应变计是如何工作的?

应变计的概念在理论上相当简单，可以用应变敏感电阻来解释，应变敏感电阻是应变计工作的基本原理。一个简单的例子是一段被拉伸的电线，它会变薄并增加它的电阻。同样，如果电线被压缩，它的横截面就会变大，电阻就会减小。应变计建立在这一原理上，是一个由薄箔层形成的电阻，可以连接到结构上，以测量其下面的应变。

从胡克定律可知，应变是应力的函数，因此，如果将应变片应用到受应力作用的任何结构上，就可以用应变片测量出产生的应变。例如，应变片可以安装在机身上，在飞行过程中测量应力，或者在力传感器的情况下，应变片可以安装在一个专门设计的结构上，以更理想的方式指导应力和应变，因此可以提高精度。

为了提高应变片传感的精度，四个应变片通常连接在一起形成惠斯通电桥结构。这样做的原因是将测量从电阻转换为电压，因为测量电阻的变化非常困难，而且受到许多外部影响。桥式布置可以提高精度，减少外部因素(如温度变化)的影响。

关键因素是什么?

应变计可以直接安装在被监视的结构上，这是机体应力测试的典型情况。力和扭矩传感器往往直接安装在负载路bob官方app下载径上一个方便的点。这意味着，例如由某种驱动器产生的力，将直接通过力或扭矩传感器。bob官方app下载在任何情况下，载荷分析是至关重要的，以确保机身应用所必需的安全因素得到遵守。

需要考虑的三种负载类型是工作负荷,极限载荷和极限载荷，因为这些是主要的成本和设计驱动因素。工作负载是指预期传感器所承载的典型负载，它可以是任何单位，如牛顿、磅、牛顿-米，然后根据传感器的输出进行校准。bob官方app下载然而，如果有可能出现超出正常工作负荷的负荷增加，那么这被称为极限负荷。

这个极限负载必须由传感器承担，而不引起任何退化，当移除时，传感器必须在规定的精bob官方app下载度内恢复正常工作。例如，如果一个传感器承载着1000牛顿bob官方app下载的拉伸或压缩正常工作负载，而极限负载的典型乘法系数约为1.5，那么同样的传感器可以承受1500牛顿的负载。这带来的挑战是，传感器可能必须从相反的方向通过零返回到负1500牛顿，当力被释放bob官方app下载时，它必须返回到原始测量值，并继续在工作负载的精度规格内工作。保持所有的性能参数是至关重要的，包括反转极限负载的情况。

极限荷载下的安全系数必须在任何时候都大于或等于1.5，以确保在最坏的情况下仍能保持在安全参数范围内。这是因为极限负载，也就是传感器必须保持其完整性但不一定是其功能的负载，通常是极限负载的1.5倍，从而确保bob官方app下载安全系数在极限负载下最坏情况下温度和环境总是等于或大于1。

因此，在决定力传感器的形状和大小时，这三个参数是关键。bob官方app下载例如，当将现有的液压作动系统转换为电动作动器时，力传感器将内置在作动器的结构中，在确定传感器的物理尺寸和设计选项时，必须考虑这三个因素。bob官方app下载

其他关键因素包括精度和环境，这两个因素经常同时存在。在某个特定应用的传感器在校准实验室中证明其精度bob官方app下载为0.1%的情况下，这种性能必须在整个环境中证明，而不仅仅是在稳定的室温下才能被视为合适的解决方案。在广泛的航空航天应用环境中，必须在温度、海拔高度、湿度、结冰、振动、流体暴露和电磁效应的变化中保持精度。

这意味着力传感器的总体精度往往在1%到3%的范围内，这取决于传感器的类型，因为这种性能bob官方app下载必须在整个环境中实现。这也必须适用于整个传感器的生命周期，通常在25到30年之间，但在某些应用中40年。bob官方app下载通常，当传感器在服役时，没有办法调整或重新校准传感器，因此它必须在指定的环境中在指定的生命周期内是准确的。bob官方app下载

我们有什么证据?

