测量飞机航向的仪表指导葛剑课件

指导教师：葛剑

测量飞机航向的仪表

主要内容

磁罗盘一陀螺半罗盘二陀螺磁罗盘三磁罗盘能够独立测量飞机航向，但稳定性差；陀螺半罗盘稳定性好，但不能独立测量飞机航向。如果把两者适当结合起来，发挥各自的优点，克服各自的缺点，就制成了一种既能独立测量航向，又具有良好稳定性和较高灵敏度的航向仪表——陀螺磁罗盘(GyroMagneticCompass)。它能够测量飞机的磁航向，也能测量转弯角度。引言陀螺磁罗盘陀螺磁罗盘：在罗盘系统中仅由磁传感器来校正航向的那部分系统。罗盘系统：由两种或两种以上不同原理的罗盘组成的系统，也称为航向系统。一.组成及分类

陀螺磁罗盘的结构形式多种多样，但从基本结构来讲，它由磁传感器、放大器、陀螺机构(又称方位陀螺)、指示器等四部分组成。磁传感器方位陀螺控制板

磁传感器是陀螺磁罗盘的地磁敏感部分。它可以测量飞机的磁航向，并输出航向信号，控制陀螺机构。磁传感器有两种，一种是磁条式，一种是感应式。磁传感器一般安装在飞机翼尖等飞机磁场较小的地方，经罗差修正后，剩余罗差不大。

放大器用来放大陀螺磁罗盘中的电信号。

陀螺机构用来稳定磁传感器测出的磁航向信号。陀螺机构相当于一个陀螺半罗盘，它受磁传感器控制，同时磁传感器又通过它输出稳定的磁航向信号使指示器指示。

指示器用来指示磁航向相转弯角度。现代飞机都采用综合指示器，不仅能指示磁航向，还可以指示无线电方位角等。几种指示器表面：甚高频全向信标VOR(VHF

Omnidirectional

Range)自动方位搜寻器ADF（AutomaticDirectionFinder）根据磁传感器的不同，陀螺磁罗盘可分为磁条式陀螺磁罗盘和感应式陀螺磁罗盘两类。根据陀螺磁罗盘工作电路的形式，可以分为电子式和机电式两种。以机电式陀螺磁罗盘为例进行讲解。二.工作原理陀螺磁罗盘原理图1.磁传感器测量磁航向的原理感应式地磁传感器的敏感元件是三相地磁感应元件，由三个彼此相距120°的扇形铁芯、三个绕在铁芯上连接成星形的测量线圈和一个共用的磁化线圈构成。地磁感应元件由万向接头安装在壳体上，靠重力保持水平，但不能在水平面内自由转动。1)软磁铁芯被地磁场磁化所产生的磁通与航向的关系设导磁系数为μ的软磁铁芯水平放置在地磁场中，由于地磁水平分量He的感应，该铁芯被磁化而具有一定的磁感应强度Be，其方向与铁芯中心线一致，大小为对于一定的铁芯来说，其截面积是不变的，若铁芯导磁系数和地磁水平分量也不变，那么铁芯中所产生的磁通就仅仅同铁芯中心线与地磁水平分量之间的夹角有关。如果我们将铁芯沿飞机纵轴方向安装在飞机上，并且测量出铁芯中的磁通，那么就可以测量出飞机的磁航向。2)地磁感应元件的测量原理地磁感应元件是利用电磁感应原理，测量软铁芯中地磁场磁通变化而产生的感应电势来表示航向。为了使地磁通交变而产生感应电势，必须使导磁系数μ发生交变。由于铁芯的导磁系数随磁场强度的变化而变化，因此只要外加一个交变磁场就可使导磁系数发生交变。若在磁化线圈中通以400Hz的交流电，磁化电流产生的交变磁通将通过铁芯的两个臂形成闭合回路。因为两臂磁通在测量线圈处大小相等、方向相反，互相抵消，所以测量线圈不产生感应电势。但是交变磁通却使铁芯的导磁系数发生了周期性的变化。由于磁场强度H与磁化电流成正比，故当磁化电流为零时，导磁系数最大；而磁化电流接近峰值时，铁芯饱和，导磁系数最小。这样，由于磁化电流周期性变化，铁芯导磁系数也产生了周期性变化，变化频率为800Hz。由于铁芯的导磁系数不断变化，通过铁芯的地磁磁通Φe也就不断变化，从而使测量线圈中产生了地磁感应电动势。铁芯中地磁通量越大，磁通的变化量也越大，感应电动势越大；反之，地磁通量越小，磁通变化量也越小，感应电动势越小。把磁传感器安装在飞机上，并且铁芯E1与飞机纵轴平行，如图所示。当飞机向北飞行时，航向ψ=0°，铁芯E1的磁通量最大，并且是铁芯E2或E3的2倍。这样，测量线圈E1的感应电势为最大值Em，并且是测量线圈E2或E3的2倍。当飞机向东飞行时，航向ψ=90°，铁芯E1磁通量为零，铁芯E2、E3均为√3/2倍最大值。这样，测量线圈E1感应电势为零，线圈E2、E3则均为√3/2Em。设三相测量线圈的地磁感应电势分别用E1、E2、E3表示，则它们与飞机航向的关系为还可用曲线表示，如图所示。由此可见，三相测量线圈产生的感应电动势与航向有关，随航向变化而变化。如果把三相测量线圈和感应式同位器接收器的定子线圈相连，根据同位器磁通传送原理，同位器接收器定子合成磁场的角位移等于发送器磁通的角位移，也就是说，接收器合成磁场相对于定子绕组转动的角度等于三相地磁感应元件相对于地磁水平分量转动的角度，即等于飞机航向的变化，如图所示。2.方位陀螺测量陀螺航向的原理图中，方位陀螺和指示器构成了一个远读式陀螺半罗盘。方位陀螺像普通半罗盘一样测量飞机转弯角度和航向(这个航向未经校正时一般称为陀螺航向)，然后传送给指示器转变成目视信号。方位陀螺的水平修正器由水平液体电门和水平马达组成。水平液体电门安装在陀螺外框上，感受自转轴是否水平，并通过水平马达使自转轴始终稳定在水平面内。方位陀螺的方位电机(从属马达)受磁传感器控制，用来校正磁航向。

