Высотомер вд 10 инструкция

Назначение
и принцип действия. Двухстрелочный
высотомер ВД-10 (рис. 67) предназначен для
измерения высоты полета само­лета
относительно уровня той изобарической
поверхности, атмос­ферное давление
которой установлено на барометрической
шкале. Принцип действия высотомера
основан на измерении атмосферного
давления с поднятием на высоту с помощью
блока анероидных ко­робок.

Знание
высоты полета необходимо экипажу для
определения высоты полета над пролетаемой
местностью, для предотвращения
столкновения самолета с земной
поверхностью, для контроля за выдерживанием
высоты при ее наборе или снижении,
выдерживание заданного эшелона полета
по трассе, а также для решения некоторых
навигационных задач.

Высотомеры ВД-10
установлены на левой и средней панелях
приборной доски. Питаются высотомеры
статическим давлением от приемников
воздушного давления ПВД-7 системы питания
анероидно-мембранных приборов.

Устройство
и работа. Высотомер
ВД-10 (рис. 68) состоит из гер­метичного
корпуса, в который подается статическое
давление воз­духа, окружающего самолет.
Полость корпуса соединена при помо­щи
трубопровода с приемниками статического
давления, располо­женными между
шпангоутами № 9—10 на правом и левом
бортах. Чувствительным элементом прибора
является блок анероидных коробок,
состоящих из гофрированных мембран,
изготовленных из фосфористой бронзы.
Воздух из коробок выкачан до остаточного
давления 0,15÷0,2 мм рт. ст. У земли анероидные
коробки 18
на­ходятся
в наиболее сжатом состоянии. При этом
сила упругости мембран уравновешивает
силу атмосферного давления.

При подъеме на
высоту атмосферное давление уменьшается,
анероидные коробки расширяются и через
передающий механизм воздействуют на
стрелки высотомера, которые по шкале
показы­вают высоту полета самолета.

На
лицевой стороне прибора расположены
два подвижных тре­угольных индекса
4
и
5,
указывающие
высоту, соответствующую изменению
барометрического давления относительно
давления 760 мм рт. ст. Внешний индекс 5
указывает
высоту в метрах, а внут­ренний 4
—
в километрах. Треугольные индексы
используются для взлета и посадки
самолета на высокогорном аэродроме,
где давле­ние меньше 670 мм рт. ст.
Кремальера 24
служит
для установки стрелок прибора в нулевое
положение перед вылетом, а также для
внесения поправок на изменение
барометрического давления в месте
взлета или посадки. При вращении
кремальеры одновременно переводятся
стрелки прибора и шкала барометриче­ского
давления.

Д
ля
согласования показаний баро­метрической
шкалы с нулевым положе­нием стрелок
и положением индексов в высотомере
предусмотрена возмож­ность вращения
при помощи кремалье­ры только одной
барометрической шка­лы. Для этого
надо отвернуть контргайку на кремальере,
потянуть кремалье­ру на себя и с ее
помощью, вращая ба­рометрическую
шкалу в любую сто­рону от 670 до 790 мм
рт. ст, ввести соответствующую поправку
(эту опера­цию выполняет техник по
прибо­рам).

Шкала
25
барометрического
давле­ния от 670 до 790 мм рт. ст имеет
оцифровку через 5 мм рт. ст, цена деления
1 мм рт. ст. Шкала дает возможность вносить
поправ­ку в показания высотомера,
когда давление в месте посадки не
сов­падает с давлением у земли в момент
вылета.

Шкала
3
высот
отградуирована для узкой стрелки от 0
до 1000 м с оцифровкой через 100 м и с ценой
деления 10 м.

Для широкой стрелки
используется та же шкала от 0 до 10 000 м с
оцифровкой через 1000 м и с ценой деления
100 м.

Высотомер
работает следующим образом. У
земли апероидные коробки находятся в
наиболее сжатом состоянии и стрелки
прибора показывают нуль высоты. С
поднятием самолета на высоту атмос­ферное
давление внутри корпуса прибора
уменьшается, анероидные коробки
расширяются и через передающий механизм
свое движе­ние передают на стрелки,
которые показывают высоту полета
само­лета относительно той поверхности,
давление которой установлено на
барометрической шкале.

При снижении
самолета атмосферное давление внутри
корпуса прибора увеличивается, анероидные
коробки сжимаются и возвра­щают
стрелки на нулевую отметку шкалы.

Ошибки
высотомера ВД-10 подразделяются
на три основных вида: инструментальные,
аэродинамические и методические.

Инструментальные
ошибки высотомера возникают от неточности
изготовления прибора, его сборки и
регулировки. В про­цессе эксплуатации
прибора возникают люфты, трения,
нарушает­ся герметичность корпуса и
т. д. Все это приводит к неправильному
замеру высоты полета. Эти ошибки
определяются в лаборатории, затем
суммируются с аэродинамическими ошибками
и заносятся в таблицу эшелонов.

