傳感器在航空航天中的應用

1、.傳感器在航空航天中的應用目錄1. 傳感器的定義 二.傳感器在航空航天中的作用及其特點 三.陀螺儀 四.各種傳感器在航空航天中的應用五.近期我國航天測控傳感器的發(fā)展及應用六.未來航天測控傳感器的發(fā)展趨勢 七.我國航天測控傳感器未來發(fā)展設想 八.結束語 一傳感器的定義 1.傳感器的定義（transducer / sensor） 國家標準GB7665-87對傳感器下的定義是： “能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉換 成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和 轉換元件組成”。 傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量 的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規(guī) 律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，

2、 以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄 和控制等要求。它是實現(xiàn)自動檢測和自動控制 的首要環(huán)節(jié)。 二傳感器在航空航天中的作用 航空航天用傳感器的特點 1.傳感器在航空航天中的作用：（1）航空航天中需要傳感器敏感的參數(shù) （2）敏感參數(shù)在飛機和發(fā)動機自動控制中有 重要作用 （3）敏感參數(shù)在自動尋的和導航中有重要作 用 （4）敏感參數(shù)在飛機和發(fā)動機性能實驗中有 重要作用 航空航天用傳感器的特點傳感器的性能和可靠性受工作條件的影響，而 飛行界的工作條件十分惡劣和復雜，故航空航 天用傳感器的技術要求不同于其他領域用傳感 器的技術要求。 2.航空航天用傳感器的特點：（1）飛機用傳感器能在-60+50正常

3、工 作，火箭用傳感器應能在-80 +70正常工 作。 （2）航空航天用傳感器應具有良好的空氣壓 力特性。 （3）航空航天用傳感器應有良好的表面保護、 密封和絕緣強度。 航空航天用傳感器的特點（4）航空航天用傳感器應有良好的抗振強度 和耐沖擊性能，安裝時還應采取一定的減振和 隔振措施 （5）航空航天用傳感器應具有耐惡劣環(huán)境的 良好性能。 三.陀螺儀 陀螺儀：是一種用來傳感與維持方向的裝置， 基于角動量守恒的理論設計出來的。 陀螺儀主要是由一個位于軸心且可旋轉的輪子 構成。 陀螺儀一旦開始旋轉，由于輪子的角動 量，陀螺儀有抗拒方向改變的趨向。陀螺儀多 用于導航、定位等系統(tǒng)。 陀螺儀的裝置，一直是航

4、空和航海上航行姿態(tài) 及速率等最方便實用的參考儀表。 陀螺儀基本上陀螺儀是一種機械裝置，其主要部分是 一個對旋轉軸以極高角速度旋轉的轉子，轉子 裝在一支架內(nèi)；在通過轉子中心軸XX1上加一 內(nèi)環(huán)架，那么陀螺儀就可環(huán)繞飛機兩軸作自由 運動；然后，在內(nèi)環(huán)架外加 上一外環(huán)架；這個陀螺儀有 兩個平衡環(huán)，可以環(huán)繞飛機 三軸作自由運動，就是一個 完整的太空陀螺儀 (space gyro)。 陀螺儀分類： 定軸陀螺儀 偏軸陀螺儀 三軸 回轉儀的構造 陀螺儀特性：定軸性（inertia or rigidity）、逆動性 （precession）。 定軸性：當陀螺轉子以極高速度旋轉時，就產(chǎn) 生了慣性，這慣性使得陀螺

5、轉子的旋轉軸保持 在空間，指向一個固定的方向，同時反抗任何 改變轉子軸向的力量，這種物理現(xiàn)象稱為陀螺 儀的定軸性或慣性。 逆動性：在運轉中的陀螺儀，如果外界施一作 用或力矩在轉子旋轉軸上，則旋轉軸并不沿施 力方向運動，而是順著轉子旋轉向前90度垂直 施力方向運動，此現(xiàn)象即是逆動性。 四.各種傳感器在航空航天中的應用 1.加速度傳感器在航空航天中的應用 線加速度傳感器 液浮擺式加速的傳感器、撓性加速傳感器 振動加速度傳感器 磁電式、壓電式 加速度傳感器在與陀螺儀一同使用于慣性導引系 統(tǒng)中。慣性導引系統(tǒng)：利用慣性來控制和導引運動物 體駛向目標的制導系統(tǒng)。將加速規(guī)運用在定位的估算上的研究也正在進 行