具体到飞行中的应用，有许多例子表明力传感器如何取代更传统的技术，以便为航空航天工业中的各种挑战提供解决方案。bob官方app下载一个例子是在“更电动”的飞机中，用电动驱动取代了液压驱动，这有助于减轻重量和成本。这涉及到用电动执行器和各种其他类型的机电设备取代传统的液压动力执行器(使用压力传感器)，这些执行器使用力传感器代替压力传感器来提供力反馈。bob官方app下载空客A220就是一个例子，它使用了带力感应反馈的电动制动执行器系统。随着我们向全电动飞机的发展，我们看到力反馈传感器在电动执行器中的适用性显著增加，因为在全电动飞机上安装液压系统会带来相当大的负担。bob官方app下载这解释了全电动系统的趋势。

力传感器应用的另一个领域是飞行控制，如控制柱、轭或杆，传bob官方app下载统上安装了弹簧和位置传感器，以确定飞行员的输入力。由于力传感器提供了高刚度的解决方案，因此在该应用领域已经取得了相当大的进展，这反过来又允许向主动杆解决方案发展。bob官方app下载这意味着飞行员不移动操纵杆本身，而是对操纵杆施加一个力，然后由于力传感器检测到施加的力和控制系统命令执行器移动操纵杆而使操纵杆移动。bob官方app下载然后飞行控制系统允许力反馈到飞行员根据飞行阶段。例如，在低速时，操纵杆的刚度会相当低，随着空速的增加，这个刚度也会增加，这可以被编程为硬停车和软停车，这是一个非常灵活的方法，两名飞行员都知道对方在做什么，因为操纵杆是连接的。由于这是一个需要四冗余的飞行关键应用，在这种情况下将使用一个八通道力传感器。bob官方app下载

小型化的意义是什么?

传感器包的物理尺寸的显著减小是因为两个关键领域的进步，即应变计和电子。bob官方app下载基于激光修整的应变片生产技术已经得到了相当大的改进，现在可以使用某些类型的应变片，如全桥式应变片，以前由于尺寸和成本方面的困难而无法使用。然而，现在这些已经完全小型化了，这些挑战已经被克服了。

电子元件的小型化也在放大方面提出了解决方案，由于应变计提供的低电平信号，几乎总是需要将信号发送到主机。因此，电子小型化使得将电子元件与传感器结合在一起变得更加容易，并且在更小的封装中实现了双倍的功能。bob官方app下载

然而，要继续遵守前面提到的安全因素，就必须尊重物理定律。必须考虑要承载的负载，承载这些负载的传感器必须适当调整尺寸，以保持在安全参数范围内。bob官方app下载一个例子就是起落架内的车轮重量传感器，这显然是一个可以看到显著力的应用。bob官方app下载

接口是如何工作的?

接口是我们将力传感器提供的信号传输到飞机子系统的方式。bob官方app下载如前所述，典型的应变计的极低电平信号需要被放大，以便对飞机子系统有用，传统的工作方式是通过安装在机体某处的专门放大器输出。

然而，现在可以在力传感器中集成放大器，以提供子系统已经可以处理的输出格式，即现有的标准电压传感或电流传感能力。bob官方app下载无论配置如何，校准总是在构建过程中执行，并且在传感器的生命周期内固定。bob官方app下载

在某些情况下，可能需要不同配置的替代格式，但电压传感仍然是压力区域内传感器最常见的接口形式。bob官方app下载例如，在驾驶舱区域，短电缆可以从传感器连接到飞行控制系统或飞行数据记录器。bob官方app下载这样的电压输出可以是双极的，例如正负四伏，这将是需要高精度时选择的输出格式。在其他情况下，可以使用以不同电压为中心的单极格式，有可能采用更简单的配置，从而减少电线的数量和相应的重量，例如5正负4伏特，或4正负2.5伏特。

在考虑加压区以外的应用时，隔离成为确保内部系统不受任何外部影响的关键因素。这意味着安装在机身外的任何传感器通常通过bob官方app下载电流回路运行，以便于隔离。电流放大器用于调制外部回路中的电流，然后由内部子系统检测。这非常适合于较长的电缆长度，可以与两线电流回路一起使用，这减少了电线的数量。例如，一根20米长的电缆，如果只使用2根电缆，就会在重量和成本方面大大节省，减少的重量在飞机的整个寿命期内都是有益的。

将力传感器直接连接到数字数据总线(如bob官方app下载arinc429或arinc629)上并不常见，但有时会使用一种称为伪数字输出的概念，通过这种概念将电流环输出调制为数字格式，鉴于输出已经转换为二进制格式，这对下游系统来说要容易得多。例如，数字值“0”可以表示为4毫安，数字值“1”可以表示为12毫安。因此，以这种方式使用数字化是接口的另一种选择，这在简化隔离方面也有显著的好处。