Аэродинамические
ошибки возникают за счет завихре­ния
и уплотнения перед приемниками
статического давления, встреч ного
потока воздуха, что приводит к искажению
статического давления. При этом давление,
воспринимаемое статическими прием­никами,
будет отличаться от статического
(атмосферного), что при­водит к ошибкам
при изменении высоты полета. Эти ошибки
опреде­ляются при испытании самолета,
затем суммируются с инструмен­тальными
ошибками и сводятся в таблицу эшелонов.

При наборе высоты
в горизонтальном полете и снижении
само­лета суммарная поправка учитывается
экипажем по таблице эшело­нов,
установленной в кабине пилотов. При
переходе на новый эше­лон полета
необходимо занять новую высоту,
соответствующую показанию высотомера
и указанную в таблице.

Методические
ошибки возникают вследствие несовпаде­ния
расчетных данных, положенных в основу
тарировки шкалы прибора, с фактическим
состоянием атмосферы. В связи с тем, что
расчет и тарировка шкалы прибора
производится согласно стан­дартным
данным, т. е. при p₀
= 760 мм рт. ст, температура t_o
=+
15° С, температурный вертикальный градиент
t_гр
= 6,5° на 1000 м высоты, а на практике таких
данных не встречается, то вы­сотомер
имеет три методические ошибки, которые
легко учитывают­ся в полете.

1.
Ошибка, возникающая за счет изменения
атмосферного дав­ления на аэродроме
вылета, по маршруту и в пункте посадки.
Учи­тывается перед взлетом—установкой
давления аэродрома вылета; перед посадкой
—установкой на барометрической шкале
высотоме­ра давления аэродрома
посадки; при определении высот —
путем учета поправки на изменение
атмосферного давления.

2. Ошибка от
изменения температуры воздуха; особенно
опасна при полетах на малых высотах и
в горных районах в холодное вре­мя
года. При температурах у земли ниже +15°
С высотомер будет завышать высоту, а
при температурах выше +15° С занижать
по­казания высоты. Методическая
температурная ошибка учитывает­ся
на линейке НЛ-10М.

3. Ошибка, возникающая
за счет изменения рельефа пролетаемой
местности. При полете над земной
поверхностью барометрические высотомеры
не учитывают рельефа пролетаемой
местности, а пока­зывают высоту
относительно уровня той изобарической
поверхности, давление которой установлено
на барометрической шкале. Следо­вательно,
чтобы избежать катастрофы при полете
над горной мест­ностью необходимо
учитывать высоту гор. Высота рельефа
пролетае­мой местности определяется
по карте. При расчете истинной высоты
поправка на рельеф алгебраически
вычитается из абсолютной вы­соты
полета, а при расчете приборной высоты
прибавляется.

Предполетный
осмотр и пользование высотомером в
полете. Пе­ред
полетом необходимо осмотреть высотомеры,
обращая внимание на целость стекла,
окраску и крепления прибора. Убедиться
в на­личии таблиц эшелонов в кассетах
командира корабля и второго пилота, а
также в совпадении номеров высотомеров,
установленных на приборной доске, с
номерами, указанными в таблице эшелонов.
При осмотре убедиться, что контргайка
кремальеры опломбирована. Кремальерой
установить стрелки прибора на

Картинка с сайта: studfile.net

Рис. 68. Кинематическая схема высотомера
ВД-10:

1 —
стрелка, показывающая высоту в километрах;
2 —
стрелка, показывающая высоту в метрах;
3 — шкала;
4, 5 —
индексы; 6, 7, 22 и
23 —
зубчатые колеса; 8
— трибка; 9—
сектор; 10—
компенсатор второго рода; 11
— вилка; 12 — ось
сектора; 13, 15 —
вилки; 14, 16 — тяги;
17 —
компенсатор 1-го рода; 18
— блок анероидных
коробок; 19 —
подвижный центр; 20 —
зубчатое колесо; 21 —
трибка; 24 —
кремаль­ера; 25 —
барометрическая шкала.

нуль высоты, и
сличить показания давления на шкалах
приборов с давлением на аэродроме,
полученным с метеостанции.

Расхождение
показаний не должно превышать более
1,5 мм рт. ст. Высотомер, имеющий расхождение,
превышающее 1,5 мм рт. ст. и с расконтренной
гайкой кремальеры подлежит снятию с
самолета. Вылет самолета с таким
высотомером не допускается. Вращая
кре­мальеру, установить давление 760
мм рт. ст. При этом подвижные индексы
должны установиться на нулевой отметке
шкалы. Допусти­мое отклонение от
нулевой отметки ± 10 м. Если подвижные
индек­сы отклонились более чем на ±
10 м, прибор необходимо заменить.

Перед
взлетом установить при помощи кремальеры
стрелки вы­сотомеров на нуль. При этом
давление аэродрома должно совпа­дать
с давлением на барометрической шкале,
а подвижные треугольные индексы должны
показывать высоту относительно давления
760 мм рт.
ст.

После взлета и
пересечения высоты перехода установить
на шка­лах высотомеров давление 760 мм
рт. ст. По давлению 760 мм рт. ст. и таблице
эшелонов набирается заданный эшелон.
Высоту заданноного эшелона выдерживать
согласно таблице, установленной в
ка­бине экипажа.