6、。全球定位系統(tǒng)必須接收到衛(wèi)星訊號才能使 用，如果裝置進到坑道內(nèi)，就可以利用加速度 傳感器來推斷位置。 2. 加速度傳感器在航空航天中的應用加速規(guī)可能是最簡單的MEMS裝置，有時只由 一個懸臂和一個重錘組成，利用撓曲和電路來 測量加速度。MEMS加速規(guī)可以測量幾千個G的 幅度，單軸、二軸、三軸都可以。 線加速度：飛行器在慣性空間運動時，其中心 沿行跡方向的運動加速度稱為飛行器的線加速 度。 慣性制導系統(tǒng)通過線加速度傳感器敏感飛行器 的加速度，從加速度數(shù)據(jù)的一次、和兩次積分 可得到飛行器的速度和位移，通過計算可得到 飛行器的航程、距離、角度和方向。 線加速度傳感器線加速度傳感器有多種，最簡單的是彈

7、簧 質量系統(tǒng)式加速度傳感器，但是其測量下限達 不到慣性導航的要求。因此研制了液浮擺式加 速度傳感器和撓性加速度傳感器。 （1）液浮擺式加速度傳感器 液浮擺式加速度傳感器的結構原理 線加速度傳感器為了提高擺式加速度傳感器的精良，將 擺放在液體中，使其受到的浮力準確地等于擺 的重力。這樣，由于擺在液體中處于全浮狀態(tài)， 即擺的密度等于液體的密度，支撐擺的負荷幾 乎為零，從而大大地降低了作用在擺上的干擾 力矩。 （2）撓性加速傳感器 位移式單敏感軸撓性加速度傳感器 特點：結構和工藝簡單，其精度和可靠性均達 到現(xiàn)代慣導系統(tǒng)的要求。 撓性加速度傳感器是一種擺式加速度傳感器， 其與液浮擺式加速度傳感器的主要

8、區(qū)別是擺組 件不是懸浮在液體中，而是彈性連接在撓性支 柱上。飛行器個部位產(chǎn)生的振動可用振動加速度 傳感器檢測，根據(jù)檢測信號判斷飛行器工作是 否正常。因此，各種飛行器，特別是飛行發(fā)動 機，都用振動加速度傳感器監(jiān)視振動狀態(tài)，并 根據(jù)檢測結果改進設計或排除故障。振動測試系統(tǒng)： 由圖可知，檢測到的振動加速度信號進行一次 和二次積分即可得到振動速度和位移，即用振 動加速度傳感器可同時敏感振動加速度、速度 和位移。振動加速度傳感器有很多種，常用的 是磁電式和壓電式兩種。磁電式振動加速度傳感器 壓電式振動加速度傳感器 磁電式振動加速度傳感器是利用振動導致線圈 運動，運動線圈切割磁力線而使磁通量發(fā)生變 化，從

9、而線圈中產(chǎn)生電壓。 壓電式振動加速度傳感器是利用壓電效應，即 壓電元件受振動加速度作用時，其輸出電壓跟 加速度大小成正比。 在發(fā)動機等熱力機械的運行中，轉速是一個重 要參數(shù)。通過轉速傳感器噴氣發(fā)動機的渦輪軸 轉速、活塞式發(fā)動機的曲軸轉速、直升機的旋 翼轉速等，可確定發(fā)動機各部件承受的動載荷， 以便保證結構的可靠性。 轉速傳感器 轉速傳感器分機械式和電氣式兩類，前者有離 心式、鐘表式等，后者有交流電壓表式、直流 電壓表式、磁電式和脈沖數(shù)字式。通常被測轉 軸的轉速較高，且要求遠距離檢測，故一般用 電氣式轉速傳感器。電氣式轉速傳感器將敏感 到的轉速轉換成電信號，電信號經(jīng)導線傳至遠 距離顯示被測轉速的

10、大小。數(shù)字式轉速傳感器原理圖： 高度傳感器 檢測飛機相對于地面某一預定地點的高度， 這是飛機飛行時十分重要的工作。 檢測高度的主要方法有：通過測量大氣壓 強來檢測高度；通過測量大氣密度來檢測高度； 利用無線電波的反射性來檢測高度；通過測量 飛機垂直方向的加速度來檢測飛行高度。隨著 科學技術的發(fā)展，還出現(xiàn)了一些新的測高方法， 如利用激光器功率隨高度增加而急劇增大的原 理，研制了激光高度傳感器。 在重力場中，大氣壓強隨高度增加而減小，故 可通過測量大氣壓強間接地檢測高度。利用這 種方法檢測高度的傳感器可稱氣壓式高度傳感 器，其工作原理如圖： 飛行速度是飛機的一個重要參數(shù)。在飛行過程 中，空速傳感器

