飞机仪表

第1章 概论 　　航空仪表是飞机上全部仪表的总称。它的种类较多，分别用来测量（或计算）飞机在运动状态中的各种飞行参数，以及飞机发动机和其他一些设备的工作状态参数。随着航空事业的飞速发展，飞机的飞行速度、飞行高度和气象标准的提高，使飞机自动化程度越来越高。现在的航空仪表除为飞行员提供驾驶飞机用的目视显示数据外，还要为各种导航系统、自动飞行控制系统和飞行数据记录器等机载设备提供各种输入数据。 　　1.1 航空仪表的发展过程 　　航空仪表的发展与科学技术和飞机的发展密切相关。早期飞机上没有专门设计的仪表。莱特兄弟首次飞行时，飞机上只有一块秒表、一个风速计和一个转速表。早期装在飞机上的还有其他一些地面用的简陋仪表，如指示高度用的真空膜盒式气压计、指示航向用的磁罗盘、指示飞机姿态用的气泡式水平仪。1909年，法国飞行员L.布莱里奥**次驾机飞越英吉利海峡时，机上仍没有任何专门的飞机仪表。那时人们主要靠肉眼观察，在能见度许可的情况下飞行。**次世界大战期间，飞机仪表有了较大的发展。1916年，英国皇家空军的S.E．5型飞机的仪表板上已装有3种较为可靠的飞行仪表及4种发动机仪表。1927年，美国飞行员C．A．林白驾机飞越大西洋，除上述主要仪表外，他的飞机还装备了罗盘、倾侧和俯仰角指示器、转弯倾斜仪和时钟。1929年9月，美国飞机驾驶员J．H．杜立特凭借仪表和无线电导航设备安全完成首次盲目飞行，即仪表飞行，开创了仪表发展的新阶段。从20世纪30年代开始，一些国家相继规定飞机上必须配备能完成盲目飞行的一定数量的基本仪表，其中包括空速表、高度表、陀螺地平仪、航向陀螺仪、升降速度表和转弯倾斜仪。随着大型、多发动机、高速飞机的机载系统逐渐增多，仪表需求量也日益增长。30～50年代，飞机仪表有了很大的发展，出现了远读仪表、伺服仪表等新式仪表。这一时期*重大的进展是出现了各种机电型综合仪表，*有代表性的是指引地平仪、航道罗盘、大气数据计算机。60～70年代，随着电子技术的发展，尤其包括微处理机在内的微电子技术的发展、彩色阴极射线管和其他新型电光元件（液晶显示器、发光二极管等）的相继问世，为仪表数字化、小型化、综合化和智能化提供了条件。数字式大气数据计算机、捷联式惯性导航系统等带微型计算机的数字测量系统和以平视显示器为代表的电子综合显示仪的出现，标志着飞行器仪表进入一个新的发展阶段。80年代航空仪表的特点是利用先进的数字电子技术，进一步向高度综合化和智能化方向发展，并以微型计算机和多路传输数据总线为纽带，把传感器、显示器、控制器与飞行控制系统、发动机控制系统、火力控制系统等有机地交联在一起，以实现飞行器各系统之间的高度综合化。采用完善的自检和故障监控、故障告警手段，提高信息测量的精度和可靠性。总之，随着科学技术的发展，航空仪表的发展是紧跟飞机发展而同步前进的。 　　1.2 航空仪表的分类 　　航空仪表可以按照仪表的发展阶段、功用和工作原理进行分类。 　　1.2.1 按照发展阶段分类 　　航空仪表的发展经历了以下几个阶段。 　　1．机械仪表阶段 　　这个阶段是仪表的初创时期，很多早期的仪表都属此类，如气压式高度表、空速表、升降速度表、磁罗盘、航向陀螺仪等。直读式仪表通常是由敏感元件（或称测量元件，直接感受被测物理量的元件）、中间环节（放大传动机构）和指示装置组装在一起的单一参数测量仪表，其基本结构原理方框图如图1-1所示，如气压式仪表等。有的直读式仪表则直接由敏感元件来带动指示装置，如磁罗盘和航向陀螺仪。 　　图1-1 直读式仪表基本结构原理方框图 　　敏感元件用来测虽被测参数的物理量，如膜盒仪表的敏感元件是真空膜盒（测量绝对压力）或开口膜盒（测革相对压力，即压差）；陀螺仪表的敏感元件是二自由度陀螺（确定地垂线或航向基准线）或二自南度陀螺（测量飞机运动的角速度）。