При посадке
необходимо установить давление аэродрома
при пересечении высоты эшелона перехода,
указываемого диспетчером, разрешающим
заход на посадку.

На самолетах,
вылетающих по правилам визуальных
полетов (ПВП) ниже нижнего эшелона, шкалы
давлений высотомеров уста­навливаются
на минимальное атмосферное давление
по маршруту (участку) полета, приведенному
к уровню моря, при выходе само­лета
из круга аэродрома взлета.

При посадке по
правилам ПВП ниже нижнего эшелона
необхо­димо установить давление
аэродрома посадки при входе самолета
в круг аэродрома посадки, а затем
совершать посадку.

При пользовании
высотомером перевод стрелок вручную
при по­мощи кремальеры разрешается
до отметки 5000 м с обязательным возвратом
в исходное положение их в обратном
направлении, так как из-за конструктивных
особенностей прибора перевод стрелок
на 10 000 м приводит к рассогласованию в
показаниях барометри­ческой шкалы,
стрелок и индексов.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

Высотомер барометрический ВД-10 Предназначен для определения и выдерживания высоты полета относительно уровня той изобарической поверхности, атмосферное давление которой установлено на барометрической шкале.

Основными узлами высотомера являются чувствительный элемент(анероидная коробка), передаточно-множительный механизм, индикаторная часть, механизм установки начального давления, герметический корпус.

На лицевой части прибора расположены два подвижных треугольных индекса, указывающие на шкале высот высоту, соответствующую измерению барометрического давления относительно давления на уровне моря (760 мм.рт.ст.). Показания индексов читаются также, как показания стрелок высотомера. Один индекс показывает высоту в километрах, второй — в метрах.

Шкала высот отградуирована для узкой стрелки от 0 до 1000м с оцифровкой 100 м и ценой деления 10 м. Для широкой стрелки используется та же шкала, отградуированная от 0 до 10000 м, с оцифровкой 1000 м и ценой шкалы 100 м.

Шкала барометрического давления отградуирована от 670 до 790 мм.рт.ст. Оцифровка через 5 мм.рт.ст. с ценой деления 1 мм.рт.ст. Шкала барометрического давления даёт возможность вносить поправку в показания высотомера, когда атмосферное давление в месте посадки не совпадает с атмосферным давлением у земли в момент вылета.

• Правила использования высотомера ВД-10

Перед выруливанием на старт необходимо установить при помощи кремальеры стрелки высотомера на нулевую отметку высоты. При этом атмосферное давление аэродрома должно совпадать с давлением на барометрической шкале, а подвижные индексы должны показывать высоту относительно давления 760 мм.рт.ст. Затем на предварительном старте следует убедиться, что стрелки высотомеров установлены на нуль высоты, и проверить соответствия показания шкал барометрического давления высотомеров атмосферному давлению на аэродроме вылета.

После взлёта и пересечения высоты перехода установить на барометрических шкалах высотомеров давление 760 мм.рт.ст. Выход на заданную высоту эшелона необходимо осуществлять по показанию высотомера левого пилота с использованием таблицы эшелонов. Высоту заданного эшелона следует выдерживать по давлению 760 мм.рт.ст. с учётом суммарной поправки (аэродинамической и инструментальной), указанной в таблице эшелонов.

При посадке необходимо установить давление аэродрома при пересечении высоты эшелона перехода, указываемого диспетчером.

На самолётах, летающих по ПВП ниже нижнего эшелона, барометрические шкалы высотомеров устанавливаются на минимальное атмосферное давление по маршруту (участку) полёта, приведённого к уровню моря, при выходе самолёта из круга аэродрома взлёта.

При посадке по ПВП ниже нижнего эшелона необходимо установить давление аэродрома посадки при входе самолёта в круг аэродрома посадки, а затем совершать посадку.

Если посадка совершается на высокогорном аэродроме, где атмосферное давление меньше 670 мм.рт.ст., диспетчер сообщает экипажу экипажу заходящего на посадку самолёта кроме атмосферного давления на ВПП барометрическую высоту ВПП. Эта высота определяется диспетчером по высотомеру, у которого барометрическая высота установлена 760 мм.рт.ст. Полученную высоту экипаж устанавливает на высотомерах при помощи подвижных треугольных индексов. В этом случае при касании самолёта о землю высотомеры должны показать нулевую высоту.

Барометрический метод измерения высоты предполагает, что каждой высоте соответствует своя температура, которая при подъёме на каждые 1000 метров высоты уменьшается на 6.5 градусов Цельсия. В действительности температура воздуха на любой высоте меняется в довольно широких пределах в зависимости от времени года и суток. Особенно опасна температурная ошибка при полётах на малых высотах и в горных районах в холодное время года.

