傳感器在航空航天中的應(yīng)用PPT課件

1、傳感器在航空航天中的應(yīng)用傳感器在航空航天中的應(yīng)用目錄目錄n一.傳感器的定義n二.傳感器在航空航天中的作用及其特點(diǎn)n三.陀螺儀n四.各種傳感器在航空航天中的應(yīng)用n五.近期我國航天測控傳感器的發(fā)展及應(yīng)用n六.未來航天測控傳感器的發(fā)展趨勢n七.我國航天測控傳感器未來發(fā)展設(shè)想n八.結(jié)束語一一.傳感器的定義（傳感器的定義（transducer / sensor） n 國家標(biāo)準(zhǔn)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(zhuǎn)換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成”。n 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

2、其他所需形式的信息輸出，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(shí)現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。 二二.傳感器在航空航天中的作用及其特點(diǎn)傳感器在航空航天中的作用及其特點(diǎn)n傳感器在航空航天中的作用n航空航天用傳感器的特點(diǎn)傳感器在航空航天中的作用傳感器在航空航天中的作用n（1）航空航天中需要傳感器敏感的參數(shù)n（2）敏感參數(shù)在飛機(jī)和發(fā)動機(jī)自動控制中有重要作用n（3）敏感參數(shù)在自動尋的和導(dǎo)航中有重要作用n（4）敏感參數(shù)在飛機(jī)和發(fā)動機(jī)性能實(shí)驗(yàn)中有重要作用航空航天用傳感器的特點(diǎn)航空航天用傳感器的特點(diǎn)n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(fù)雜，故航空航天用傳

3、感器的技術(shù)要求不同于其他領(lǐng)域用傳感器的技術(shù)要求。航空航天用傳感器的特點(diǎn)航空航天用傳感器的特點(diǎn)n（1）飛機(jī)用傳感器能在-60+50正常工作，火箭用傳感器應(yīng)能在-80 +70正常工作。n（2）航空航天用傳感器應(yīng)具有良好的空氣壓力特性。n（3）航空航天用傳感器應(yīng)有良好的表面保護(hù)、密封和絕緣強(qiáng)度。航空航天用傳感器的特點(diǎn)航空航天用傳感器的特點(diǎn)n（4）航空航天用傳感器應(yīng)有良好的抗振強(qiáng)度和耐沖擊性能，安裝時(shí)還應(yīng)采取一定的減振和隔振措施n（5）航空航天用傳感器應(yīng)具有耐惡劣環(huán)境的良好性能。三三.陀螺儀陀螺儀n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(shè)計(jì)出來的。n陀螺儀主要是由一個(gè)位于軸心且可

4、旋轉(zhuǎn)的輪子構(gòu)成。 陀螺儀一旦開始旋轉(zhuǎn)，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(dǎo)航、定位等系統(tǒng)。三三.陀螺儀陀螺儀n陀螺儀的裝置，一直是航空和航海上航行姿態(tài)及速率等最方便實(shí)用的參考儀表。三三.陀螺儀陀螺儀n基本上陀螺儀是一種機(jī)械裝置，其主要部分是一個(gè)對旋轉(zhuǎn)軸以極高角速度旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子裝在一支架內(nèi)；在通過轉(zhuǎn)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(jī)兩軸作自由運(yùn)動；然后，在內(nèi)環(huán)架外加 上一外環(huán)架；這個(gè)陀螺儀有 兩個(gè)平衡環(huán)，可以環(huán)繞飛機(jī) 三軸作自由運(yùn)動，就是一個(gè) 完整的太空陀螺儀 (space gyro)。 陀螺儀三三.陀螺儀陀螺儀n定軸陀螺儀 偏軸陀螺儀 三軸 回轉(zhuǎn)儀的

5、構(gòu)造三三.陀螺儀陀螺儀n特性：定軸性（inertia or rigidity）、逆動性（precession）。n定軸性：當(dāng)陀螺轉(zhuǎn)子以極高速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，就產(chǎn)生了慣性，這慣性使得陀螺轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸保持在空間，指向一個(gè)固定的方向，同時(shí)反抗任何改變轉(zhuǎn)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。 n逆動性：在運(yùn)轉(zhuǎn)中的陀螺儀，如果外界施一作用或力矩在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸上，則旋轉(zhuǎn)軸并不沿施力方向運(yùn)動，而是順著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)向前90度垂直施力方向運(yùn)動，此現(xiàn)象即是逆動性。四四.各種傳感器在航空航天中的應(yīng)用各種傳感器在航空航天中的應(yīng)用 加速度傳感器在航空航天中的應(yīng)用n線加速度傳感器液浮擺式加速的傳感器、撓性加速傳感器n振