11、敏感的信息不斷提供給駕駛員 和有關控制系統(tǒng)，這樣才能合理地操縱和控制 飛行姿態(tài)、導航，以及照相、轟炸瞄準和武器 發(fā)射等。 敏感控訴的傳感器有壓力式（通過測量氣流的 動壓和大氣密度實現(xiàn)）和熱力式兩種。 迎角和側滑角的傳感器 迎角是決定飛機升力和阻力的重要參數(shù)，他對 控制飛機的速度和起飛著陸，以及防止飛機失 速極為重要。 在現(xiàn)代飛機中，迎角傳感器主要用于給出失速 警告和大氣數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)、自動控制和領航系 統(tǒng)中控制與補償信號。 迎角：飛機機翼的弦線（或飛機縱軸） 與迎面氣流之間的夾角。 測量迎角的傳感器主要有旋轉風標式、 差壓管式和零差壓式三種。 伺服式迎角傳感系統(tǒng)： 地球的水平線是確定人造衛(wèi)星姿態(tài)

12、的重要因素， 檢測水平線可用熱敏電阻式熱輻射計，亦可用 PbTiO3、LiNbO3構成的熱電型紅外傳感器（可 稱紅外水平線傳感器）。 水平線傳感器用紅外水平傳感器監(jiān)測衛(wèi)星姿態(tài)的工作原理如 圖： 五.近期我國航天測控傳感器的發(fā)展及應用 載人航天測控傳感器及系統(tǒng)一些新型航天測控傳感器 載人航天測控傳感器及系統(tǒng)載人航天飛行中，傳感器變換器就像是火箭、 飛船的神經(jīng)，遍布于箭、船的每一個部位，感 應到箭、船的每一個狀態(tài)、將箭、船的工作狀 態(tài)參數(shù)變?yōu)殡娦盘?，再將信號傳遞出來、為船、 箭的安全飛行和航天員的安全保駕護航。載人航天測控傳感器及系統(tǒng).（1） 逃逸救生判據(jù)用的加速度傳感器（2）.運載火箭推進劑利用

13、系統(tǒng) （3）.耗盡關機傳感器系統(tǒng) 逃逸救生判據(jù)用加速度傳感器為適應撓性伺服 加速度傳感器，采用力平衡原理，用于測量飛 行器或其它運動物體某一方向的線加速度，具 有精度高、長期穩(wěn)定好等特點。 本傳感器已成功應用于 “神 箭” 火箭，為航天員逃逸救生 系 統(tǒng)提供過剩數(shù)據(jù) 運載火箭推進劑利用系統(tǒng)主要功能：提高火箭 的有效運載能力。 運載火箭推進劑利用系統(tǒng)由箭上液位傳感器、 變換器、箭上控制機、飛行軟件、地面系統(tǒng)測 控臺及軟件組成。運載火箭推進劑利用系統(tǒng)： 耗盡關機傳感器系統(tǒng)耗盡關機傳感 器系統(tǒng)用于運載 火箭貯箱內(nèi)推進 劑將要耗盡時， 向傳感器系統(tǒng)發(fā) 出關機信號。它 由耗盡關機傳感 器、變換器和單 元

14、測試儀組成。 一些新型航天測控傳感器為了滿足航天飛行器測控的需要，縮小與國際 先進航天傳感器差距，適應現(xiàn)在傳感器微小型 化、集成化、智能化、網(wǎng)絡化的發(fā)展趨勢，開 展了一系列具有高精度、小型化、耐惡劣環(huán)境、 較高技術水平的傳感器研制 一些新型航天測控傳感器 （1） .寬溫區(qū)小型化壓力傳感器 （2）.高溫薄膜壓力傳感器 （3）.CAN總線壓力傳感器 （4）.發(fā)動機燃氣熱偶組傳感器 （5）.一體化振動、沖擊傳感器 （6）.石英微機械陀螺 （7）.MMU/CNSS組合導航系統(tǒng) 寬溫區(qū)小型化壓力傳感器此傳感器為某飛 行器提出的新品研 制課題，用于某飛 行器上高氣壓瓶壓 力測量。 高溫薄膜壓力傳感器 此傳