Если по маршруту полёта температура воздуха у земли будет повышаться, то самолёт будет совершать полёт с набором высоты, а показания высотомера будут заниженными. И наоборот. Это требует от экипажа внимательного контроля за фактической высотой полёта, особенно при выходе самолёта из облачности. Поправка на изменение температуры воздуха с поднятием на высоту рассчитывается на НЛ-10М.
При обычных полётах на заданном эшелоне поправка к высотомеру на изменение температуры не принимается во внимание. Эта поправка принимается во внимание при расчёте истинной воздушной скорость или высоты полёта, а также при специальных полётах (аэрофотосъёмка, исследование струйных течений и др.)

См. также

• Высота полёта
• Альтиметр 2992
• ВБЭ

4 Применение датчиков давления в системах навигации ла

4.1 Высота полета и ее измерение

Любой навигационной системе, установленной на ЛА, необходимо определять свое положение относительно поверхности Земли. Применение электронного высотомера на основании датчика давления является эффективным решением данной проблемы в большом диапазоне высот.

4.1.1 Высота полета

Высотой полета принято называть расстояние до ЛА, отсчитанное по вертикали от некоторого уровня, принятого за начало отсчета. В воздухоплавании принята классификация высот полета по уровню начала отсчета (смотри рис. 4.1):

Картинка с сайта: studizba.com

Рис. 4.1. Классификация высот полета по уровню начала отсчета

Истинная высота Н_ист отсчитывается от точки земной поверхности, находящейся под самолетом;

относительная Н_отн — от условного уровня (уровня аэродрома, цели и др.);

абсолютная Н_абс — от уровня моря;                          

высота эшелона Н_эш — от условного уровня, который соответствует стандартному атмосферному давлению 760 мм рт. ст. [9].

4.1.2 Способы измерения

Высота полета измеряется барометрическим, радиотехническим, инерциальным и электростатическим методами. Основными методами являются барометрический и радиотехнический.

Рекомендуемые материалы

С помощью радиовысотомера можно определить истинную высоту полета. Высота находится по времени  прохождения радиоволнами расстояния, равного удвоенной истинной высоте полета, т.е.

где  — скорость распространения радиоволн.

Радиовысотомеры обеспечивают высокую точность измерений. Их показания практически не зависят от метеоусловий и скорости полета, однако на практике они используются только как контрольные приборы, например в системе сигнализации опасного сближения с землей, и при посадке в сложных метеорологических условиях. Это объясняется тем, что при выдерживании определенной высоты полета по радиовысотомеру траектория полета летательного аппарата повторяет профиль рельефа местности, что неудобно для экипажа и пассажиров и становится одной из причин болтанки.

Поэтому основным прибором для определения высоты полета является барометрический высотомер [10].

4.1.3 Изменение атмосферного давления с высотой

Барометрический метод измерения высоты основан на использовании закономерного изменения атмосферного давления с высотой (смотри рис. 4.2) [11]. Зависимость давления воздуха от высоты до 11000 м выражается формулой:

Решая это уравнение относительно высоты, получим:

где

— газовая постоянная (29.27 м/град).

Из формулы видно, что измеряемая высота является функцией четырех параметров: давления на высоте полета , давления и температуры на уровне начала отсчета высоты  и  и температурного градиента  [9].

Если принять параметры ,  и  постоянными, то высоту можно определить как функцию атмосферного давления и проблема вычисления высоты сводится к проблеме измерения атмосферного давления. Давление на высоте полета можно измерить непосредственно на самолете с помощью барометра (анероида).

4.2 Чувствительные элементы барометрических высотомеров. Кремниевые датчики давления

Барометрические высотомеры используются в воздухоплавании очень давно. Изначально в качестве чувствительных элементов высотомеров использовались металлические анероидные коробки, что делало приборы тяжелыми и  громоздкими. Эти приборы со стрелочным индикатором были тяжелы в настройке, имели небольшую точность и не могли учитывать влияние температуры. С появлением микросистемной техники были созданы кремниевые датчики давления, позволившие решить указанные проблемы, значительно уменьшив массу и габариты высотомеров.

Рассмотрим двухстрелочные высотомеры ВД-10, ВД-17, ВД-20. Все они построены по одинаковой схеме и отличаются друг от друга главным образом диапазоном измерения.

Основными узлами высотомера являются чувствительный элемент, передаточно-множительный механизм, индикаторная часть, механизм установки начального давления, герметический корпус. Внешний вид и кинематические схемы высотомеров ВД-17, ВД-20 показаны на рис. 4.3-4.4. В качестве чувствительного элемента в приборе применен анероидный блок, состоящий из двух коробок 1 [9].

При изменении высоты полета изменяется давление воздуха, окружающего самолет. Изменение давления через штуцер в корпусе передается во внутреннюю полость прибора, в результате чего происходит деформация коробок блока, вызывающая перемещение верхнего центра 2. Это перемещение посредством тяги 7 и шестерен передается на большую стрелку прибора 29 и при помощи шестеренчатого перебора — на малую стрелку 30.