6、動加速度傳感器磁電式、壓電式加速度傳感器在航空航天中的應(yīng)用加速度傳感器在航空航天中的應(yīng)用n加速度傳感器與陀螺儀一同使用于慣性導(dǎo)引系統(tǒng)中。n慣性導(dǎo)引系統(tǒng)：利用慣性來控制和導(dǎo)引運(yùn)動物體駛向目標(biāo)的制導(dǎo)系統(tǒng)。 早期的慣性導(dǎo)引系統(tǒng)加速度傳感器在航空航天中的應(yīng)用加速度傳感器在航空航天中的應(yīng)用n將加速規(guī)運(yùn)用在定位的估算上的研究也正在進(jìn)行。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(jìn)到坑道內(nèi)，就可以利用加速度傳感器來推斷位置。加速度傳感器在航空航天中的應(yīng)用加速度傳感器在航空航天中的應(yīng)用n加速規(guī)可能是最簡單的MEMS裝置，有時(shí)只由一個(gè)懸臂和一個(gè)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

7、千個(gè)G的幅度，單軸、二軸、三軸都可以。線加速度傳感器線加速度傳感器n線加速度：飛行器在慣性空間運(yùn)動時(shí)，其中心沿行跡方向的運(yùn)動加速度稱為飛行器的線加速度。n慣性制導(dǎo)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(jì)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n線加速度傳感器有多種，最簡單的是彈簧質(zhì)量系統(tǒng)式加速度傳感器，但是其測量下限達(dá)不到慣性導(dǎo)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。線加速度傳感器線加速度傳感器n（1）液浮擺式加速度傳感器 液浮擺式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)原理線加速度傳感器線加速度傳感器n

8、 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(zhǔn)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(fù)荷幾乎為零，從而大大地降低了作用在擺上的干擾力矩。線加速度傳感器線加速度傳感器n（2）撓性加速傳感器 位移式單敏感軸撓性加速度傳感器線加速度傳感器線加速度傳感器n特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)和工藝簡單，其精度和可靠性均達(dá)到現(xiàn)代慣導(dǎo)系統(tǒng)的要求。n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。振動加速度傳感器振動加速度傳感器n 飛行器個(gè)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

9、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(jī)，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(jié)果改進(jìn)設(shè)計(jì)或排除故障。振動加速度傳感器振動加速度傳感器n振動測試系統(tǒng)： 振動加速度傳感器振動加速度傳感器n由圖可知，檢測到的振動加速度信號進(jìn)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(shí)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。振動加速度傳感器振動加速度傳感器 磁電式振動加速度傳感器 壓電式振動加速度傳感器振動加速度傳感器振動加速度傳感器n磁電式振動加速度傳感器是利用振動導(dǎo)致線圈運(yùn)動，運(yùn)動線圈切割磁力線而使磁通量發(fā)生變化，從而線

10、圈中產(chǎn)生電壓。n壓電式振動加速度傳感器是利用壓電效應(yīng)，即壓電元件受振動加速度作用時(shí)，其輸出電壓跟加速度大小成正比。轉(zhuǎn)速傳感器轉(zhuǎn)速傳感器n在發(fā)動機(jī)等熱力機(jī)械的運(yùn)行中，轉(zhuǎn)速是一個(gè)重要參數(shù)。通過轉(zhuǎn)速傳感器噴氣發(fā)動機(jī)的渦輪軸轉(zhuǎn)速、活塞式發(fā)動機(jī)的曲軸轉(zhuǎn)速、直升機(jī)的旋翼轉(zhuǎn)速等，可確定發(fā)動機(jī)各部件承受的動載荷，以便保證結(jié)構(gòu)的可靠性。轉(zhuǎn)速傳感器轉(zhuǎn)速傳感器n轉(zhuǎn)速傳感器分機(jī)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(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速較高，且要求遠(yuǎn)距離檢測，故一般用電氣式轉(zhuǎn)速傳感器。電氣式轉(zhuǎn)速傳感器將敏感到的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成電信號，電信號經(jīng)導(dǎo)線傳至遠(yuǎn)距離顯示被測轉(zhuǎn)速的

