大气数据

y1=f1(x)
y2=f2(y1) y1
y1=f1(x)
y2
xy
x
y=f3(y2)
y
串联测试系统静态特性曲线
y
两个测试系统静态特性曲线
测量系统特性描述参数（一）
系统的静态误差 绝对误差 被测参数的给出值与相应的真值之差。 相对误差
➢ 标称相对误差 ➢ 实际相对误差 ➢ 额定相对误差 ➢ 最大额定相对误差
基本误差、附加误差和工作误差
➢ 基本误差 与标准设备进行对比和校准的差值 ➢ 附加误差 使用条件偏离标准条件 ➢ 工作误差 工作环境因素变化情况下的误差极限值
系统的静态误差（二）
系统误差、随机误差和过失误差
➢ 原理误差
➢ 构造误差 系统误差(误差恒定不变或按一定规律变化）
➢ 环境误差 ➢ 人员误差 ➢ 随机误差 多次测量所得各次的误差 ➢ 过失误差 测量者读数、记录、计算所造成的误差
KTT 管 H1均 升 R降 ln1KTT 管 H均 升 R降 ppHC
压力差与升降速度的关系(6)
得 p1T管均 升降 1eKT T 管 H 均 升 R降 pH0pH
K TH R
gn
gn
由于 pHpH 0 1T H H 0 R pH 0 1T H 0升降 t R
标准大气（二）
当空气微粒沿地球法线移动，单位质量所做的功为：
dΦ=ghdz= ghdh
h
0 ghdh
重力势高度：H= Φ/gn
重力加速度随地理纬度的变化：
g 9 . 8 0 6 1 6 1 0 . 0 0 2 6 3 7 3 c o s 2 0 . 0 0 0 0 0 5 9 c o s 2 2
➢ 工程大气压[at]：1[at]=1[Kgf/cm2]=9.80665×104[Pa]
➢ 巴[bar]：1[bar]=106[dyn/cm2]= 105 [Pa] ➢ 毫米液柱：以液柱高度来表示压力的大小
1[mmHg]=1[Torr]=1/760[atm]=133.322[Pa]
1[mmH2O]=9.80665[Pa] ➢ 磅/英寸2[PSi]：1[PSi]=1[bf/in2]=6.89476×103[Pa]
C1
p
4L
R2
可得速度值,可见流速与半径成抛物线分布.
空气流量为
dQ dA 2rdr
R p R2 r 2 2rdr 0 4L
R4 p D4 p 8L 128L
考虑空气平均速度
Q(容)量 均R2
D4 p 128L
Q(质量)
D4 p 128L
压力差与升降速度的关系(3)
重力势高度与几何高度的关系
H=rh/(r+h)
标准大气（三）
➢ 国际标准大气规定的高度分层、大气温度及气温垂直梯度的关
系
T h T b H H b
dpdF dh
ρgdhdF
dpdF g hdhdF p RT
dp gh dh gn dH
RT
RT
T TH Tb H H b
温标
➢ 摄氏温标（t）、华氏温标（F）、热力学温标（T）、国际实用温
标 F9t32
Tt27 .13 5
5
测试系统的静态动态特性及误差
输入/输出特性曲线（难以用精确的解析式表示） 串联测试系统
Y1
Y2
Y
X
Y1
Y2
Y
X
Y1
Y2
用图解法求测试系统的输入输出关系。
用图解法求测量环节的特性曲线
y2=f2(y1) y1
H 1 H 1d1 H T 0 1 1 H ln T 0 T 01 H d 1 1
相对误差为：
H H 1 1 R T 0 g n H 1 H ln p p H 0 d 1 1 1 T 1 H H ln T T H 0 d 1 1
标准气压高度是国际上通用的高度，主要防止同一空域或同 一航线上的飞机在同一气压面上飞行，发生两机相撞的可能。
高度测量方法
利用大气的物理特性测高
➢ 通过测量大气压力（静压）间接测高 ➢ 通过测量大气密度来测量飞行高度
利用无线电 波的反射特性测量飞行高度（测真实高度）
h1 cc2l
2
通过测量飞机的垂直加速度，再二次积分得飞行高度
大气紊流
大气紊流（湍流）： 空气紊乱流动的现象，旋涡和不规则的波动，使得大 气中的风向、风速呈随机变化。