Картинка с сайта: studizba.com

Рис. 4.4. Кинематическая схема высотомера ВД-20

1,2- блок анероидных коробок; 3 — неподвижный центр блока коробок; 4 — подвижный центр блока коробок; 5, 25 — температурные компенсаторы; 6 — тяга; 7 — промежуточный валик; 8 — зубчатый сектор; 9, 11, 14 — трибки; 10, 15, 16, 17-шестерни; 12-большая стрелка; 13 — внешняя шкала; 18 — малая стрелка; 19-кремальера; 20-шкала давлений; 21, 22 — индексы; 23 — подвижное основание; 24 — пружинный балансир оси 9, сектора 10

Большая стрелка прибора показывает по шкале высоту полета самолета в метрах. Эта стрелка делает полный оборот при изменении высоты на 1000 м. Малая стрелка прибора показывает высоту полета в километрах. Она делает один полный оборот при изменении высоты на 10000м. При помощи кремальеры 33 в прибор можно вводить поправки на изменение барометрического давления. Погрешность прибора у земли ±20 м, а на высоте 17000м±300м.

Рассмотрим основные источники погрешностей барометрических высотомеров с металлическими чувствительными элементами, сравнивая их с высотомерами на базе кремниевых кристаллов. Барометрическим высотомерам с металлическими чувствительными элементами присущи инструментальные, аэродинамические и методические ошибки [9].

Инструментальные ошибки возникают вследствие несовершенства изготовления механизма высотомера, износа деталей и изменения упругих свойств чувствительного элемента. Они определяются в лабораторных условиях. По результатам лабораторной проверки составляются таблицы, в которых указываются значения инструментальных поправок для различных высот полета. В тоже время главные преимущества кремниевых датчи­ков по сравнению с аналогичными приборами на осно­ве металлических мембран — это долговре­менная стабильность параметров. Однородный крис­талл кремния является идеальным материалом для приема усилий благодаря своей сверх эластичности, не меняющейся даже при экстремальных нагрузках. Ему не свойственно по сравнению со стальными диафраг­мами изменение формы после снятия усилия. Он либо сохраняет свою точную первоначальную геометрию, не зависимо от величины приложенного усилия, либо раз­рушается в случае предельно допустимой деформации [12].  

Аэродинамические ошибки являются результатом неточного измерения атмосферного давления на высоте полета из-за искажения воздушного потока в месте его приема, особенно при полете на больших скоростях. Эти ошибки зависят от скорости полета, типа приемника воздушного давления и места его расположения. Этот вид ошибок не зависит от типа чувствительных элементов барометрического высотомера и ликвидируется различными конструкторскими решениями.

Методические ошибки обусловлены несовпадением фактического состояния атмосферы с данными, положенными в основу расчета шкалы высотомера: давление воздуха  = 760 мм рт ст., температура  = 15° С, температурный вертикальный градиент  = 6,5° на 1000 м высоты.

Методические ошибки включают три составляющие. Первая – барометрическая ошибка. В полете барометрический высотомер измеряет высоту относительно того, уровня, давление которого установлено на шкале. Он не учитывает изменение давления по маршруту. Обычно атмосферное давление в различных точках земной поверхности в один и тот же момент неодинаковое. Поэтому истинная высота будет изменяться в зависимости от распределения атмосферного давления у Земли. При падении атмосферного давления по маршруту истинная высота будет увеличиваться, при повышении давления — уменьшаться, т. е. возникает барометрическая ошибка, обусловленная непостоянством атмосферного давления у Земли. Ошибка Н_бар учитывается следующим образом: перед вылетом — установкой стрелок высотомера на нуль; перед посадкой — установкой на высотомере давления аэродрома посадки; при расчете высот — путем учета поправки на изменение атмосферного давления. В случае кремниевых датчиков давления установка на ноль и корректировка происходит автоматически.

Причиной второй составляющей методической ошибки Н_темп является несоответствие фактического распределения температуры воздуха с высотой стандартным значениям, принятым в расчете механизма высотомера. Температурная ошибка особенно опасна при полетах на малых высотах и в горных районах в холодное время года. В практике считают, что для малых высот каждые 3° отклонения фактической температуры воздуха от стандартной вызывают ошибку, равную 1% измеряемой высоты [9]. Обычно методическая температурная поправка учитывается с помощью навигационной линейки НЛ-10М или навигационного расчетчика НРК-2. Чувствительность, смещение (выходное напряжение при нулевом давлении на ди­афрагму) и диапазон выходных напряжений микромеханических датчиков давления сильно за­висят от температуры, что привело к разработке термокомпенсированных приборов, причем термокомпенсация реализуется как приборно, так и алгоритмически. Так фирма Motorola для температурной компенсации использует напыленные вакуумным способом пленочные резисторы, которые подстраивают лазером для получения необходимых характеристик датчика давления. При этом в температурном диапазоне 0 — 80 °C погрешность измерения давления обеспечивается в пределах ±1% и ±2% в температурном диапазоне -50÷+125° С [12].  

Третья составляющая — возникает потому, что высотомер в продолжение всего полета указывает высоту не над пролетаемой местностью, а относительно уровня изобарической поверхности, атмосферное давление которого установлено на приборе. Чем разнообразнее рельеф пролетаемой местности, тем больше будут расходиться показания высотомера с истинной высотой.

