传感器在航空航天中的应用

传感器在航空航天中的应用目录一.传感器的定义二.传感器在航空航天中的作用及其特点三.陀螺仪四.各种传感器在航空航天中的应用五.近期我国航天测控传感器的发展及应用六.未来航天测控传感器的发展趋势七.我国航天测控传感器未来发展设想八.结束语一．传感器的定义1.传感器的定义（transducer/sensor）国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。二．传感器在航空航天中的作用航空航天用传感器的特点1.传感器在航空航天中的作用：（1）航空航天中需要传感器敏感的参数（2）敏感参数在飞机和发动机自动控制中有重要作用（3）敏感参数在自动寻的和导航中有重要作用（4）敏感参数在飞机和发动机性能实验中有重要作用航空航天用传感器的特点传感器的性能和可靠性受工作条件的影响，而飞行界的工作条件十分恶劣和复杂，故航空航天用传感器的技术要求不同于其他领域用传感器的技术要求。2.航空航天用传感器的特点：（1）飞机用传感器能在-60℃~+50℃正常工作，火箭用传感器应能在-80℃~+70℃正常工作。（2）航空航天用传感器应具有良好的空气压力特性。（3）航空航天用传感器应有良好的表面保护、密封和绝缘强度。航空航天用传感器的特点（4）航空航天用传感器应有良好的抗振强度和耐冲击性能，安装时还应采取一定的减振和隔振措施（5）航空航天用传感器应具有耐恶劣环境的良好性能。三.陀螺仪陀螺仪：是一种用来传感与维持方向的装置，基于角动量守恒的理论设计出来的。陀螺仪主要是由一个位于轴心且可旋转的轮子构成。陀螺仪一旦开始旋转，由于轮子的角动量，陀螺仪有抗拒方向改变的趋向。陀螺仪多用于导航、定位等系统。陀螺仪的装置，一直是航空和航海上航行姿态及速率等最方便实用的参考仪表。陀螺仪基本上陀螺仪是一种机械装置，其主要部分是一个对旋转轴以极高角速度旋转的转子，转子装在一支架内；在通过转子中心轴XX1上加一内环架，那么陀螺仪就可环绕飞机两轴作自由运动；然后，在内环架外加上一外环架；这个陀螺仪有两个平衡环，可以环绕飞机三轴作自由运动，就是一个完整的太空陀螺仪(spacegyro)。陀螺仪分类：定轴陀螺仪偏轴陀螺仪三轴回转仪的构造陀螺仪特性：定轴性（inertiaorrigidity）、逆动性（precession）。定轴性：当陀螺转子以极高速度旋转时，就产生了惯性，这惯性使得陀螺转子的旋转轴保持在空间，指向一个固定的方向，同时反抗任何改变转子轴向的力量，这种物理现象称为陀螺仪的定轴性或惯性。逆动性：在运转中的陀螺仪，如果外界施一作用或力矩在转子旋转轴上，则旋转轴并不沿施力方向运动，而是顺着转子旋转向前90度垂直施力方向运动，此现象即是逆动性。四.各种传感器在航空航天中的应用1.加速度传感器在航空航天中的应用线加速度传感器——液浮摆式加速的传感器、挠性加速传感器振动加速度传感器——磁电式、压电式加速度传感器在与陀螺仪一同使用于惯性导引系统中。惯性导引系统：利用惯性来控制和导引运动物体驶向目标的制导系统。将加速规运用在定位的估算上的研究也正在进行。全球定位系统必须接收到卫星讯号才能使用，如果装置进到坑道内，就可以利用加速度传感器来推断位置。2.加速度传感器在航空航天中的应用加速规可能是最简单的MEMS装置，有时只由一个悬臂和一个重锤组成，利用挠曲和电路来测量加速度。MEMS加速规可以测量几千个G的幅度，单轴、二轴、三轴都可以。线加速度：飞行器在惯性空间运动时，其中心沿行迹方向的运动加速度称为飞行器的线加速度。惯性制导系统通过线加速度传感器敏感飞行器的加速度，从加速度数据的一次、和两次积分可得到飞行器的速度和位移，通过计算可得到飞行器的航程、距离、角度和方向。线加速度传感器线加速度传感器有多种，最简单的是——弹簧质量系统式加速度传感器，但是其测量下限达不到惯性导航的要求。