15、感器為滿足 飛行器的特定要求而 研制的高溫薄膜壓力 傳感器，用于發(fā)動機 燃油和潤滑油壓力測 量。 CAN總線壓力傳感器 總線壓力傳感器傳感器數(shù)字化、智 能化是現(xiàn)代傳感器技 術的發(fā)展方向，總線 技術在型號上的應用 已經(jīng)勢在必行，目前 已開發(fā)出了CAN總線 壓力傳感器。 發(fā)動機燃氣熱偶組傳感器由七支單支雙路 鎧裝熱電偶并聯(lián)構 成的發(fā)動機燃氣熱 偶組傳感器，用于 發(fā)動機平均燃氣溫 度測量并提供溫度 控制用信號，是發(fā) 動機的重要組成部分。 一體化振動、 一體化振動、沖擊傳感器北京遙測技術研究所近幾年致力于發(fā)展一體化 小型振動、沖擊傳感器。采用壓阻式加速度計 測量振動、沖擊信號。該種加速度計采用先進 的

16、微機械加工技術，將敏感元件和信號調(diào)節(jié)電 路集成在單片電路上，組成一個完整的測量系 統(tǒng)。此類振動、沖擊傳感器的特點是體積非常 小，質量也很輕，抗振耐沖擊能力強，便于安 裝和使用。 石英微機械陀螺 石英微機械陀螺設計上采用雙端音叉結構，壓 電激勵，壓電拾取，具有敏感元件結構簡單、 受溫度等環(huán)境影響小、固有可靠性高的優(yōu)勢。 MMU/CNSS組合導航系 組合導航系統(tǒng)組合導航系統(tǒng)由高性能固態(tài)MEMS陀螺和石英 撓性加速度計以及高動態(tài)性能、小型化的16通 道CNSS接收機組成。 采用緊耦合方式，利用專用的 Kalman 濾波對 MIMU及CNSS數(shù)據(jù)進行最優(yōu)融合獲得高精度的 導航結果。 6. 未來航天測控

17、傳感器的發(fā)展趨勢 微型傳感器 網(wǎng)絡傳感器技術 智能傳感器技術 微型傳感器以MEMS技術為基礎的微型傳感器儀表以較快 的步伐進入航天測控應用領域，如壓力、應變、 溫度、振動、沖擊、熱流、風速、質量、流量、 角速率、磁場、氣體濃度。 “Honeywell”微硅加速度開關 網(wǎng)絡傳感器技術網(wǎng)絡傳感器技術已經(jīng)提到了航天測控傳感器發(fā) 展的日程上。 Boeing壓力傳感器帶 智能傳感器技術智能多傳感器（同類或不同種類）技術 已成為航天高可靠與高安全性的測控系 統(tǒng)中重要的測量手段。 七.我國航天測控傳感器未來發(fā)展設想 跟蹤世界航天測控傳感器發(fā)展趨勢，遵循“型 號牽引、專業(yè)推動”的原則，以自主創(chuàng)新為導 向，加大

18、自主創(chuàng)新與新拓展專業(yè)的投入力度， 以達到在技術上能超前滿足未來航天飛行器發(fā) 展對測控傳感器的需求，未來幾年航空測控傳 感器的發(fā)展重點為： 1.采用新材料、新工藝、新技術對傳統(tǒng)的航天 傳感器進行改進和發(fā)展，仍是航天測控傳感器 發(fā)展的重要方向。航天測控傳感器四十余年的 發(fā)展，研制出一大批適應航天環(huán)境、具有較高 可靠性、技術成熟度高的傳感器。在此基礎上， 采用一些新材料、新技術，對傳統(tǒng)的傳感器技 術進行改進與發(fā)展，使其性能與可靠性得到進 一步的提升。 2.開發(fā)具有航天特色的MEMS傳感器，如壓力、 過載、振動、角速率、熱流、噪聲傳感器，重 點解決新型航天傳感器敏感元件的設計制造技 術，以實現(xiàn)航天測控傳感器的更新?lián)Q代。 3.為了提高MEMS傳感器對航天飛行器中 工作環(huán)境的適應性，必須開展抗航天飛 行器中惡劣工作環(huán)境的微傳感器加固技 術的研究，以提高新一代以MEMS技術為 基礎的傳感器對航天工作環(huán)境的適應能 力。此舉涉及到一個全新的微器件 結束語