Другим преимуществом кремниевых сенсоров являет­ся более высокая чувствительность. Это параметр почти в сто раз выше, чем у классичес­ких тензопреобразователей с металлической диафраг­мой, на которую напылен тензорезистивный слой. Тре­тье преимущество — более высокая точность и линей­ность характеристики преобразования «давление-напряжение». Сцепление пьезорезисторов измеритель­ного моста с кремниевой диафрагмой на молекуляр­ном уровне позволяет исключить погрешности, связан­ные с передачей деформации.

Решающим же преиму­ществами полупроводниковых датчиков является ком­пактность, невысокая стоимость (при серийном произ­водстве), высокая надежность и простота эксплуатации.

Итак, электронный высотомер  на основе микромеханических датчиков давления (смотри рис. 4.5) по сравнению с высотомерами на основе металлических чувствительных элементов имеет огромное количество преимуществ, в том числе: устойчивость к вибрации и ударам, возможность автоматической установки на ноль, возможность автоматической корректировки, прямой интерфейс с электронной системой навигации [11].

4.3 Датчики давления компании Motorola

Описанные преимущества подтолкнули множество фирм на производство полупроводниковых датчиков: Motorola, Honeywell, Intersema… Датчики отличаются миниатюрными габаритами и малым весом, что чрезвычайно важно при применении в бортовых системах навигации летательных аппаратов.

4.3.1 Классификация датчиков

4.3.1.1 Классификация датчиков по степени интеграции

Рассмотрим подробнее виды, устройство и принцип функционирования датчиков давления на примере продукции компании Motorola. Датчики давления Motorola классифицируются по нескольким признакам. Первым из них является степень интеграции (сложность, функциональный состав).

Со­гласно этой классификации приборы подразделяются на три группы: некомпенсированные датчики, термокомпенсированные и калиброванные датчики, интег­рированные датчики [12].

Так датчики давления серии MPX поставляются как в виде базовых элементов без компенсации, базовых элементов с температурной компенсацией и калибровкой, и со схемой полной нормализации (интег­рированные) выходного сигнала (семейство MPX5000), размещенной на этом же кристалле. С тем, чтобы облегчить жизнь разработчикам систем, в которых используются датчики давления, фирма Motorola увеличила уровень интеграции датчиков — кроме встроенной температурной компенсации и калибровки, реализованных в датчиках предшествовавшей серии (серии MPX20000), в серии MPX5000 на кристалле датчика реализован усилитель нормализации сигнала, что позволяет реализовать прямой интерфейс датчика с аналого-цифровым преобразователем микропроцессора.

Некомпенсированные — самый простой тип датчи­ков. Эти базовые приборы представляют собой только корпусированный четырехвыводной чувствительный элемент (смотри рис. 4.6). Чувствительность, смещение (выходное напряжение при нулевом давлении на ди­афрагму) и диапазон выходных напряжений сильно за­висят от температуры. Кроме того, эти параметры име­ют технологический разброс от образца к образцу. Простота и низкая стоимость некомпенсированных датчиков приводят к тому, что на плечи разработчиков ложится обеспечение целого ряда функций, обеспечивающих стандартный и стабильный выходной сигнал в широком диапазоне температур, которые уже заложены в более сложных датчиках. От разработчика требуется достаточный опыт как в применении согласующих операционных усилителей, так в разработке программного обеспечения для мик­роконтроллеров [12].

Термокомпенсированные и калиброванные датчи­ки существенно упрощают задачу разработчику (смотри рис. 4.7). Эти приборы включают, кроме чувствительных элементов, встроен­ные в кристалл тонкопленочные резисторы и термисторы, калиброванные с помощью лазерной под­гонки, с тем, чтобы обеспечить относительно стабиль­ный выходной сигнал.   Такие параметры,   как смещение и диапазон, калиб­руются при изготовлении.

Опр. Калибровка измерительных приборов заключается в установлении зависимости между показаниями прибора и размером измеряемой (входной) величины. Под калибровкой часто понимают процесс подстройки показаний выходной величины или индикации измерительного инструмента до достижения согласования между эталонной величиной на входе и результатом на выходе (с учётом оговоренной точности). Например, калибровкой медицинского термометра, показывающего в ванне с температурой 36,6С результат на дисплее 36,3С, будет добавление 0,3С. При этом неважно, будет ли эта величина внесена в память прибора или написана на приклеенной к термометру бумаге.

До предела упростить схе­мотехнику проектируемого при­бора позволяют интегрирован­ные датчики (смотри рис. 4.8). Эти датчики до­полнительно содержат схему усилителя для увеличения вы­ходного сигнала до стандарт­ной величины в 4.5В. Это по­зволяет подключить датчик на­прямую ко входу АЦП микро­контроллера цифрового высото­мера.