方位陀螺测量的航向信号由航向随动系统传送给指示器。航向随动系统由方位陀螺的航向同步器和指示器的航向接收器、放大器A、随动电机M组成。航向同步器的转子安装在陀螺外框轴上，定子安装在表壳上。飞机航向改变时，航向同步器定子相对转子转动一个航向变化角，这个航向信号由航向同步器定子发送到指示器中航向接收器的定子，然后接收器转子线圈输出失调信号，经放大器A放大后使随动电机工作，电机一方面带动接收器转子转动，逐渐和发送器协调，同时又使刻度盘指示出飞机航向，此外，还把地磁同步接收器的转子置于相应位置。水平倾斜修正电门是沿陀螺自转轴方向安装的一个液体开关(液体摆)。当这个方向的加速度增大到一定值时，它切断水平修正电路，避免错误修正。

方位陀螺外框轴上还安装了一个自动驾驶仪同步器，它可以向自动驾驶仪输出航向稳定信号。指示器中还安装了一个航向同步器，它可以向其他设备输出航向信号。3.磁传感器控制方位陀螺指示磁航向的原理磁传感器测量的磁航向由磁校正随动系统传送到方位陀螺。磁校正随动系统由磁传感器、指示器中的磁同步接收器、放大部B和方位陀螺中的从属马达组成。磁航向传感器测量的磁航向信号，由磁同步器传送到指示器中的磁同步接收器定子线圈后，形成合成磁场。如果这时方位陀螺输出的航向等于磁航向，指示器中的随动电机正好会使磁同步接收器的转子线圈和合成磁场垂直，系统处于协调状态。如果这时方位陀螺输出的航向信号不等于磁航向，则随动电机使磁同步接收器的转子线圈和合成磁场不垂直，磁校正随动系统失调，转子线圈输出失调信号，经放大器B放大后，使从属马达工作，方位陀螺绕外框轴进动，航向随动系统失调，随动电机转动，使磁同步器转子逐渐与定子合成磁场垂直，系统逐渐协调，失调信号渐趋于零，从属马达停转，指示器中随动电机停转，指示器指示出磁航向。例如，飞机平飞时，由于陀螺自走误差，方位陀螺输出的航向不等于磁航向，指示器中随动电机使磁同步接收器转子线圈偏离垂直于定子合成磁场的位置，输出失调信号，使从属马达转动，对陀螺进行磁航向校正，直到陀螺航向等于磁航向，磁同步接收器转子重新和定子合成磁场垂直，系统恢复协调，指示器指示磁航向。飞机转弯时，磁传感器由于转弯误差等原因，误差较大，这个误差信号使系统一直处于失调状态，但是由于转弯时间很短，系统协调速度很慢(每分钟只能反映1°~4°误差值),误差被大大减小，指示器仍然能比较正确地指示出转弯角度和航向。在这个过程中，可以认为陀螺稳定了磁传感器，指示器的指示主要由方位陀螺决定。为了进一步减小转弯过程中的误差，有的陀螺磁罗盘采用转弯角速度传感器等装置，在转弯角速度增大到一定值时(如0.1°~0.3°/s)，切断磁航向校正电路，待飞机改平后重新接通。

飞机转弯过程中积累的误差，在飞机平飞时可以由随动系统自动校正(协调)。但是，由于协调速度慢，校正时间较长。此外，陀螺磁罗盘接通电源起动时，由于自转轴处于任意位置，刻度盘0°~180°连线可能偏离磁经线很远，起动时间就很长。为了加快协调速度，缩短起动时间或快速消除误差，罗盘设置了同步旋钮(或快速协调按钮)。转动同步旋钮，可以使指示器中航向接收器的定子直接转动，人为加大了指示器和方位陀螺之间的失调角，加快了协调电机的转动速度，使协调速度可以达到1200°~3000°/min,这种状态叫做快速协调。系统的协调状态，可以从同步指示器看出。当系统协调时，磁校正同步器转子没有信号输出，同步指示器处于中立状态。当系统失调时，输出误差信号，经放大器B放大后，使同步指示器“Δ“向左或向右转动。如果要快速协调，可以转动同步旋钮:若同步指示器指向”x“，则把同步旋钮转向”x“;若指向”.“，则转向”.“。综上所述，陀螺磁罗盘由磁传感器测量出飞机磁航向，经磁校正随动系统控制方位陀螺，反映磁航向，同时，由陀螺减