Виды и принцип работы альтиметра

Эти недостатки сподвигнули фирму Motorola вести активный поиск альтернативного решения, который и увенчался разработкой принципиально нового решения, которое впоследствии было запатентовано, и носит торговую марку X-ducer. Элемент X-ducer (смотри рис. 1.15), названный так из-за х-образной формы преобразователя, представляет собой кремниевую диафрагму, на которую методом ионной имплантации внедрена х-образная тензорезистивная структура. Элемент развивает на выходе напряжение, прямо пропорциональное приложенному давлению и имеет очень высокие показатели линейности, повторяемости, воспроизводимости, чувствительности и отношения сигнал/шум. Одна пара выводов служит для подачи напряжения питания, а со второй снимается разность потенциалов, линейно за висящая от напряжения питания (пропорциональный выход) и приложенного давления (усилия).

Датчик реализован с использованием технологии MEMS, что позволило получить точный, качественный аналоговый выходной сигнал пропорциональный прилагаемому давлению.

1.3.3 Принцип работы

Датчик работает таким  образом: ток возбуждения протекает  по резистору (отводы 1 и 3), а подаваемое к диафрагме давление, воздействуя  на диафрагму, изгибает резистор. Изгиб  приводит к возникновению в резисторе  поперечного электрического поля, которое  проявляется как напряжение на отводах 2 и 4, соединенных со средней точкой резистора (смотри рис. 1.15). Выходной сигнал изменяется пропорционально прилагаемому давлению.

	Выводы:  1. GROUND(Земля) 2. +Vout 3.Vs  4.-Vout
Рис. 1.15. Чувствительный элемент X-duсer

Тензодатчик является интегральной частью диафрагмы и, следовательно, его температурный коэффициент не отличается от температурного коэффициента диафрагмы. Выходные параметры самого тензодатчика все же зависят от температуры и для обеспечения расширенного диапазона температур необходима температурная компенсация. Для диапазона температур от 0 до 85°C достаточно простой резистивной цепочки, реализованной на том же кристалле, но для более широкого диапазона температур, например от -40 до 125°C, потребуется и более сложная схема компенсации. Такая дополнительная компенсация реализуется внешними схемами.

Использование одного чувствительного  элемента исключает необходимость  точного согласования четырех, чувствительных и к давлению и к температуре, резисторов, составляющих мост Уинстона. Кроме того, существенно упрощаются дополнительные схемы, необходимые для калибровки и температурной компенсации. Начальное смещение зависит, в основном, от степени выравнивания отводящих проводников, снимающих напряжение. Это выравнивание выполняется в одном литографическом процессе, обеспечивающем простое их согласование, а использование только положительного напряжения, упрощают схему сведения смещения к нулю.

1.3.4 Основные характеристики кремниевых датчиков

Основные характеристики датчиков давления:

1. Размах выходного напряжения (Full Scale Span - Vfss) определяется как алгебраическая разница между выходным напряжением при максимальном сертифицированном рабочем давлении и напряжением при минимальном сертифицированном рабочем давлении.
2. Начальное смещение (Voff) определено как выходное напряжение при действии на датчик минимального сертифицированного давления.
3. Точность (суммарная ошибка) складывается из:

Нелинейности	Отклонение выходного  напряжения от линейной зависимости P/ Vout
Гистерезиса температуры	Разница выходных напряжений при изменении температуры от минимума к максимуму, или наоборот, при приложенном нулевом дифференциальном давлении
Гистерезиса давления	Разница выходных напряжений при изменении сертифицированного давления от минимума к максимуму, или наоборот, при 25°C
Стабильности смещения	Разница выходных напряжений после 1000 циклов изменения температуры  от -40 до 125°C и приложения 1.5 миллиона минимальных сертифицированных циклов давления
Температурной ошибки	Разница выходных напряжений в диапазоне температур от 0 до 85°C относительно температуры 25°C
Ошибки смещения	Разница выходных напряжений, при приложении минимального сертифицированного давления в диапазоне температур от 0 до 85°C относительно температуры 25°C
Отклонения от номинала	Отклонения от номинальных  значений смещения или размаха выходного  напряжения в процентах от Vfss при 25°С

 

4. Время отклика определяется как время нарастания выходного напряжения от 10% до 90% его конечного значения, определяемого изменением давления.

Отметим, что внешнее давление, превышающее указанное в инструкции, может привести к утечкам тока с выводов на корпус.

1.3.5 Выбор датчика давления

 

Выбор датчика давления является одним из важнейших этапов проектирования аэрометрических приборов. Для своего прибора я выбрал датчик давления ДДГ-3-2, принцип работы которого основан  на изменении собственных колебаний  тонкостенного металлического цилиндра, в зависимости от механических напряжений, вызываемых изменением давления внутри цилиндра. Датчики, построенные по такой  схеме, также называются вибрационными  датчиками. Выходным сигналом таких  датчиков, как правило, является последовательность электрических импульсов, что является очень удобным для сопряжения датчика с цифровой схемой измерения  или БЦВМ.

