器提高了精度和灵敏性，受外界条件影响较小，可以在较恶劣环境下稳定运行，尤其工作温度范围较传统传感器大为拓宽。光位移传感器具有十分乐观可期的应用前景，但是在应用推广过程中也存在一些问题，比如数据采集、传输及处理过程中耗费时间较长，难以满足飞机控制系统要求的100Hz以上的响应频率，同时光位移传感器在光源稳定性上也存在一定问题，最后还存在工艺误差和测试误差非线性难以补偿的问题。这些问题在目前都限制着军用直升机尤其是我国军用直升机大规模应用光位移传感器。

2.3军用直升机飞行控制传感器的发展趋势

直升机光传飞控系统在国外已经经过了三十多年的研究和发展，1984年，第一套数字式光传飞控系统在UH-60A直升机上进行了成功的试飞。2002年1月，欧洲直升机公司装有光传飞行控制系统的一架EC-135直升机进行了首飞，目前已完成取证试飞。光传飞行控制技术是继电传飞控技术后的又一技术跨越，其本质在于实现飞行控制系统的“光化”，既继承了电传技术的系统技术优势，又在对抗恶劣电磁环境、提高信息化和智能化等方面取得重大进步，从而大大改善了飞机的操纵品质，提高了飞行控制系统的可靠性、生存性。

我国的直升机光传飞控系统研究晚于西方发达国家近二十年，通過研究和技术沉淀，在光传飞控系统涉及的关键技术上均有一定的技术积累，为光传飞控系统的工程化实现打下了一定基础。但是对于适用于恶劣环境下的机载光学传感器、光总线、光背板计算机，以及适用于光传系统的作动器等方面还需要进行更深入的研究。目前我国还不能实现直升机光传飞控系统的工程化应用。

虽然我国距离直升机光传飞控系统的工程化应用还有一段距离，但是在光学传感器方面的技术成熟度高于整个光传飞控系统的成熟度，除了用于飞控系统的光位移传感器已经得到了试飞验证，国内还能够生产多种类型的状态传感器，例如光学电流传感器和光学压力传感器等。针对现代军事装备高可靠性、高性能的要求，及空间电磁环境日益恶劣的现状，采用光传操纵系统代替或部分代替电传操纵系统将是飞机飞行操纵系统发展的必然趋势，更是国防军事设备的广泛需求。相信随着我国国防科技工业的进步，各种光学传感器将逐渐替代老式传感器，成为军用直升机“千里眼、顺风耳、听诊器”。

（作者简介：王小阳，工程硕士，高级工程师，飞行控制；张国强，研究生/硕士，高级工程师，飞行控制；赵琛，工学硕士，助理工程师，机械工程）

（工作单位：陆装航空军代局驻西安地区航空军代室）