风切变： 空间任意两点之间风矢量的变化
微下冲气流： 较强的下降气流，飞机在起飞、着陆过程中遇到超过 自己爬升或下降速率的下降气流，对飞行的危害最大。
大气数据有关的参数
与大气数据有关的参数
r管均
p管均 RT管均
pH RT管均
Vdp内 pHdV
RT内
RT管均
压力差与升降速度的关系(4)
由此得出
dp内
pH V
T内 dV T管均
由于
d V A 均 d t D 4 2 D 3 2 L p 2 d 升 H 降 D 4 2 D 3 2 L p 2 升 d H r H p 降 1 D 4 L 2 升 p 8 r H H d 降p
空气在管内流动,流速不同.设内摩檫力(F),接触面积(A), 动力黏度(η),速度梯度(dv/dr)成正比
FAd2rL d
dr
dr
取半径为r,长度为L的空气柱,当空气等速流动时,内摩檫 力等于压力差
r2pF2rL d
dr
d p rdr 2L
压力差与升降速度的关系(2)
积分后
p r2
4L
C1,考虑管壁处气流速度为0,半径为R,
d内 p 1D V 4 2 R L 8 T T H 管 T 内 均 升 pd 降 H p K T T 管 H均 升 R 降 p dH p
压力差与升降速度的关系(5)
由于 d内 p dH pd p
代入dp 内得
dpH 1K
dp
TH R
p
T管均 升降
积分并考虑pH=pH0 Δp=0
标准大气（一）
国际标准大气的规定
➢ 空气为干燥清洁的理想气体，并遵循理想气体方程所确立的关系
P R*T RT
M
➢ 国际标准大气以平均海平面作为零高度 ➢ 气压为1个标准大气压，气温15º，密度为0.125kg.s2/m4
为便于探讨大气中的压力分布，国际标准大气引用了重 力势高度的概念。
➢ 重力势表示地球大气层内某一给定点上空气微粒的势能。重力势 高度以平均海平面作为重力势高度和几何高度的共同基准。重力 势高度又称为标准气压高度。
精密度、准确度和精度 误差的反义词 测量范围、量程 测量上限、下限 灵敏度 输出量微小变化与输入量微小变化之比
测量系统特性描述参数（三）
分辨率 输出量的每个阶梯所代表的输入量的大小 迟滞 同一工作条件下，同一参数的测量值正反行程不同 重复性 同一方向多次改变参数时，对同一被测参数所得
的输出值之间的接近和重复程度。
选用弹性模数温度系 数小的恒弹性合金或 熔凝石英
机械式气压高度表
气压式高度表的使用
标准气压高度的测量 绝对高度的测量 相对高度的测量
高度传感器
用凸轮完成高度解算，凸轮型面决定的从动轴转角Ф与 主动轴转角θ间的函数关系Ф=f(θ),保证该传感器输出 角θ与高度（H）间是线性关系，θ=KθH 。
系统的动态误差 在动态测量时输入参数与输出参数之间随时间而变化的函 数关系。
飞行高度及高度变化率的测量
高度定义
定义 飞机的重心在空中距离某一测高基准面的垂直距离。
➢ 绝对高度：基准面为实际海平面 ➢ 相对高度：基准面为某一参考平面 ➢ 真实高度：基准面为飞机正下方的地面目标之最高点在内的
并与地平面平行的平面 ➢ 标准气压高度：基准面为标准海平面
➢ 构造误差
– 压力敏感元件的温度误差 – 摩擦误差
气压式高度表的误差
原理误差（气压方法误差、气温方法误差、温度梯度
误差）：
H
pH0 dp0
H T0
dT0
Hd
0 11000m,Hb 0,Tb T0, 1 0.0065C/m
H
T0
1
1
pH p0
1R/
gn
气压方法误差
由于实际海平面大气压力与标准大气压力不同
地球大气层
对流层（变温层）、平流层（同温层）、中间层、电离层（热 层）、散逸层
对流层：
距地球中纬度11km，赤道17km，两极8km 包含了大气质量的3/4
平流层：
对流层顶部到离地约30km，温度几乎不变，包含了大气质量的约1/4
中间层
30km到80~100km为止，大量的臭氧
电离层：中间层到离地500km，空气稀薄，听不到声音 散逸层：离地500~1600km之间，也称为外层大气
