航空儀表

航空儀表是為飛行人員提供有關飛行器及其分系統信息的設備。

基本介紹

• 中文名：航空儀表
• 性質：提供有關飛行器及其分系統信息
• 分類：飛行儀表、導航儀表、發動機儀表
• 發展趨勢：採用先進的電子顯示技術

介紹

為飛行人員提供有關飛行器及其分系統信息的設備。飛行器儀表與各種控制器一起形成人－機接口，使飛行人員能按飛行計畫操縱飛行器。儀表提供的信息既是飛行人員操縱飛行器的依據，同時又反映出飛行器被操縱的結果。

簡史

飛行器儀表的發展與飛行器的發展密切相關。早期飛機上沒有專門設計的儀表。萊特兄弟首次飛行時，飛機上只有一塊秒表、一個風速計和一個轉速表。早期裝在飛機上的還有其他一些地面用的簡陋儀表，如指示高度用的真空膜盒式氣壓計、指示航向用的磁羅盤、指示飛機姿態用的氣泡式水平儀。1909年，法國飛行員L.布萊里奧第一次駕機飛越英吉利海峽時，機上仍沒有任何專門的飛機儀表。那時人們主要靠肉眼觀察，在能見度許可的情況下飛行。第一次世界大戰期間飛機儀表有了較大的發展。1916年英國皇家空軍的S.E. 5型飛機的儀錶板上已裝有3種較為可靠的飛行儀表及4種發動機儀表。1927年，美國飛行員C.A.林白駕機飛越大西洋，除上述主要儀表外，他的飛機還裝備了羅盤、傾側和俯仰角指示器、轉彎傾斜儀和時鐘。1929年9月，美國飛機駕駛員J.H.杜立特憑藉儀表和無線電導航設備安全完成首次盲目飛行，即儀表飛行，開創了儀表發展的新階段。從30年代開始，一些國家相繼規定飛機上必須配備能完成盲目飛行的一定數量的基本儀表，其中包括空速表、高度表、陀螺地平儀、航向陀螺儀、升降速度表和轉彎傾斜儀。隨著大型、多發動機、高速飛機的機載系統逐漸增多，儀表需求量也日益增長。30～50年代，飛機儀表有了很大的發展，出現了遠讀儀表、伺服儀表等新式儀表。這一時期最重大的進展是出現了各種機電型綜合儀表，最有代表性的是指引地平儀、航道羅盤、大氣數據計算機。60～70年代電子技術、尤其是包括微處理機在內的微電子技術的發展以及彩色陰極射線管和其他新型電光元件(液晶顯示器、發光二極體等)的相繼問世，為儀表數位化、小型化、綜合化和智慧型化提供了條件。數字式大氣數據計算機、捷聯式慣性導航系統等帶微型計算機的數字測量系統和以平視顯示器為代表的電子綜合顯示儀的出現，標誌著飛行器儀表進入一個新的發展階段。

材料

用作分立式航空儀表的電子顯示器件有：半導體發光二極體、液晶顯示器、等離子顯示器、場致發光顯示器等幾種。半導體發光二極體具有亮度高、壽命長、能與TTL積體電路相容等優點，但發光效率低、功耗較大。液晶顯示器是一種被動發光器件，需要外界（包括自然環境）照明才能顯示字元, 但它具有對比度好、功耗低、能與MOS 積體電路相容等優點。這兩種顯示元件均已成功地套用於電子式航空儀表中。綜合電子顯示器目前主要採用單色或彩色陰極射線管。陰極射線管作顯示器具有可顯示的信息量大、通用性好、能實現有亮度變化的多層次顯示和彩色顯示等優點, 它的缺點是要求控制功率大、有高壓電源等。此外， 由液晶、等離子、半導體發光二極體等發光元排列成的矩陣發光屏以及雷射全息成像技術在航空電子顯示儀表中的套用也正在研究之中。

分類

飛行器儀表分為飛行儀表、導航儀表、發動機儀表和系統狀態儀表4大類。

飛行儀表

指示飛行器在飛行中的運動參數（包括線運動和角運動）的儀表，駕駛員憑藉這類儀表能夠正確地駕駛飛機。這類儀表主要有：利用大氣特性的各種氣壓式儀表、利用陀螺特性的各種陀螺儀表和利用物體慣性的加速度（過載）儀表等。

導航儀表

用於顯示飛行器相對於地球或其他天體的位置，為飛行員或飛行控制系統提供使飛行器按規定航線飛向預定目標所需要的信息。定位和定向是導航中的兩大問題。導航儀表包括導航時鐘、各種航向儀表和各類導航系統。導航系統按工作原理分為：航位推算導航系統、無線電導航系統、天文導航系統、衛星導航系統，以及它們有機結合、互相校正的組合導航系統（見飛機導航系統）。航位推算導航系統按原始信息的性質又分為：利用真實空速推算的自動領航儀、利用地速推算的都卜勒導航系統和利用加速度推算的慣性導航系統。

