MEMS在飞行传感器中的应用

第6章 飞行中使用的传感器：综合研究

6.1 引言

自载人飞行开始以来，人们就认识到向飞行员提供有关飞机操作的信息非常有用，并能带来更安全的航行。莱特兄弟驾驶的莱特飞行器仅配备了很少的仪表，例如发动机转速表、秒表和风速计（风速计），因为他们主要关注飞机发动机的工作状态和飞行进度。从那时起，已开展了大量研究，用于开发各种有助于飞行机组在飞行过程中使用的仪表。现有的仪表系统可为飞行机组提供多种信息，包括飞机状态和发动机状况、飞行速度、高度、其他导航数据、通信系统以及天气和客舱环境。

所需信息的范围不断扩大，要求能够更准确地采集和传递数据，并易于理解，这对航空工业来说是一个巨大的挑战。随着这一需求的增长，飞机系统的尺寸和复杂性也随之增加，这就进一步要求传感器系统更小巧，以避免驾驶舱内过度负载和杂乱。其中一项发展就是采用计算机控制的数字接口和平板屏幕来显示和优先处理信息。

飞机上的仪表可根据其执行的任务基本分为以下三类：

• 飞行仪表 ：这些仪表用于向飞行员显示飞机的高度、空速、姿态和方向。如用于测量高度的高度表、用于测量飞行速度的空速表和垂直速度指示器，以及用于指示方向的磁罗盘。这些仪表通常安装在飞行员和副驾驶前方的中央上方位置。早期使用的模拟仪表完全依赖电力，在断电时可能对飞行造成危险。随着MEMS器件的发展，传感与显示技术不断进步，有助于开发出更可靠的主用和备用仪表系统。
• 发动机仪表 ：这些仪表用于测量飞机发动机参数，如压力、温度、燃油量、发动机转速等，并将数据展示给机组人员。压力表、转速表和温度表是一些常用的仪表，通常安装在驾驶舱中央，以便于观察。在多发飞机上，某一发动机数据或参数会显示在单个仪表上，通过多个指针分别表示各台发动机的信息。
• 导航仪表 ：这些仪表供飞行员用于沿固定航线导航飞机，并在机场进近着陆时进行引导。如今，全球定位系统（GPS）被用来确定飞机位置，并帮助地面管制向飞行员提供有关起飞、飞行和在特定区域安全着陆的具体信息。

这些现代仪器和信息系统不仅能够进行计算，还能感知其所处的环境条件并产生特定响应。基于微机电系统的设备由于具有微型尺寸、更轻的重量、局部分布式信号调理、更高的工作频率、更宽的带宽、短热常数以及更高的共振频率等优势，现已被广泛用于这些系统的开发。此外，光刻等工艺的发展也有助于降低基于微机电系统的设备在批量生产中的单位成本。

近年来另一个受关注的领域是飞行器系统（AVS）。该领域包括微型飞行器（MAV）和纳米空中飞行器（NAV）的开发，并定义了这些无人驾驶航空飞行器（UAVs）在开发过程中的基本特征和挑战（Pines和Bohorquez 2006）。美国国防高级研究计划局（DARPA）于1997年启动了微型空中飞行器项目（MAV project），并将其扩展至NAV（Hylton等，2012），其中为这些系统定义了一组特定的要求。

在本章中，我们将讨论飞行仪表的基本工作原理及其由于微机电系统发展而取得的进步。同时，我们还将探讨航空车辆系统及其需求，以及微机电系统如何促进其开发和进步。

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6.2 六件套飞行仪表：基本工作原理

飞机最重要和最基本的仪表长期以来一直保持不变，被称为“六件套”（图6.1）。

基本上，其中三个仪表连接到皮托管‐静压系统，并基于压力差原理工作，而另外三个则基于陀螺原理工作（美国联邦航空局手册2016），如图6.2和6.3所示。机械系统用于感知压力变化或作为陀螺效应的系统。这些系统的主要缺点是重量大且灵敏度高。重新校准也十分繁琐，且由于摩擦、磨损和涡流引起的误差非常大。

