傳感器在航空航天中的應(yīng)用【優(yōu)質(zhì)教學(xué)】

1、傳感器在航空航天中的應(yīng)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(diǎn) 三.陀螺儀 四.各種傳感器在航空航天中的應(yīng)用五.近期我國(guó)航天測(cè)控傳感器的發(fā)展及應(yīng)用六.未來(lái)航天測(cè)控傳感器的發(fā)展趨勢(shì) 七.我國(guó)航天測(cè)控傳感器未來(lái)發(fā)展設(shè)想 八.結(jié)束語(yǔ) 一傳感器的定義 1.傳感器的定義（transducer / sensor） 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB7665-87對(duì)傳感器下的定義是： “能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換 成可用信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和 轉(zhuǎn)換元件組成”。 傳感器是一種檢測(cè)裝置，能感受到被測(cè)量 的信息，并能將檢測(cè)感受到的信息，按一定規(guī) 律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，

2、以滿(mǎn)足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄 和控制等要求。它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)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(diǎn) 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(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)控制中有 重要作用 （3）敏感參數(shù)在自動(dòng)尋的和導(dǎo)航中有重要作 用 （4）敏感參數(shù)在飛機(jī)和發(fā)動(dòng)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)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。 2.航空航天用傳感器的特點(diǎn)：（1）飛機(jī)用傳感器能在-60+50正常工

3、 作，火箭用傳感器應(yīng)能在-80 +70正常工 作。 （2）航空航天用傳感器應(yīng)具有良好的空氣壓 力特性。 （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)（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 （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.陀螺儀 陀螺儀：是一種用來(lái)傳感與維持方向的裝置， 基于角動(dòng)量守恒的理論設(shè)計(jì)出來(lái)的。 陀螺儀主要是由一個(gè)位于軸心且可旋轉(zhuǎn)的輪子 構(gòu)成。 陀螺儀一旦開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，由于輪子的角動(dòng) 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)。 陀螺儀的裝置，一直是航空

4、和航海上航行姿態(tài) 及速率等最方便實(shí)用的參考儀表。 陀螺儀基本上陀螺儀是一種機(jī)械裝置，其主要部分是 一個(gè)對(duì)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(guò)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(dòng)；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(dòng)，就是一個(gè) 完整的太空陀螺儀 (space gyro)。 陀螺儀分類(lèi)： 定軸陀螺儀 偏軸陀螺儀 三軸 回轉(zhuǎn)儀的構(gòu)造 陀螺儀特性：定軸性（inertia or rigidity）、逆動(dòng)性 （precession）。 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)

5、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(chēng)為陀螺 儀的定軸性或慣性。 逆動(dòng)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(dòng)，而是順著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)向前90度垂直 施力方向運(yùn)動(dòng)，此現(xiàn)象即是逆動(dòng)性。 四.各種傳感器在航空航天中的應(yīng)用 1.加速度傳感器在航空航天中的應(yīng)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(dòng)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(dǎo)引系 統(tǒng)中。慣性導(dǎo)引系統(tǒng)：利用慣性來(lái)控制和導(dǎo)引運(yùn)動(dòng)物 體駛向目標(biāo)的制導(dǎo)系統(tǒng)。將加速規(guī)運(yùn)用在定位的估算上的研究也正在進(jìn) 行。

6、全球定位系統(tǒng)必須接收到衛(wèi)星訊號(hào)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(lái)推斷位置。 2. 加速度傳感器在航空航天中的應(yīng)用加速規(guī)可能是最簡(jiǎn)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(lái) 測(cè)量加速度。MEMS加速規(guī)可以測(cè)量幾千個(gè)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(yùn)動(dòng)時(shí)，其中心 沿行跡方向的運(yùn)動(dòng)加速度稱(chēng)為飛行器的線加速 度。 慣性制導(dǎo)系統(tǒng)通過(guò)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(guò)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有多種，最簡(jiǎn)單的是彈簧

7、 質(zhì)量系統(tǒng)式加速度傳感器，但是其測(cè)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。 （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。 （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(diǎn)：結(jié)構(gòu)和工藝簡(jiǎn)單，其精度和可靠性均達(dá) 到現(xiàn)代慣導(dǎo)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區(qū)

8、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(gè)部位產(chǎn)生的振動(dòng)可用振動(dòng)加速度 傳感器檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)信號(hào)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(dòng) 機(jī)，都用振動(dòng)加速度傳感器監(jiān)視振動(dòng)狀態(tài)，并 根據(jù)檢測(cè)結(jié)果改進(jìn)設(shè)計(jì)或排除故障。振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)： 由圖可知，檢測(cè)到的振動(dòng)加速度信號(hào)進(jìn)行一次 和二次積分即可得到振動(dòng)速度和位移，即用振 動(dòng)加速度傳感器可同時(shí)敏感振動(dòng)加速度、速度 和位移。振動(dòng)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(dòng)加速度傳感器 壓電式振動(dòng)加速度傳感器 磁電式振動(dòng)加速度傳感器是利用振動(dòng)導(dǎo)致線圈 運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)線圈切割磁力線而使磁通量發(fā)生變 化，從而