Опишем один из вариантов организации цифрового высото­мера. Одна из типовых схем построения цифрового высото­мера представлена на рис. 4.9. В основе устройства лежат: датчик МРХ4115А фирмы Motorola, дат­чик температуры ТМР36 фирмы Analog Devices, 8-бит микрокон­троллер АТМеда 16 фирмы Atmel и ЦАП DAC7513N фирмы Texas Instruments. МРХ4115А — это датчик абсолютного давления с диапазоном измерения от 15 до 115 кПа. Датчик имеет внутрен­нюю схему усиление и выходной сигнал от 0,2 до 4,8 В. Использование датчика со встроенной схемой усиления позво­ляет избежать проблем с температур­ной компенсацией, уменьшить габариты устройства и упростить разработку. Для простоты конструкции и уменьшения сто­имости изделия оцифровка выходного сигнала датчика осуществляется с по­мощью встроенного в микроконтроллер 10-разрядного АЦП. Встро­енное АЦП является дифференциальным и имеет три уровня программируемого коэффициента усиления. В навигационных системах требование к точности измерения высоты различно, в зависимости от высоты над поверхно­стью Земли. Так, вблизи поверхности Зем­ли требуется как можно большая точ­ность, а на значительной высоте это требование ослабевает. Наличие у АЦП программируемого коэффициен­та усиления и дифференциального вхо­да позволяет осуществлять измерение с различной точностью на разных высо­тах [11].

Картинка с сайта: studizba.com

Рис. 4.9. Схема цифрового высотомера

4.3.1.2 Классификация датчиков по типу измеряемого давления

Вторым классификационным признаком является тип измеряемого давления. Датчик всегда измеряет разницу между двумя давления­ми, при этом одно из которых, как правило, является опорным, а другое, измеряемое, под­водится при помо­щи порта. Оно подается обычно с внешней стороны диафрагмы датчика давления со стороны чувствительного элемента (смотри рис. 4.10). В зависимости от давления с обратной (внутренней) стороны диафрагмы датчики подразделяются на дифференциальные, относительные и абсолютные.

Дифференциальные типы датчи­ков используются, когда необходимо измерить разницу между двумя дав­лениями. Дифференциальное давление, такое как падение давления в регуляторе тяги или на фильтре в воздушном канале, измеряется подачей давления с противоположных сторон чувствительного элемента датчика. Относительный датчик — это разновидность дифференциаль­ного, с той лишь разницей, что его внутренняя сторона диафрагмы от­крыта в атмосферу, то есть в качестве опорного давления служит атмосферное давление.

В абсолютном датчике открыта только одна сторо­на. На обратной стороне, внутри кри­сталла создается откачанный ваку­умный промежуток, давление в ко­тором является опорным.

Первым вопросом при проектировании высотомера становится выбор типа датчика измерения давления. При максимальной высоте, на которой действует формула (11000 м), атмосферное давление составит около 23.5 кПа (176.25 мм рт. ст.), на глубине же в 1000 м оно составит около 112 кПа (840 мм рт. ст.), при атмосферном давлении на нулевом уровне — равном 100 кПа (750 мм рт. ст.).

Разрешающая способность полупроводниковых датчиков давления не отмечена в спецификациях фирм-производителей (Motorola, Honeywell). Считается, что ограничение на разрешающую способность накладывается только электроникой. Рассмотрим возможность применения датчиков дифференциального давления для измерения высоты.

На рис. 3 приведена измерительная схема на основе датчика дифференциального давления. В одном из входов датчика создается опорное давление, относительно которого будут производиться измерения. Такое устройство позволяет производить механическую регулировку нуля и учитывать только необходимый диапазон измерения. Но существует недостаток, из-за которого применение такой схемы в бортовых системах становится невозможным. Опорное давление в замкнутом объеме трубки и входе датчика очень сильно изменяется с температурой. Изменение эти настолько сильные и быстрые, что полезная зависимость изменения давления становится неразличимой. Правильным является использование датчиков абсолютного давления (смотри рис. 4.10). В таких датчиках в качестве опорного давления используется нулевое давление или вакуум, а его свойства не изменяются с температурой.

4.3.1.2 Классификация датчиков по конструкции корпуса, тенденции развития датчиков Motorola

Датчики также классифицируют­ся и по конструктивному исполнению. Большинство датчиков изготавливаются в базовом кор­пусе (рис. 4.12). Этот корпус не имеет крепежных деталей, и, если разработчик хочет закрепить его на плате или шасси, то он должен либо самостоятельно изготовить предохранительный кор­пус с элементами меха­нического крепления датчика и трубок (портов подвода среды, в которой измеряется давление), либо использовать датчи­ки, упакованные уже в стандартные предохрани­тельные корпуса с одним или двумя портами под­вода давления (смотри рис. 4.11).

Картинка с сайта: studizba.com

Рис. 4.11. Многообразие корпусов для датчиков давления

Эти порты предназначе­ны для присоединения трубок с внешним диа­метром 1/8 дюйма, нако­нечники  выполнены  из высокотемпературного пластика, который выдержива­ет температуру в пределах -50…+150°С. Датчики дав­ления серии МРХ предназначены для установки на пе­чатную плату (стандартный шаг между выводами 2.54мм) или для присоединения к разъему. Наряду с базовыми типами корпусов Motorola выпускает датчики в миниатюрных корпусах для SMD монтажа (SOP, SSOP, MPAK, MEDICAL CHIP PAK) 2,54 и 1,27мм.

