指導教師：葛劍

測量飛機航向的儀表

主要內容

磁羅盤一陀螺半羅盤二陀螺磁羅盤三磁羅盤能夠獨立測量飛機航向，但穩定性差；陀螺半羅盤穩定性好，但不能獨立測量飛機航向。如果把兩者適當結合起來，發揮各自的優點，克服各自的缺點，就制成了一種既能獨立測量航向，又具有良好穩定性和較高靈敏度的航向儀表——陀螺磁羅盤(GyroMagneticCompass)。它能夠測量飛機的磁航向，也能測量轉彎角度。引言陀螺磁羅盤陀螺磁羅盤：在羅盤系統中僅由磁傳感器來校正航向的那部分系統。羅盤系統：由兩種或兩種以上不同原理的羅盤組成的系統，也稱為航向系統。一.組成及分類

陀螺磁羅盤的結構形式多種多樣，但從基本結構來講，它由磁傳感器、放大器、陀螺機構(又稱方位陀螺)、指示器等四部分組成。磁傳感器方位陀螺控制板

磁傳感器是陀螺磁羅盤的地磁敏感部分。它可以測量飛機的磁航向，并輸出航向信號，控制陀螺機構。磁傳感器有兩種，一種是磁條式，一種是感應式。磁傳感器一般安裝在飛機翼尖等飛機磁場較小的地方，經羅差修正后，剩余羅差不大。

放大器用來放大陀螺磁羅盤中的電信號。

陀螺機構用來穩定磁傳感器測出的磁航向信號。陀螺機構相當于一個陀螺半羅盤，它受磁傳感器控制，同時磁傳感器又通過它輸出穩定的磁航向信號使指示器指示。

指示器用來指示磁航向相轉彎角度。現代飛機都采用綜合指示器，不僅能指示磁航向，還可以指示無線電方位角等。幾種指示器表面：甚高頻全向信標VOR(VHF

Omnidirectional

Range)自動方位搜尋器ADF（AutomaticDirectionFinder）根據磁傳感器的不同，陀螺磁羅盤可分為磁條式陀螺磁羅盤和感應式陀螺磁羅盤兩類。根據陀螺磁羅盤工作電路的形式，可以分為電子式和機電式兩種。以機電式陀螺磁羅盤為例進行講解。二.工作原理陀螺磁羅盤原理圖1.磁傳感器測量磁航向的原理感應式地磁傳感器的敏感元件是三相地磁感應元件，由三個彼此相距120°的扇形鐵芯、三個繞在鐵芯上連接成星形的測量線圈和一個共用的磁化線圈構成。地磁感應元件由萬向接頭安裝在殼體上，靠重力保持水平，但不能在水平面內自由轉動。1)軟磁鐵芯被地磁場磁化所產生的磁通與航向的關系設導磁系數為μ的軟磁鐵芯水平放置在地磁場中，由于地磁水平分量He的感應，該鐵芯被磁化而具有一定的磁感應強度Be，其方向與鐵芯中心線一致，大小為對于一定的鐵芯來說，其截面積是不變的，若鐵芯導磁系數和地磁水平分量也不變，那么鐵芯中所產生的磁通就僅僅同鐵芯中心線與地磁水平分量之間的夾角有關。如果我們將鐵芯沿飛機縱軸方向安裝在飛機上，并且測量出鐵芯中的磁通，那么就可以測量出飛機的磁航向。2)地磁感應元件的測量原理地磁感應元件是利用電磁感應原理，測量軟鐵芯中地磁場磁通變化而產生的感應電勢來表示航向。為了使地磁通交變而產生感應電勢，必須使導磁系數μ發生交變。由于鐵芯的導磁系數隨磁場強度的變化而變化，因此只要外加一個交變磁場就可使導磁系數發生交變。若在磁化線圈中通以400Hz的交流電，磁化電流產生的交變磁通將通過鐵芯的兩個臂形成閉合回路。因為兩臂磁通在測量線圈處大小相等、方向相反，互相抵消，所以測量線圈不產生感應電勢。但是交變磁通卻使鐵芯的導磁系數發生了周期性的變化。由于磁場強度H與磁化電流成正比，故當磁化電流為零時，導磁系數最大；而磁化電流接近峰值時，鐵芯飽和，導磁系數最小。這樣，由于磁化電流周期性變化，鐵芯導磁系數也產生了周期性變化，變化頻率為800Hz。由于鐵芯的導磁系數不斷變化，通過鐵芯的地磁磁通Φe也就不斷變化，從而使測量線圈中產生了地磁感應電動勢。鐵芯中地磁通量越大，磁通的變化量也越大，感應電動勢越大；反之，地磁通量越小，磁通變化量也越小，感應電動勢越小。把磁傳感器安裝在飛機上，并且鐵芯E1與飛機縱軸平行，如圖所示。當飛機向北飛行時，航向ψ=0°，鐵芯E1的磁通量最大，并且是鐵芯E2或E3的2倍。這樣，測量線圈E1的感應電勢為最大值Em，并且是測量線圈E2或E3的2倍。當飛機向東飛行時，航向ψ=90°，鐵芯E1磁通量為零，鐵芯E2、E3均為√3/2倍最大值。這樣，測量線圈E1感應電勢為零，線圈E2、E3則均為√3/2Em。設三相測量線圈的地磁感應電勢分別用E1、E2、E3表示，則它們與飛機航向的關系為還可用曲線表示，如圖所示。由此可見，三相測量線圈產生的感應電動勢與航向有關，隨航向變化而變化。如果把三相測量線圈和感應式同位器接收器的定子線圈相連，根據同位器磁通傳送原理，同位器接收器定子合成磁場的角位移等于發送器磁通的角位移，也就是說，接收器合成磁場相對于定子繞組轉動的角度等于三相地磁感應元件相對于地磁水平分量轉動的角度，即等于飛機航向的變化，如圖所示。2.方位陀螺測量陀螺航向的原理圖中，方位陀螺和指示器構成了一個遠讀式陀螺半羅盤。方位陀螺像普通半羅盤一樣測量飛機轉彎角度和航向(這個航向未經校正時一般稱為陀螺航向)，然后傳送給指示器轉變成目視信號。方位陀螺的水平修正器由水平液體電門和水平馬達組成。水平液體電門安裝在陀螺外框上，感受自轉軸是否水平，并通過水平馬達使自轉軸始終穩定在水平面內。方位陀螺的方位電機(從屬馬達)受磁傳感器控制，用來校正磁航向。