与皮托管‐静压系统相连的三个仪表如下：

• 空速表（ASI） ：它利用皮托管和静压源显示指示空速。皮托管的压力与静压系统内的压力之差即为指示空速。当飞机在地面时，这两种压力相等；而在运动中，压力差导致空速表内部的真空膜盒膨胀，从而带动指针移动，显示出仪表读数。图6.4展示了空速表系统的示意图。由于空气密度随压力和温度变化，以及位置误差的影响，所显示的数据可能存在误差。

• 垂直速度指示器（VSI） ：用于指示飞机处于平飞、爬升或下降状态，通常以英尺每分钟（fpm）为单位显示。经过正确校准的VSI在平飞或地面静止时应显示为零。它显示两种信息：一种是趋势信息，表示爬升率或下降率的增加或减少；另一种是速率显示高度变化率的信息，一旦俯仰姿态保持恒定即可获得。尽管数据显示存在延迟（6‐9秒），并且由于湍流和粗糙的控制技术，数据进一步变得不稳定。

• 它由一个带有来自静压管的计量静压的气密外壳组成。外壳内包含一个与静压管连通且无限制进气的膜盒，以及连杆机构和齿轮系统。当飞行升高或下降时，膜盒内部的压力立即发生变化，而由于受限，外壳外部的压力变化较慢。该系统的示意图如图6.5所示。这种压力差导致指针偏转，从而显示出来。

• 高度表 ：它是一种测量飞机相对于给定压力水平的高度的仪器，是唯一能够显示高度的仪表。气压高度表使用无液气压计，通过测量不同高度上的压力来指示以英尺为单位的高度。随着高度的变化，大气压力随高度增加而降低，该压力与海平面压力之间的差值在高度表上显示为当前高度。高度表由一个密封真空膜盒、连杆机构和齿轮机构组成，封装在一个密闭外壳内。膜盒被抽真空至内部压力为29.92英寸汞柱，当施加到密闭外壳上的静压变化时，膜盒可自由膨胀或压缩。膜盒的压缩表示高度降低，膨胀表示高度升高。多个指针用于指示从数百英尺到数万英尺的不同高度范围（图6.6）。

由于大多数高度表读数会因压力和温度变化导致的空气密度变化而受到影响，每个高度计都配备了一个旋钮，用于调整高度表窗口中提供的气压设定值。在飞行过程中从一个站点飞往另一个站点时，需要对高度计进行调整，并提供相应数据由该区域的空中交通管制（ATC）根据该地区的大气条件（压力和温度）进行。尽管仍然存在误差，因为所提供的数据是针对该地区的地面水平，可能未考虑在某一离地高度飞行时的不规则情况。

其余三个仪表基于陀螺仪原理工作。大多数飞机使用两种电源，以确保当一种电源失效时至少还有另一种可用。这两种电源分别是电气系统（主要用于转弯指示器）和真空或压力系统（用于姿态和航向指示器）。这三个仪表如下：

• 转弯指示器 ：飞机上使用两种类型的转弯指示器：一种是仅提供以度/秒为单位的转弯速率的转弯和侧滑指示器，另一种是先提供滚转速率然后提供转弯速率的转弯协调仪。转弯和侧滑指示器中的陀螺对应飞机的纵轴，在垂直平面内旋转。限位弹簧可防止翻滚并保持中心位置，而单环架则限制陀螺倾斜的平面。对于转弯协调仪，环架为倾斜圆盘结构，使陀螺能够感应滚转速率和转弯速率。转弯协调仪不显示具体的坡度角，仅指示转弯的速率和方向。

• 姿态指示器 ：它通过小飞机模型和地平线杆显示来提供飞机相对于实际地平线的关系。地平线杆固定在安装于水平面的陀螺上，即使飞机绕其纵轴和横轴进行俯仰或倾斜，陀螺仍保持在水平面内不变。设有调节旋钮，用于调整小飞机模型的位置，使其在飞机处于平直飞行时，机翼与地平线杆重合。陀螺在水平面内旋转，并抵抗旋转路径的偏转，由于其依赖空间稳定性，飞机实际上是围绕旋转的陀螺转动的。