因此研制了液浮摆式加速度传感器和挠性加速度传感器。（1）液浮摆式加速度传感器液浮摆式加速度传感器的结构原理线加速度传感器为了提高摆式加速度传感器的精良，将摆放在液体中，使其受到的浮力准确地等于摆的重力。这样，由于摆在液体中处于全浮状态，即摆的密度等于液体的密度，支撑摆的负荷几乎为零，从而大大地降低了作用在摆上的干扰力矩。（2）挠性加速传感器位移式单敏感轴挠性加速度传感器特点：结构和工艺简单，其精度和可靠性均达到现代惯导系统的要求。挠性加速度传感器是一种摆式加速度传感器，其与液浮摆式加速度传感器的主要区别是摆组件不是悬浮在液体中，而是弹性连接在挠性支柱上。飞行器个部位产生的振动可用振动加速度传感器检测，根据检测信号判断飞行器工作是否正常。因此，各种飞行器，特别是飞行发动机，都用振动加速度传感器监视振动状态，并根据检测结果改进设计或排除故障。振动测试系统：由图可知，检测到的振动加速度信号进行一次和二次积分即可得到振动速度和位移，即用振动加速度传感器可同时敏感振动加速度、速度和位移。振动加速度传感器有很多种，常用的是磁电式和压电式两种。磁电式振动加速度传感器压电式振动加速度传感器磁电式振动加速度传感器是利用振动导致线圈运动，运动线圈切割磁力线而使磁通量发生变化，从而线圈中产生电压。压电式振动加速度传感器是利用压电效应，即压电元件受振动加速度作用时，其输出电压跟加速度大小成正比。在发动机等热力机械的运行中，转速是一个重要参数。通过转速传感器喷气发动机的涡轮轴转速、活塞式发动机的曲轴转速、直升机的旋翼转速等，可确定发动机各部件承受的动载荷，以便保证结构的可靠性。转速传感器转速传感器分机械式和电气式两类，前者有离心式、钟表式等，后者有交流电压表式、直流电压表式、磁电式和脉冲数字式。通常被测转轴的转速较高，且要求远距离检测，故一般用电气式转速传感器。电气式转速传感器将敏感到的转速转换成电信号，电信号经导线传至远距离显示被测转速的大小。数字式转速传感器原理图：高度传感器检测飞机相对于地面某一预定地点的高度，这是飞机飞行时十分重要的工作。检测高度的主要方法有：通过测量大气压强来检测高度；通过测量大气密度来检测高度；利用无线电波的反射性来检测高度；通过测量飞机垂直方向的加速度来检测飞行高度。随着科学技术的发展，还出现了一些新的测高方法，如利用激光器功率随高度增加而急剧增大的原理，研制了激光高度传感器。在重力场中，大气压强随高度增加而减小，故可通过测量大气压强间接地检测高度。利用这种方法检测高度的传感器可称气压式高度传感器，其工作原理如图：飞行速度是飞机的一个重要参数。在飞行过程中，空速传感器敏感的信息不断提供给驾驶员和有关控制系统，这样才能合理地操纵和控制飞行姿态、导航，以及照相、轰炸瞄准和武器发射等。敏感控诉的传感器有压力式（通过测量气流的动压和大气密度实现）和热力式两种。迎角和侧滑角的传感器迎角是决定飞机升力和阻力的重要参数，他对控制飞机的速度和起飞着陆，以及防止飞机失速极为重要。在现代飞机中，迎角传感器主要用于给出失速警告和大气数据测量系统、自动控制和领航系统中控制与补偿信号。迎角：飞机机翼的弦线（或飞机纵轴）与迎面气流之间的夹角。测量迎角的传感器主要有旋转风标式、差压管式和零差压式三种。伺服式迎角传感系统：地球的水平线是确定人造卫星姿态的重要因素，检测水平线可用热敏电阻式热辐射计，亦可用PbTiO3、LiNbO3构成的热电型红外传感器（可称红外水平线传感器）。水平线传感器用红外水平传感器监测卫星姿态的工作原理如图：五.近期我国航天测控传感器的发展及应用载人航天测控传感器及系统一些新型航天测控传感器载人航天测控传感器及系统载人航天飞行中，传感器变换器就像是火箭、飞船的神经，遍布于箭、船的每一个部位，感应到箭、船的每一个状态、将箭、船的工作状态参数变为电信号，再将信号传递出来、为船、箭的安全飞行和航天员的安全保驾护航。