➢ 全压：动压和静压之和，即气流到达驻点时，单位面积上的 总压力
➢ 总温：气流到达驻点时获得的气温叫总温 ➢ 静温：飞机周围自由空气所具有的温度 ➢ 攻角：飞机的质量中心运动轨迹与飞机纵轴之间的夹角（飞
机竖轴和纵轴所在平面内测量的角度） ➢ 侧滑角：飞机的质量中心运动轨迹与飞机纵轴之间的夹角
（飞机横轴和纵轴所在平面内测量的角度）
构造误差
温度误差
用静压表示温度误差： pHt pHEt
用高度表示该误差：
H t
ddpHH pH
ddpH HHt pHEt Ht RgTn0EtgRnE1HtHt1Ht2
摩擦误差
气压高度的测量系统
高度与大气压力关系 为非线性
为使气压高度系统能 用来测量飞机所在处 相对于某一参考基准 面的相对高度，系统 中必须设有气压修正 机构，并保证修正量 与测高系统输出量之 间成线性关系
高度偏差信号测量原理 测量高度偏差的方案（a）（b）
高度变化率的测量
飞机平飞，表壳内 外气压相等，膜盒 不膨胀不收缩，指 针指零
飞机上升，膜盒内 气压大于膜盒外气 来自百度文库，膜盒收缩，指 针上指
飞机下降，膜盒内 气压小于膜盒外气 压，膜盒膨胀，指 针下指
压力差与升降速度的关系(1)
研究毛细管两端压力差与升降速度的关系
大气数据系统
电子工程系 2020/7/22
大气数据系统
概论 飞行高度及高度变化率的测量 飞行速度 全静压系统 大气数据计算机系统 大气数据计算机的基本计算方法 大气数据计算机系统输出及显示仪表
大气数据系统
发展历史
➢ 50年代前，分立式仪表 ➢ 50年代后，机载设备相继增多 ➢ 模拟式中央大气数据计算机 ➢ 各种模拟器件,伺服系统 ➢ 70年代,混合式大气数据计算机 ➢ 80年代,数字式的 ➢ 大气数据计算机的出现，为飞机提供更多的大气数据参数
假定p内 pH分别为内外压力,r内 r H分别为内外密度,T内 T H 分别为内外温度,飞机等速上升,dt时间内流出的空气体积
与重量的关系为 dGdVr管均
由于膜盒容积不变,空气重量减少是由于密度减少造成的.
d内 G d V r 内 V d 内 r
流出的空气重量与膜盒内减少的重量二者相等,且
气压式高度表
利用测量绝对压力的弹性敏感元件来测量大气静压， 根据高度与大气静压的关系，利用转换机构输出标准 气压高度（相对于标准海平面的重力势高度） 真空膜盒、膜盒串、波纹管
气压式高度表的误差
➢ 推导标准气压高度公式时，对标准大气作了一些假设，而实 际大气并不完全符合这些假设
➢ 推导标准气压高度公式时，假设了标准大气和标准海平面， 但实际海平面大气参数与标准海平面大气参数不同
Hp0 p H 0dp0RgTnHdpp00
相对误差为：
H H p 0g n R H T 0H1d p p 0 0g R nT H Hd p p 0 0
气温方法误差
实际海平面温度与标准海平面温度不同
HT0
TH0 dT0
HdT0 T0
相对误差为：
H T0 T0
H
T0
温度梯度误差
实际温度梯度与标准温度梯度不同
➢ 静压：飞机周围自由空气的压力 ➢ 动压：气流的定向运动具有动能，当气流到达驻点时，动能
变为压力能和热能。单位面积上升高的压力称为动压
pd=1/2ρυ2 ρ为标准大气H高度上的空气密度
➢ 冲压：定义与动压相同。区别是：动压是不可压缩的流体的 理想定义，而冲压是考虑了空气的可压缩性
与大气数据有关的参数
标准大气（三）
➢ 国际标准大气条件下，气压与高度的关系为
0时
H
Tb
Ph Pb
R / gn
1
Hb
或
ln
Ph
ln
Pb
gn
R
ln
Tb
H
Tb
Hb
0时
H
Hb
RTb gn
ln
Pb Ph
或
ln
Ph
ln
Pb
gn RTb
H
Hb
大气参数的测量单位
压力单位
➢ 帕斯卡[Pa]：每平方米的面积上作用有1牛顿的力,1[Pa]=1[N/m2] ➢ 标准大气[atm]：1[atm]=101325[Pa]