坡度角的最大限制为100°–110°，俯仰的最大限制为60°–70°，具体数值取决于仪器的型号和制造商。

• 航向指示器 ：它基本上是一种仪表，旨在减少磁罗盘在获取飞行方向时产生的误差。磁罗盘在湍流环境及其他外力作用下尤其容易显示错误数据，而由于使用了陀螺系统，航向指示器不存在此类误差。旋转陀螺在空间中保持刚性，并在垂直平面内转动，而仪表外壳及整个飞机则围绕旋转陀螺的垂直轴旋转。罗盘刻度盘固定在转子上，能够准确清晰地提供航向信息。摩擦、润滑不当和磨损部件可能导致漂移或爬行现象。由于陀螺在空间中定向，而地球在空间中以每小时15°的速度自转，因此这种误差也必须予以补偿。一些水平状态指示器（HSI）使用磁力计来帮助消除此误差。

第6章 飞行中使用的传感器：综合研究（续）

6.3 飞行仪表系统的最新进步

电子飞行显示器正在随着微机电系统领域的进步，取代自由旋转陀螺和皮托管系统。一些进步如下：

• 微机电加速度计 ：这些设备的基本工作原理被定义为简化的二阶阻尼质量–弹簧系统（Beeby 2004）。具有极高稳定性的微机电传感元件、高质量的电子设备以及最先进的组装与封装技术，是制造稳定且超高精度的微机电加速度计的关键。尽管电容式微机电加速度计由于其制造与操作简单而被广泛使用，但新型光学微机电惯性传感器具有更高的灵敏度和稳定性（Waters 和 Jones 2007）。利用体微加工或表面微加工技术，将法布里–珀罗干涉仪和光电二极管集成在硅基板上，从而形成紧凑且低误差系统。

• 微机电陀螺仪 ：微机电振动陀螺仪基于科里奥利效应原理工作，该效应由物体在旋转与惯性效应下产生（Acar 和 Shkel 2008）。这些振动陀螺仪可分为角度陀螺仪和速率陀螺仪，前者直接测量姿态角，后者测量物体的角速度或旋转速率（Shkel 2006）。其中，速率陀螺仪应用更为广泛。通常开发的微机电陀螺仪采用电容驱动与检测电极，但由于机械和电气交叉耦合，严重影响了角分辨率和稳定性，成为主要限制因素。光学微机电陀螺仪通过光学检测科里奥利力，已实现导航级性能。采用光电微机电设计可消除电容串扰（Waters 等 2010）。

• 微机电系统压力传感器 ：由于对减小尺寸、重量和成本以及提高可靠性和具有良好稳定性的信号处理能力的需求，微加工压力传感器正被引入航空航天应用中。大多数压力传感器基于压阻式传感原理设计，采用体微加工和表面微加工的薄硅膜片。表面微加工传感器正在不断发展，因为体微加工需要对硅进行各向异性刻蚀，并且需要通过后处理将玻璃与硅键合。而表面微加工传感器无需这些步骤，可直接与集成电路（ICs）连接以实现信号处理及其他器件功能（Lin 和 Yun 1998）。

这些传感器中的任何一个或任意组合均可用于单芯片上的特定飞机应用。高度计和空速传感器利用微机电系统压力传感器。此外，加速度计也连接到电路中以实现更优的空速传感。惯性导航系统（INS）结合使用加速度计、陀螺仪、磁力计（惯性测量单元）以及压力传感器，并附加全球定位系统（GPS），以提供飞机近10个自由度的惯性数据（Ananda 等，2014）。姿态航向参考系统（AHRS）也通过结合加速度计、陀螺仪和磁力计来提供飞机的姿态信息，包括偏航、俯仰和滚转信息（Guerrero‐Castellanos 等，2011）。