方位陀螺測量的航向信號由航向隨動系統傳送給指示器。航向隨動系統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、隨動電機M組成。航向同步器的轉子安裝在陀螺外框軸上，定子安裝在表殼上。飛機航向改變時，航向同步器定子相對轉子轉動一個航向變化角，這個航向信號由航向同步器定子發送到指示器中航向接收器的定子，然后接收器轉子線圈輸出失調信號，經放大器A放大后使隨動電機工作，電機一方面帶動接收器轉子轉動，逐漸和發送器協調，同時又使刻度盤指示出飛機航向，此外，還把地磁同步接收器的轉子置于相應位置。水平傾斜修正電門是沿陀螺自轉軸方向安裝的一個液體開關(液體擺)。當這個方向的加速度增大到一定值時，它切斷水平修正電路，避免錯誤修正。

方位陀螺外框軸上還安裝了一個自動駕駛儀同步器，它可以向自動駕駛儀輸出航向穩定信號。指示器中還安裝了一個航向同步器，它可以向其他設備輸出航向信號。3.磁傳感器控制方位陀螺指示磁航向的原理磁傳感器測量的磁航向由磁校正隨動系統傳送到方位陀螺。磁校正隨動系統由磁傳感器、指示器中的磁同步接收器、放大部B和方位陀螺中的從屬馬達組成。磁航向傳感器測量的磁航向信號，由磁同步器傳送到指示器中的磁同步接收器定子線圈后，形成合成磁場。如果這時方位陀螺輸出的航向等于磁航向，指示器中的隨動電機正好會使磁同步接收器的轉子線圈和合成磁場垂直，系統處于協調狀態。如果這時方位陀螺輸出的航向信號不等于磁航向，則隨動電機使磁同步接收器的轉子線圈和合成磁場不垂直，磁校正隨動系統失調，轉子線圈輸出失調信號，經放大器B放大后，使從屬馬達工作，方位陀螺繞外框軸進動，航向隨動系統失調，隨動電機轉動，使磁同步器轉子逐漸與定子合成磁場垂直，系統逐漸協調，失調信號漸趨于零，從屬馬達停轉，指示器中隨動電機停轉，指示器指示出磁航向。例如，飛機平飛時，由于陀螺自走誤差，方位陀螺輸出的航向不等于磁航向，指示器中隨動電機使磁同步接收器轉子線圈偏離垂直于定子合成磁場的位置，輸出失調信號，使從屬馬達轉動，對陀螺進行磁航向校正，直到陀螺航向等于磁航向，磁同步接收器轉子重新和定子合成磁場垂直，系統恢復協調，指示器指示磁航向。飛機轉彎時，磁傳感器由于轉彎誤差等原因，誤差較大，這個誤差信號使系統一直處于失調狀態，但是由于轉彎時間很短，系統協調速度很慢(每分鐘只能反映1°~4°誤差值),誤差被大大減小，指示器仍然能比較正確地指示出轉彎角度和航向。在這個過程中，可以認為陀螺穩定了磁傳感器，指示器的指示主要由方位陀螺決定。為了進一步減小轉彎過程中的誤差，有的陀螺磁羅盤采用轉彎角速度傳感器等裝置，在轉彎角速度增大到一定值時(如0.1°~0.3°/s)，切斷磁航向校正電路，待飛機改平后重新接通。

飛機轉彎過程中積累的誤差，在飛機平飛時可以由隨動系統自動校正(協調)。但是，由于協調速度慢，校正時間較長。此外，陀螺磁羅盤接通電源起動時，由于自轉軸處于任意位置，刻度盤0°~180°連線可能偏離磁經線很遠，起動時間就很長。為了加快協調速度，縮短起動時間或快速消除誤差，羅盤設置了同步旋鈕(或快速協調按鈕)。轉動同步旋鈕，可以使指示器中航向接收器的定子直接轉動，人為加大了指示器和方位陀螺之間的失調角，加快了協調電機的轉動速度，使協調速度可以達到1200°~3000°/min,這種狀態叫做快速協調。系統的協調狀態，可以從同步指示器看出。當系統協調時，磁校正同步器轉子沒有信號輸出，同步指示器處于中立狀態。當系統失調時，輸出誤差信號，經放大器B放大后，使同步指示器“Δ“向左或向右轉動。如果要快速協調，可以轉動同步旋鈕:若同步指示器指向”x“，則把同步旋鈕轉向”x“;若指向”.“，則轉向”.“。綜上所述，陀螺磁羅盤由磁傳感器測量出飛機磁航向，經磁校正隨動系統控制方位陀螺，反映磁航向，同時，由陀螺減