Что касается развития производственной линейки датчиков давления, то у Motorola прослеживается тен­денция в дальнейшей миниатюризации. Совсем недавно появилось новое семейство сверх-малопотребляющих миниатюрных датчиков серии MPXY8020, которые имеют цифровой 8-битный выход и объединяют в себе функции измерения давления и температуры. Для распределенных систем сбора данных, автомобильной техники, робототехники, медицины и других областей Motorola анонсировала (в самое бли­жайшее время будут доступны инженерные образцы) уникальные датчики, с возможностью объединения в сеть по радиоканалу с поддержкой технологии ZigBee. ZigBee это очень гибкая технология беспроводной свя­зи (диапазон рабочих частот 2.4ГГц), базирующаяся на недавно принятом стандарте (протоколе) передачи данных IEEE   802.15.4.

4.3.2 Устройство и принцип работы датчика давления

4.3.2.1 Базовый корпус, кристалл

Рассмотрим подробнее устройство и принцип работы датчиков давления. Кремниевые датчики  давления фирмы Motorola изготавливают двух видов: дифференциальные и абсолютные. Базовые корпуса датчиков абсолютного и дифференциального давлений идентичны (смотри рис. 4.12).

Картинка с сайта: studizba.com

Рис. 4.12. Поперечные сечения базовых корпусов датчика абсолютного давления и дифференциального/относительного давления

Рассмотрим устройство базового корпуса подробнее (смотри рис. 4.13).

Картинка с сайта: studizba.com

Рис. 4.13. Поперечные сечения базового корпуса датчика дифференциального давления

Основным элементом датчика давления является кристалл, на котором расположена кремниевая диафрагма с чувствительным элементом — имплантированной тензорезистивной цепочкой — X-ducer. Разница между кристаллами датчиков дифференциального и абсолютного давления заключается в том, что у последнего нет отверстия в нижней — герметизирующей кремниевой пластине и полость, сформированная углублением, вытравленным в верхней пластине, и нижней пластиной содержит вакуум – опорное давление (смотри рис. 4.14). Кремниевый гель изолирует поверхность кристалла и соединительные проводники от повреждения твердыми частицами, которые могут оказаться в среде, передающей давление на диафрагму,

Картинка с сайта: studizba.com

Рис. 4.14. Кристалл датчика абсолютного давления

Кристалл датчика давления серии МРХ расположен на кремниевом кристаллодержателе, который приклеен к корпусу датчика. Внутренняя полость заполнена кремнийорганической жидкостью — компаундом. Пластмассовый корпус закрыт крышкой из нержавеющей стали. В корпус впресованы внешние выводы, которые с помощью золотых проволочек соединяются с рамкой выводов 1-4 кристалла датчика давления.

4.3.2.2 Чувствительный элемент датчика X-ducer

4.3.2.2.1 Конструкция и физическая основа функционирования

Функционирование чувствительного элемента микромеханического датчика давления основывается на тензорезистивном эффекте.

Определение: Тензорезистивный эффект — изменение удельного электросопротивления твёрдого проводника (металла, полупроводника) в результате его деформации. Величина относительного изменения компонент тензора электросопротивления  связана с тензором деформации  через тензор четвёртого ранга : .

Определение: На практике пользуются понятием тензочувствительности , где — относительное изменение длины  образца под действием приложенной нагрузки в определённом направлении, — относительное изменение удельного электросопротивления вдоль этого направления. В металлах  порядка единицы, в полупроводниках (например, в Ge и Si) в десятки и сотни раз больше.

Тензорезистивный эффект связан с изменением межатомных расстояний при деформации, что влечёт за собой изменение структуры энергетических зон кристалла. Последнее обусловливает изменение концентрации носителей тока (электронов проводимости, дырок), их эффективной массы, перераспределение их между энергетическими максимумами в зоне проводимости и минимумами в валентной зоне. Кроме того, деформация влияет на процессы рассеяния носителей (появление новых дефектов, изменение фононного спектра). Тензорезистивный эффект применяется в тензодатчиках сопротивлений, служащих для измерения деформаций.

Почти все фирмы, производя­щие датчики давления строят первичный пре­образователь «давление-напряжение» по традицион­ной схеме моста Уинстона, имеющей несколько недо­статков:

• схема   имеет 4 подбираемых резистора;
• необходима их подстройка ucer;
• необходимы сложные схемы температурной компенсации.

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. 4.15), 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.

4.3.2.2.2 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. 4.15). Выходной сигнал изменяется пропорционально прилагаемому давлению.

Картинка с сайта: studizba.com	Выводы: 1. GROUND(Земля) 2. +Vout 3.Vs 4.-Vout
Рис. 4.15. 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.

4.3.3 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:

1. 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.