6.4 微型和纳米航空飞行器

NAVs通常被定义为超小型、超轻型航空飞行器，其翼展小于15厘米，总重量为25克，作战范围为1–2公里。此外，飞行高度最高可达100米。另一方面，MAVs的重量根据有效载荷的不同，可从100克到5公斤不等，翼展超过15厘米，作战范围约为10公里，可持续飞行一小时以上（UAS 2010）。

航空车辆系统在极小的体积内保留了大型飞机的特性，这增加了复杂性，也为其开发带来了挑战。物理挑战包括某些物理参数（如雷诺数）的显著降低，以及在如此微小尺度下系统集成所涉及的复杂性。与大型飞机类似，航空车辆系统在加速度、稳定性、高度和速度数据方面也必须完全正常运行。

图6.8显示了航空车辆系统中各部件的重量预算分配百分比。可以看出，电池以及带有电机部件的机身占据了航空车辆系统总重量的主要部分（Petricca 等人，2011）。所有这些系统都必须在有限的重量和最低功耗要求下实现集成。

任何航空车辆系统的主要部件如下：

• 机身 ：液滴状外形在亚音速条件下具有最佳的空气动力学性能。它可减小前飞过程中的阻力，从而降低功耗（Cavendish 2006）。设计时需优化空间布局和质心位置，并采用通用算法综合考虑所有物理约束（Ng 和 Leng 2006）。碳纤维复合材料通常被优先选作机身材料，因其具有高比强度且易于获取。

• 推进系统 ：所有航空车辆系统都需要产生运动和升力。最常见的方式是使用电动机，其具有高可靠性、高效率、尺寸小、重量轻且易于控制的优点。由于系统采用无铁芯设计，因此不存在铁损，这不仅提高了效率，而且较轻的转子意味着较小的惯性，从而实现更快的加减速。主要缺点是由于缺乏铁芯而导致过热和热问题，这限制了电机尺寸。

由于产生的能量中超过一半用于产生升力，因此使用燃气轮机或内燃机（ICE）替代这些电机更具优势（Morris 和 Lane 1997）。内燃机在纳米航空飞行器（NAVs）应用中的主要缺点是其尺寸、重量以及所产生的噪声。尽管近年来的技术进步有助于缩小燃烧发动机的尺寸（Sher 等人 2009），但产生的噪声仍然很高，因此这类系统无法用于战术和隐身任务。尽管目前正针对采用微机电系统（MEMS）的微型燃气轮机开展大量研究，但迄今取得的成功非常有限。另一种可能是采用电动机与燃烧发动机的混合系统（Glassock 等人 2009），但由于整体尺寸限制，此类系统仅适用于较大的空中飞行器。

• 能量存储系统 ：电能是所有航空车辆系统为推进用电动机以及电子电路、通信设备、执行器和传感器供电的主要需求。消费类电子产品（如智能手机和笔记本电脑）的发展极大地促进了电池能量密度的提升。目前，所有镍镉电池都已被锂离子电池取代，后者毒性更低且能量密度更高。此外，还开发了带有电路的先进电池，可针对电池负载优化放电曲线（Mandal 等人，2008年）。尽管如此，许多最先进的电池所提供的能量密度仍远低于汽油或甲醇燃料。燃气轮机或内燃机可能是更优的能源供应方案，甚至可以完全无需使用任何电池。

燃料电池系统是另一种通过电化学过程将系统中的燃料转化为电流的替代方案。使用氢气作为燃料的质子交换膜（PEM）燃料电池（FuelCellStore）或使用甲醇作为燃料的直接甲醇燃料电池（DMFC）是航空车辆系统应用中最具有前景的电池类型。尽管PEM电池对环境友好，因为其残留废物仅为水，但作为燃料的氢气并非自由获取，需要消耗能量的化学过程来制取。此外，由于氢气的体积能量密度很低（10,700 J/l），而质量能量密度很高（143,000 J/g），因此储存困难。像DMFC这样的替代性燃料电池虽使用纯甲醇作为燃料，但整体效率相较于PEM较低。大黄蜂是一种采用燃料电池的微型飞行器示例（美国国防高级研究计划局 2003）。其翼展为38厘米，总重量为170克，包括燃料的重量。