11、大小。轉(zhuǎn)速傳感器轉(zhuǎn)速傳感器n數(shù)字式轉(zhuǎn)速傳感器原理圖：高度傳感器高度傳感器n 檢測飛機(jī)相對于地面某一預(yù)定地點(diǎn)的高度，這是飛機(jī)飛行時(shí)十分重要的工作。n 檢測高度的主要方法有：通過測量大氣壓強(qiáng)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(jī)垂直方向的加速度來檢測飛行高度。隨著科學(xué)技術(shù)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。高度傳感器高度傳感器n在重力場中，大氣壓強(qiáng)隨高度增加而減小，故可通過測量大氣壓強(qiáng)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：空速傳感器空速傳感器n飛

12、行速度是飛機(jī)的一個(gè)重要參數(shù)。在飛行過程中，空速傳感器敏感的信息不斷提供給駕駛員和有關(guān)控制系統(tǒng)，這樣才能合理地操縱和控制飛行姿態(tài)、導(dǎo)航，以及照相、轟炸瞄準(zhǔn)和武器發(fā)射等。n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(shí)現(xiàn)）和熱力式兩種。迎角和側(cè)滑角的傳感器迎角和側(cè)滑角的傳感器n迎角是決定飛機(jī)升力和阻力的重要參數(shù)，他對控制飛機(jī)的速度和起飛著陸，以及防止飛機(jī)失速極為重要。n在現(xiàn)代飛機(jī)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(lǐng)航系統(tǒng)中控制與補(bǔ)償信號。迎角和側(cè)滑角的傳感器迎角和側(cè)滑角的傳感器n迎角：飛機(jī)機(jī)翼的弦線（或飛機(jī)縱軸）與迎面氣流之間的夾角。n測量迎角的傳感器主要有

13、旋轉(zhuǎn)風(fēng)標(biāo)式、差壓管式和零差壓式三種。迎角和側(cè)滑角的傳感器迎角和側(cè)滑角的傳感器n伺服式迎角傳感系統(tǒng)：水平線傳感器水平線傳感器n地球的水平線是確定人造衛(wèi)星姿態(tài)的重要因素，檢測水平線可用熱敏電阻式熱輻射計(jì)，亦可用PbTiO3、LiNbO3構(gòu)成的熱電型紅外傳感器（可稱紅外水平線傳感器）。水平線傳感器水平線傳感器n用紅外水平傳感器監(jiān)測衛(wèi)星姿態(tài)的工作原理如圖：五五.近期我國航天測控傳感器的發(fā)展及應(yīng)用近期我國航天測控傳感器的發(fā)展及應(yīng)用n載人航天測控傳感器及系統(tǒng)n一些新型航天測控傳感器 載人航天測控傳感器及系統(tǒng)載人航天測控傳感器及系統(tǒng)n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(gè)部

14、位，感應(yīng)到箭、船的每一個(gè)狀態(tài)、將箭、船的工作狀態(tài)參數(shù)變?yōu)殡娦盘枺賹⑿盘杺鬟f出來、為船、箭的安全飛行和航天員的安全保駕護(hù)航。載人航天測控傳感器及系統(tǒng)載人航天測控傳感器及系統(tǒng)n（1）.逃逸救生判據(jù)用的加速度傳感器n（2）.運(yùn)載火箭推進(jìn)劑利用系統(tǒng)n（3）.耗盡關(guān)機(jī)傳感器系統(tǒng)逃逸救生判據(jù)用的加速度傳感器逃逸救生判據(jù)用的加速度傳感器n逃逸救生判據(jù)用加速度傳感器為適應(yīng)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(yùn)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(diǎn)。 本傳感器已成功應(yīng)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(yùn)載火箭推進(jìn)劑利用系統(tǒng)運(yùn)載火箭推進(jìn)劑利用系統(tǒng)n運(yùn)載