载人航天测控传感器及系统.（1）逃逸救生判据用的加速度传感器（2）.运载火箭推进剂利用系统（3）.耗尽关机传感器系统逃逸救生判据用加速度传感器为适应挠性伺服加速度传感器，采用力平衡原理，用于测量飞行器或其它运动物体某一方向的线加速度，具有精度高、长期稳定好等特点。本传感器已成功应用于“神箭”火箭，为航天员逃逸救生系统提供过剩数据运载火箭推进剂利用系统主要功能：提高火箭的有效运载能力。运载火箭推进剂利用系统由箭上液位传感器、变换器、箭上控制机、飞行软件、地面系统测控台及软件组成。运载火箭推进剂利用系统：耗尽关机传感器系统耗尽关机传感器系统用于运载火箭贮箱内推进剂将要耗尽时，向传感器系统发出关机信号。它由耗尽关机传感器、变换器和单元测试仪组成。一些新型航天测控传感器为了满足航天飞行器测控的需要，缩小与国际先进航天传感器差距，适应现在传感器微小型化、集成化、智能化、网络化的发展趋势，开展了一系列具有高精度、小型化、耐恶劣环境、较高技术水平的传感器研制一些新型航天测控传感器（1）.宽温区小型化压力传感器（2）.高温薄膜压力传感器（3）.CAN总线压力传感器（4）.发动机燃气热偶组传感器（5）.一体化振动、冲击传感器（6）.石英微机械陀螺（7）.MMU/CNSS组合导航系统宽温区小型化压力传感器此传感器为某飞行器提出的新品研制课题，用于某飞行器上高气压瓶压力测量。高温薄膜压力传感器此传感器为满足飞行器的特定要求而研制的高温薄膜压力传感器，用于发动机燃油和润滑油压力测量。CAN总线压力传感器总线压力传感器传感器数字化、智能化是现代传感器技术的发展方向，总线技术在型号上的应用已经势在必行，目前已开发出了CAN总线压力传感器。发动机燃气热偶组传感器由七支单支双路铠装热电偶并联构成的发动机燃气热偶组传感器，用于发动机平均燃气温度测量并提供温度控制用信号，是发动机的重要组成部分。一体化振动、一体化振动、冲击传感器北京遥测技术研究所近几年致力于发展一体化小型振动、冲击传感器。采用压阻式加速度计测量振动、冲击信号。该种加速度计采用先进的微机械加工技术，将敏感元件和信号调节电路集成在单片电路上，组成一个完整的测量系统。此类振动、冲击传感器的特点是体积非常小，质量也很轻，抗振耐冲击能力强，便于安装和使用。石英微机械陀螺石英微机械陀螺设计上采用双端音叉结构，压电激励，压电拾取，具有敏感元件结构简单、受温度等环境影响小、固有可靠性高的优势。MMU/CNSS组合导航系组合导航系统组合导航系统由高性能固态MEMS陀螺和石英挠性加速度计以及高动态性能、小型化的16通道CNSS接收机组成。采用紧耦合方式，利用专用的Kalman滤波对MIMU及CNSS数据进行最优融合获得高精度的导航结果。六.未来航天测控传感器的发展趋势微型传感器网络传感器技术智能传感器技术微型传感器以MEMS技术为基础的微型传感器仪表以较快的步伐进入航天测控应用领域，如压力、应变、温度、振动、冲击、热流、风速、质量、流量、角速率、磁场、气体浓度。“Honeywell”微硅加速度开关网络传感器技术网络传感器技术已经提到了航天测控传感器发展的日程上。Boeing压力传感器带智能传感器技术智能多传感器（同类或不同种类）技术已成为航天高可靠与高安全性的测控系统中重要的测量手段。七.我国航天测控传感器未来发展设想跟踪世界航天测控传感器发展趋势，遵循“型号牵引、专业推动”的原则，以自主创新为导向，加大自主创新与新拓展专业的投入力度，以达到在技术上能超前满足未来航天飞行器发展对测控传感器的需求，未来几年航空测控传感器的发展重点为：1.采用新材料、新工艺、新技术对传统的航天传感器进行改进和发展，仍是航天测控传感器发展的重要方向。航天测控传感器四十余年的发展，研制出一大批适应航天环境、具有较高可靠性、技术成熟度高的传感器。在此基础上，采用一些新材料、新技术，对传统的传感器技术进行改进与发展，使其性能与