Основные технические  характеристики датчика ДДГ-3-2:

• Температурный коэффициент чувствительности, % диапазона/1°С,

не более: …0.007.

• Диапазон измерения давления, кПа:…... 1.33-280.
• Долговременная нестабильность % диапазона за год, не более:… 0.04.
• Основная погрешность измерения, % диапазона, не более:… …0.01.
• Начальная частота выходного сигнала, кГц:….5.2.
• Изменение частоты выходного сигнала, % не менее: 20.
• Выходной сигнал температурной коррекции, В:… …0...10.
• Рабочий температурный диапазон, °С:… - 60.. .70.
• Потребляемая мощность, Вт, не более:… 1.0.
• Габаритные размеры, мм……….36*70*90.
• Масса, кг:0.4.

 

Разработка функциональной схемы

 

На преобразователь ПЧН поступает частотный сигнал с датчика в виде импульсов, где преобразуется в напряжение. Напряжение с преобразователя поступает на вычитающее устройство, на которое также поступает напряжение с задатчика начального давления. С вычитающего устройства сигнал подается на аналого-цифровой преобразователь, происходит оцифровка сигнала и значение выдается на индикатор в виде высоты.

Напряжение с задатчика начального давления подается также на вторичный аналого-цифровой преобразователь, где оцифровывается и значение выдается на индикатор в виде давления у земли.

График зависимости  высоты от давления

 

 

 

 

 

Рис 1.16

 

Из графика видно, что  зависимость высоты от давления отО до 1000 метров является линейным, что значительно упрощает построение электрической принципиальной схемы.

Электрическая принципиальная схема построена на основе аналого-цифрового  преобразователя серии КР572ПВ2:

Устройство работает по принципу двойного интегрирования, широко применяемому в цифровых измерительных приборах. Идея этого метода состоит в том, что вначале интегрирующий конденсатор  заряжают в течение определенного  времени током, пропорциональным измеряемому  напряжению, а затем разряжают  определенным током до нуля. Время, в течение которого происходит разрядка конденсатора, пропорционально измеряемому  напряжению. Это время измеряется счетчиком, входные сигналы которого подаются на цифровые индикаторы.

В состав микросхемы входит тактовый генератор. Частота следования его импульсов определяется внешними элементами Rг и Сг.

Номиналы деталей частотозадающих  цепей тактового генератора рассчитывают по формуле Cг=0,45/fг Rг.

Диапазон входных напряжений микросхемы зависит от образцового  напряжения U06p и определяется его соотношением с Uвх.макс .= ±1,999Uобр . -Текущие показания индикаторов выражаются числом, равным 1000Uвх/Uобр.

Период измерений при  частоте тактовых импульсов 50 кГц  составляет 320 мс (3 измерения в секунду). Максимальный ток, потребляемый микросхемой от обоих источников питания, - не более 1,8 мА, выходной ток старшего разряда - не менее 10 мА, остальных - не менее 5 мА. Коэффициент ослабления синфазного напряжения 100дБ, погрешность преобразования не превышает 1, 3 и 5 единиц младшего разряда для микросхем КР572ПВ2. Указанные параметры гарантируются при температуре (25±5) °С и питающих напряжениях +5В и - 5Вс нестабильностью ±1%. Нестабильность образцового напряжения должна быть не хуже 0,1% так как она входит в погрешность измерения. Входное сопротивление микросхемы превышает 100Мом (оно определяется лишь утечками).

 

Заключение

Измерение высоты полёта воздушного судна — чрезвычайно важная и ответственная задача, связанная с обеспечением безопасности полётов. При этом подход к исполнению данной задачи должен быть комплексным, применяющим все известные способы определения истинного положения воздушного судна в пространстве. По этой причине на современных воздушных судах применяются все вышеперечисленные приборы, а экипажи проходят профессиональную подготовку для их грамотного совместного использования. Отказ хотя бы одного прибора, измеряющего высоту полёта, в авиации считается особым случаем и расценивается соответствующими службами как предпосылка к лётному происшествию.

 

 

 

Литература

• Оборудование самолётов. Волкоедов А. П., Паленый Э. Г., М., Машиностроение, 1980 г.
• Радиооборудование самолётов Ту-134 и Ту-134А и его лётная эксплуатация. Кучумова И. П., М., Машиностроение, 1978 г.
• Civil-avia.org.ua/electromex_dat.html
• Силяков В. А., Горбацкий В. В., Красюк В. Н. Обнаружение отраженных сигналов в системах поиска радиовысотомеров с линейной частотной модуляцией // «Датчики и системы». — 2003. — № 2.
• Бакулев П. А. Радиолокационные системы. Учебник для вузов — М.: «Радиотехника», 2004.