由于纳米航空飞行器的重量非常有限，超级电容器正被越来越多地使用（Kroo 等人，2000）。超级电容器的主要优点是充电速度快、充放电循环寿命几乎无限，而主要缺点是与其他能源相比能量密度较低，且输出电压依赖于充电状态（Spectrum 2001）。太阳能或光伏电池也可被使用，但由于尺寸和重量限制，以及在室内和低光照应用中效率降低，其使用受到限制。

• 传输 ：航空车辆系统中主要传输两种信号：数据信号和控制信号。控制信号是由地面站或用户发送给飞行器的信号，用于控制飞行器的飞行以及操控航空车辆系统上的其他传感器。数据信号主要用于将来自机载传感器、摄像头、麦克风等的数据或信息传送给用户，以便采取适当的操作。为了减小航空车辆系统的尺寸，主要挑战在于减小天线、滤波器和谐振器的尺寸和重量，而这些部件的尺寸和重量很大程度上取决于工作频率。目前已开发出微机械或微机电系统谐振器，与传统石英谐振器相比，其具有低功耗且重量更轻的特点（迪塞拉，无日期；Kim 等人，2005）。

• 传感器与执行器 ：航空车辆系统上的传感器大致可分为两类：一类是飞行控制所必需的传感器，另一类是用于获取特定任务信息的传感器。尽管三维加速度计和三维陀螺仪有助于导航航空车辆系统，但它们存在一些漂移和涡流问题，因此需要使用额外的传感器（如磁力计（Palaniappan 等人 2010））或某些补偿电路（Paparazzi项目）。用于数据采集的传感器，例如气体传感器、麦克风、摄像头、辐射生物传感器等，可为用户提供有用信息，其使用取决于具体应用需求。例如，当用户无法直接看到航空车辆系统时，摄像头对于飞行器的操控非常有用。微机电系统以及微米和纳米技术的发展，有助于提高这些传感器的效率并减小其整体尺寸。其中一个例子是气体传感器的改进，其灵敏度依赖于传感的特定表面（Ding 等人 2009）。构建具有大感测面积的纳米结构已成为可能，可用于开发传感器，在保持灵敏度不变的情况下减小尺寸，或在尺寸不变的情况下提高灵敏度。此外，材料技术的进步也有助于提升气体传感性能（Palzer 等人 2008）。

在航空车辆系统中，执行器用于飞行控制，例如飞行器转向，或用于传感器移动，例如移动摄像头，或用于构建有用的工具，例如微型夹钳以拾取样本。表6.1显示了当前使用的一些直线和旋转执行器的比较（Conn 等，2006）。根据具体应用，航空车辆系统中会使用直线执行器和旋转执行器。

可以看出，尺寸、重量和功耗要求是航空车辆系统选用零部件的主要标准。只有通过使用微机电系统及其他微米和纳米技术，才能实现更小尺寸和更轻重量并具备更优性能特性的需求。对于纳米航空飞行器而言，其要求更为严苛，挑战也随之增加。由于飞行时间受限，供电技术与电源的功耗需求成为主要挑战。尽管锂离子电池是主要的电源，但在燃料电池和超级电容器领域仍需开展大量研究，以使系统更加轻量化，满足纳米航空飞行器的需求。

6.5 结论

本章介绍了飞机中使用的基本飞行仪表，以及由于微机电系统（MEMS）在飞机传感和执行系统中的应用而带来的最新进展。基于MEMS的加速度计、陀螺仪和压力传感器目前正根据需要单独或组合使用，以实现飞机的传感、控制和导航功能。此外，还简要概述了航空车辆系统（AVS），强调了微型化的需求，并指出MEMS及其他微米和纳米技术领域的最新发展正在推动这一需求的实现。