15、火箭推進(jìn)劑利用系統(tǒng)主要功能：提高火箭的有效運(yùn)載能力。n運(yùn)載火箭推進(jìn)劑利用系統(tǒng)由箭上液位傳感器、變換器、箭上控制機(jī)、飛行軟件、地面系統(tǒng)測控臺及軟件組成。運(yùn)載火箭推進(jìn)劑利用系統(tǒng)運(yùn)載火箭推進(jìn)劑利用系統(tǒng)n運(yùn)載火箭推進(jìn)劑利用系統(tǒng)：耗盡關(guān)機(jī)傳感器系統(tǒng)耗盡關(guān)機(jī)傳感器系統(tǒng) 耗盡關(guān)機(jī)傳感 器系統(tǒng)用于運(yùn)載 火箭貯箱內(nèi)推進(jìn) 劑將要耗盡時(shí)， 向傳感器系統(tǒng)發(fā) 出關(guān)機(jī)信號。它 由耗盡關(guān)機(jī)傳感 器、變換器和單 元測試儀組成。一些新型航天測控傳感器一些新型航天測控傳感器n為了滿足航天飛行器測控的需要，縮小與國際先進(jìn)航天傳感器差距，適應(yīng)現(xiàn)在傳感器微小型化、集成化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展趨勢，開展了一系列具有高精度、小型化、耐惡劣

16、環(huán)境、較高技術(shù)水平的傳感器研制。一些新型航天測控傳感器一些新型航天測控傳感器n（1）.寬溫區(qū)小型化壓力傳感器n（2）.高溫薄膜壓力傳感器n（3）.CAN總線壓力傳感器n（4）.發(fā)動機(jī)燃?xì)鉄崤冀M傳感器n（5）.一體化振動、沖擊傳感器n（6）.石英微機(jī)械陀螺n（7）.MMU/CNSS組合導(dǎo)航系統(tǒng)寬溫區(qū)小型化壓力傳感器寬溫區(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高溫薄膜壓力傳感器 此傳感器為滿足 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(jī) 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

17、化、智 能化是現(xiàn)代傳感器技 術(shù)的發(fā)展方向，總線 技術(shù)在型號上的應(yīng)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(jī)燃?xì)鉄崤冀M傳感器發(fā)動機(jī)燃?xì)鉄崤冀M傳感器 由七支單支雙路 鎧裝熱電偶并聯(lián)構(gòu) 成的發(fā)動機(jī)燃?xì)鉄?偶組傳感器，用于 發(fā)動機(jī)平均燃?xì)鉁?度測量并提供溫度 控制用信號，是發(fā) 動機(jī)的重要組成部分。一體化振動、沖擊傳感器一體化振動、沖擊傳感器n北京遙測技術(shù)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(jì)測量振動、沖擊信號。該種加速度計(jì)采用先進(jìn)的微機(jī)械加工技術(shù)，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(gè)完整的測量系統(tǒng)。此類振動、沖擊傳感器的特點(diǎn)是體積非常小

18、，質(zhì)量也很輕，抗振耐沖擊能力強(qiáng)，便于安裝和使用。石英微機(jī)械陀螺石英微機(jī)械陀螺n石英微機(jī)械陀螺設(shè)計(jì)上采用雙端音叉結(jié)構(gòu)，壓電激勵(lì)，壓電拾取，具有敏感元件結(jié)構(gòu)簡單、受溫度等環(huán)境影響小、固有可靠性高的優(yōu)勢。石英微機(jī)械陀螺石英微機(jī)械陀螺MMU/CNSS組合導(dǎo)航系統(tǒng)組合導(dǎo)航系統(tǒng)n組合導(dǎo)航系統(tǒng)由高性能固態(tài)MEMS陀螺和石英撓性加速度計(jì)以及高動態(tài)性能、小型化的16通道CNSS接收機(jī)組成。n采用緊耦合方式，利用專用的 Kalman 濾波對MIMU及CNSS數(shù)據(jù)進(jìn)行最優(yōu)融合獲得高精度的導(dǎo)航結(jié)果。六六.未來航天測控傳感器的發(fā)展趨勢未來航天測控傳感器的發(fā)展趨勢n微型傳感器n網(wǎng)絡(luò)傳感器技術(shù)n智能傳感器技術(shù)微型傳感器微型傳感器n以MEMS技術(shù)為基礎(chǔ)的微型傳感器儀表以較快的步伐進(jìn)入航天測控應(yīng)用領(lǐng)域，如壓力、應(yīng)變、