指示装置用来指示被测物理量的数值，它包括传动装置、指针和刻度盘。有的表为了扩大量程，指针采用粗、细（长短）两根针；扩大量程的另一个办法是在指示装置中增加记数装置，用数字指示与指针相结合的方式，指针只指示低量程读数，超过指针指示的量程靠数码指示。中间环节的作用是：将敏感元件输出的物理量变换成指示装置能接收的物理量；将敏感元件的输出信号放大到使指示装置有足够大的输出，即指针有足够大的转角，便于判读；有些表，中间环节安装有误差补偿或误差修正装置（如气压高度表内的温度补偿片）。 　　这种仪表的*大优点是结构简单、工作可靠、成本低廉，至今仍有不少机型在使用。它的缺点是因推动指针移动的能量来自敏感元件的信号源，能量很小，所以表的灵敏度较低，指示误差较大。随着飞机性能的不断提高和使用范围的日益扩大，需要测量的参数也越来越多，精度越来越高，机械式仪表早已不能满足航空发展的需要。但是，此类仪表仍大量用于一些低空飞行的轻型飞机上，而且几乎在所有飞机上^都还用它们作为应急仪表。 　　2.电气仪表阶段 　　从20世纪30年代起，航空仪表已由机械化逐步走向电气化，发展成电气仪表，通常称为远读式仪表。所谓“远读”，是指仪表传感器和指示器没有组装在同一个表壳内，它们之间的工作关系是通过电信息传递来实现的，相距较远。大多数发动机仪表均属此类，如发动机排气温度表用热电偶式感温头作为传感器，用毫伏表作为指示器。还有一些仪表利用远距同步传输系统来实现远读的功能，如远读磁罗盘、远读地平仪、热电偶温度表、压力表和油量表等。 　　远读式仪表的基本结构原理方框图如图1-2所示。它主要由传感器和指示器两部分组成。传感器包括敏感元件和变换装置，远离仪表板；指示器包括接收装置和指示装器，在仪表板上，两者之间通过信号传输线路构成工作系统。 　　图1-2 远读式仪表基本结构原理办框图 　　从图1-2中可以看出，变换装置和接收装置构成仪表的中间环节，它的作用和直读式仪表相比，实现了仪表信号的远距离传递，其余作用和机械仪表阶段的中间环节相同。 　　由此得知，仪表、传感器和指示器三者是有区别的。仪表要将被测量的数值大小显示出来，供人们判读或记录（记录仪表）；传感器只将被测量（或与被测量有确定关系的物理量）变为与它有严格对应关系的可用电量（或其他物理量）；指示器本身不测量任何物理量，而只是接收它所确定的传感器信号。在实际工作中，往往要拆下（或装上）一些表，这里所说的“表”，对远读式仪表来说是指其指示器。 　　远读式仪表的实际结构有的简单，有的较复杂。简单的远读式仪表，信号传递采用直流同步器、自整角机或磁同步器等。如果传感器的输出功率很小，而要求的精度又比较高，多采用伺服系统结构。较复杂的仪表，传感器的信号不直接送到指示器，中间还有一些别的环节，如放大器、误差修正机构和参数转换等各种装置。 　　用电气传输代替机械传动，可以提高仪表的反应速度、准确程度和传输距离。将仪表的指示装置与其他部分分开，使仪表板上的仪表体积大为缩小，改变了因仪表数量增多而出现的仪表板拥挤状况。另外，一些表的敏感元件（传感器部分）因远离驾驶舱，减少了干扰（如磁传感器和陀螺传感器），提高了敏感元件的测量精度。当然，远读式仪表也有一些缺点，它使整套仪表结构复杂、部件增多（主要是中间环节）、质量增加、工作可靠性降低。 　　3．机电式伺服仪表阶段 　　为提高仪表的灵敏度和精度，20世纪40年代后出现了能够自动调节的小功率伺服系统仪表，即机电式伺服仪表。 　　伺服系统又称为随动系统（亦称反馈系统），它是一种利用反馈原理来保证输出量与输入量相一致的信号传递装置，其原理结构如图1-3所示。 　　图1-3 小功率伺服系统组成原理结构 　　在图1-3中，θ1（输入）为某一机件的机械转角，θ2（输出）为执行元件（即小型电机或微电机）的输出转角，变换元件将θ1，变换成电压U1，反馈元件将θ1变换成电压U2，比较元件完成的运算功能，放大元件保证执行元件（电动机）有足够的输入功率。