發動機儀表

用於檢查和指示發動機工作狀態的儀表。按被測參數區分，主要有轉速表、壓力表、溫度表和流量表等。現代發動機儀表還包括振動監控系統，用於指示發動機的結構不平衡性和預告潛在的故障。燃油是直接供發動機使用的，故指示燃油油量的油量表通常也歸屬於發動機儀表。

組成原理 　按照組成原理，飛行器儀表可分為直讀儀表、遠讀儀表、伺服儀表和綜合儀表。

直讀儀表

很多早期的儀表都屬此類，如氣壓式高度表、空速表、升降速度表、磁羅盤、航向陀螺儀等。直讀儀表通常由敏感元件(直接感受被測物理量的元件)、放大傳動機構和指示裝置組成，如氣壓式儀表等。有的直讀儀表則直接由敏感元件來帶動指示裝置，如磁羅盤和航向陀螺儀。這類儀表簡單、可靠，不僅仍大量用於一些低空飛行的輕型飛機上，而且幾乎在所有飛機上都還用它們作為應急儀表。

遠讀儀表

通常由感測器和指示器兩部分組成。感測器遠離儀錶板，指示器則在儀錶板上。大多數發動機儀表均屬此類，如發動機排氣溫度表用熱電偶式感溫頭作為感測器，用毫伏表作為指示器。還有一些儀表利用遠距同步傳輸系統來實現遠讀的功能。

伺服儀表

利用伺服系統原理構成的儀表，也稱閉環儀表。採用伺服機構能減小摩擦力矩對敏感元件的影響，進行力矩放大，提高儀表測量和指示精度，輸出多路信號供各系統使用。伺服儀表也具有遠讀的特點。

綜合儀表

也稱為組合儀表。儀表的綜合化有兩條平行的途徑：一為感測器綜合化，二為顯示器綜合化。

感測器綜合化又分為兩種方式。一種方式是把原理不同而功用類似的幾個感測器組合在一起，以達到互相校正和提高儀表性能的目的。由磁羅盤和航向陀螺儀組成的陀螺磁羅盤是這種綜合方式的典型例子。另一種方式是把少量公用的原始信息感測器集中起來，通過計算機計算，輸出為數眾多的不同的信號。這方面的典型實例是大氣數據計算機。這種感測器綜合化方式的優點是大大減少了設備的重複性，減小了體積和重量，又能採用較完善的測量原理，進行多種誤差補償而提高了參數測量精度。

顯示器綜合化是把有關的參數集中在一個顯示器內顯示，這樣做不僅能有效地減少儀表數量、減輕儀錶板的擁擠程度、減輕飛行員的目視負擔，而且還能得到用單一參數指示器所不能得到的有用信息。早期的組合式高度表、組合式航向儀表，後來的機電型指引地平儀、航道羅盤以及現代的電子綜合顯示儀都是顯示綜合化的實例。

發展

航空儀表的第一代是機械式儀表與簡單電氣式儀表，大約有四十年之久。雖然從儀表結構設計、工藝與材料等各方面曾作過許多改進與提高， 但仍擺脫不了摩擦、遲滯等因素所造成的誤差大，抗震穩定性差等缺點。要想再進一步補償某些原理誤差， 結構上也受到了限制。到五十年代前後， 航空儀表發展到第二代、即出現了各種伺服式航空儀表及感測器， 如伺服式高度表、伺服式真空速感測器、伺服式馬赫數感測器等等。伺服式儀表的出現，大大地豐富了航空儀表的設計內容有效地克服了第一代儀表中所存在的嚴重缺陷，輸出信號的能力更是大大地提高了。航空儀表的第三代標誌是綜合化，一些參數互有聯繫的儀表或感測器,相互統一而成為一個完整的系統，但仍屬於機電模擬式的儀表。屬於這一代的典型產品是各種機電模擬的大氣數據中心儀、組合式自動領航儀等。到了六十年代的中後期， 在先進的電子技術支援下， 航空儀表技術跨入了電子化、數位化的新階段— 第四代， 出現了用積體電路和其它電子器件組成的電子式分立參數航空儀表、數字式大氣數據中心儀以及採用數位技術的平視儀等。特別應當指出的是，近幾年來受到人們極大重視的微型計算機，正在推動著航空儀表系統向著更加智慧型化的方向發展， 以適應在更複雜的環境條件下完成更準確、更可靠的測量與監控任務。

採用先進的電子顯示技術，是航空儀表的必然發展趨向。隨著原始參數感測器和信號轉換與數據處理裝置的電子化、數位化後，舊式機械傳動的圓形錶盤、垂直刻度以及機械計數器等顯示方法已經完全不相適應了，必須採用與電子電路相容的電子顯示器件， 以顯示出數字或者更形象的符號、刻度標尺、曲線以至逼真的圖象等。

80年代的航空儀表的特點是利用先進的數字電子技術，進一步向高度綜合化和智慧型化方向發展，並以微型計算機和多路傳輸數據匯流排為紐帶，把感測器、顯示器、控制器與飛行控制系統、發動機控制系統、火力控制系統等有機地交聯在一起，以實現飛行器各系統之間的高度綜合化。採用完善的自檢和故障監控、故障告警手段，提高信息測量的精度和可靠性。