这样的系统在工作时能使输出量晚与输入量θ2保持一个同步跟踪（或称同步传送）关系，如果取反馈元件的传递系数与变换元件的传递系数相同，则在量值上θ2就等于θ1。 　　利用伺服系统原理构成的仪表，也称闭环仪表。对仪表信号，采用伺服机构能减少摩擦力矩对敏感元件的影响，进行力矩放大，信号能量得到放大，提高了仪表测量和指示精度。输出多路信号供各系统使用，有利于仪表的综合化和自动化。伺服仪表也具有远读的特点。目前大多数航空仪表均采用伺服系统来传递各种信号。 　　4．综合指示仪表阶段 　　20世纪40年代后，由于飞机性能迅速提高，各种系统设备口益增多，所需指示和监控仪表大量增加，有的飞机上已多达上百种，仪表板和座舱无法安排，驾驶员也眼花缭乱。另外，飞机的飞行速度和机动性能的提高，又使驾驶员观察仪表的时间相对缩短，容易出错。因此，把功能相同或相关的仪表指示器有机地组合在一起，形成了统一指示的综合仪表。 　　仪表的综合化有两条途径：传感器综合化和显示器综合化。 　　传感器综合化又分为两种方式：一种方式是把原理不同而功用类似的几个传感器组合在一起，以达到互相校正和提高仪表性能的目的。由磁罗盘和航向陀螺仪组成的陀螺磁罗盘是这种综合方式的典型例子。另一种方式是把少量公用的原始信息传感器集中起来，通过计算机计算，输出为数众多的不同信号。这方面的典型实例是大气数据计算机。这种传感器综合化方式的优点是大大减少了设备的重复性，减小了体积和质量，能采用较完善的测量原理，进行多种误差补偿从而提高了参数测量精度。 　　显示器综合化是把有关的参数集中在一个显示器内显示，这样做不仅能有效地减少仪表数量、减轻仪表板的拥挤程度、减轻飞行员的目视负担，而且还能得到用单一参数指示器所不能得到的有用信息。早期的组合式高度表、组合式航向仪表，后来的机电型指引地平仪、航道罗盘及现代的电子综合显示仪都是显示综合化的实例。 　　总之，航空仪表的发展过程是从机械指示发展到综合显汞、仪表的数量经历了从少到多，又从多到少的发展过程。 　　1.2.2 按照功用分类 　　航空仪表按功用可分成飞行仪表、发动机仪表和其他设备仪表。 　　1．飞行仪表 　　飞行仪表是指示飞行器在飞行中的运动参数（包括线运动和角运动）的仪表，驾驶员凭借这类仪表能够正确地驾驶飞机。这类仪表主要有利用大气特性的各种气压式仪表、利用陀螺特性的各种陀螺仪表和利用物体惯性的加速度（过载）仪表等。 　　2．发动机仪表 　　发动机仪表是用于检查和指示发动机工作状态的仪表。按被测参数区分，主要有转速表（如螺旋桨转速表、低压涡轮和高压涡轮转速表）、压力表（如进气压力表、燃油压力表、滑油压力表）、温度表（汽缸头温度表、排气温度表）和流量表（燃油油量表）等。现代发动机仪表还包括振动监控系统，用于指示发动机的结构不平衡性和预告潜在的故障。燃油是直接供发动机使用的，故指示燃油油量的油量表通常也归属于发动机仪表。 　　3．其他设备仪表 　　在飞机的其他设备中使用的测量仪表统称为其他设备仪表，如飞机的增压系统有座舱高度表、压差表、空气流量表、升降速度表和温度表等；飞机的液压系统有各种压力表和液压油油量表等；灭火系统有各种压力表；起动发动机（或起动发电机）用的起动涡轮下面有转速表、燃油压力表、滑油压力表、滑油温度表和燃油油量表等。此外，还有起落架收放指位表、襟翼指位表和飞机电气设备用的电流表、电压表、频率表等。 　　在上述仪表中有些并不独立存在，而与相应参数仪表组合在一起（如指引系统仪表）；有的飞机将一些指示简单的仪表改用灯光显示（如起落架收放位置显示）。 　　1.2.3 按照工作原理分类 　　航空仪表按工作原理可分成测量仪表、计算仪表和调节仪表。