9、線圈中產(chǎn)生電壓。 壓電式振動(dòng)加速度傳感器是利用壓電效應(yīng)，即 壓電元件受振動(dòng)加速度作用時(shí)，其輸出電壓跟 加速度大小成正比。 在發(fā)動(dòng)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(guò)轉(zhuǎn)速傳感器噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪軸 轉(zhuǎn)速、活塞式發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)各部件承受的動(dòng)載荷， 以便保證結(jié)構(gòu)的可靠性。 轉(zhuǎn)速傳感器 轉(zhuǎn)速傳感器分機(jī)械式和電氣式兩類(lèi)，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(cè)轉(zhuǎn) 軸的轉(zhuǎn)速較高，且要求遠(yuǎn)距離檢測(cè)，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(hào)，電信號(hào)經(jīng)導(dǎo)線傳至遠(yuǎn) 距離顯示被測(cè)轉(zhuǎn)速的大

10、小。數(shù)字式轉(zhuǎn)速傳感器原理圖： 高度傳感器 檢測(cè)飛機(jī)相對(duì)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。 檢測(cè)高度的主要方法有：通過(guò)測(cè)量大氣壓 強(qiáng)來(lái)檢測(cè)高度；通過(guò)測(cè)量大氣密度來(lái)檢測(cè)高度； 利用無(wú)線電波的反射性來(lái)檢測(cè)高度；通過(guò)測(cè)量 飛機(jī)垂直方向的加速度來(lái)檢測(cè)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(cè)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(chǎng)中，大氣壓強(qiáng)隨高度增加而減小，故 可通過(guò)測(cè)量大氣壓強(qiáng)間接地檢測(cè)高度。利用這 種方法檢測(cè)高度的傳感器可稱(chēng)氣壓式高度傳感 器，其工作原理如圖： 飛行速度是飛機(jī)的一個(gè)重要參數(shù)。在飛行過(guò)程 中，空速傳感器敏

11、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。 敏感控訴的傳感器有壓力式（通過(guò)測(cè)量氣流的 動(dòng)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 迎角是決定飛機(jī)升力和阻力的重要參數(shù)，他對(duì) 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。 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(cè)量系統(tǒng)、自動(dòng)控制和領(lǐng)航系 統(tǒng)中控制與補(bǔ)償信號(hào)。 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。 測(cè)量迎角的傳感器主要有旋轉(zhuǎn)風(fēng)標(biāo)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)的

12、重要因素， 檢測(cè)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(chēng)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(cè)衛(wèi)星姿態(tài)的工作原理如 圖： 五.近期我國(guó)航天測(cè)控傳感器的發(fā)展及應(yīng)用 載人航天測(cè)控傳感器及系統(tǒng)一些新型航天測(cè)控傳感器 載人航天測(cè)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(gè)部位，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?hào)，再將信號(hào)傳遞出來(lái)、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(cè)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(yùn)載火箭推進(jìn)劑利用系

13、統(tǒng) （3）.耗盡關(guān)機(jī)傳感器系統(tǒng) 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(cè)量飛 行器或其它運(yùn)動(dòng)物體某一方向的線加速度，具 有精度高、長(zhǎng)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(guò)剩數(shù)據(jù) 運(yùn)載火箭推進(jìn)劑利用系統(tǒng)主要功能：提高火箭 的有效運(yùn)載能力。 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(cè) 控臺(tái)及軟件組成。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)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(hào)。它 由耗盡關(guān)機(jī)傳感 器、變換器和單 元測(cè)

14、試儀組成。 一些新型航天測(cè)控傳感器為了滿(mǎn)足航天飛行器測(cè)控的需要，縮小與國(guó)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(shì)，開(kāi) 展了一系列具有高精度、小型化、耐惡劣環(huán)境、 較高技術(shù)水平的傳感器研制 一些新型航天測(cè)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(dòng)機(jī)燃?xì)鉄崤冀M傳感器 （5）.一體化振動(dòng)、沖擊傳感器 （6）.石英微機(jī)械陀螺 （7）.MMU/CNSS組合導(dǎo)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(cè)量。 高溫薄膜壓力傳感器 此傳感

15、器為滿(mǎn)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(dòng)機(jī) 燃油和潤(rùn)滑油壓力測(cè) 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(shù)的發(fā)展方向，總線 技術(shù)在型號(hào)上的應(yīng)用 已經(jīng)勢(shì)在必行，目前 已開(kāi)發(fā)出了CAN總線 壓力傳感器。 發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)燃?xì)鉄?偶組傳感器，用于 發(fā)動(dòng)機(jī)平均燃?xì)鉁?度測(cè)量并提供溫度 控制用信號(hào)，是發(fā) 動(dòng)機(jī)的重要組成部分。 一體化振動(dòng)、 一體化振動(dòng)、沖擊傳感器北京遙測(cè)技術(shù)研究所近幾年致力于發(fā)展一體化 小型振動(dòng)、沖擊傳感器。采用壓阻式加速度計(jì) 測(cè)量振動(dòng)、沖擊信號(hào)。該種加速度計(jì)采用先進(jìn) 的微

16、機(jī)械加工技術(shù)，將敏感元件和信號(hào)調(diào)節(jié)電 路集成在單片電路上，組成一個(gè)完整的測(cè)量系 統(tǒng)。此類(lèi)振動(dòng)、沖擊傳感器的特點(diǎn)是體積非常 小，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(jiǎn)單、 受溫度等環(huán)境影響小、固有可靠性高的優(yōu)勢(shì)。 MMU/CNSS組合導(dǎo)航系 組合導(dǎo)航系統(tǒng)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(dòng)態(tài)性能、小型化的16通 道CNSS接收機(jī)組成。 采用緊耦合方式，利用專(zhuān)用的 Kalman 濾波對(duì) 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。 6. 未來(lái)航天測(cè)控傳

17、感器的發(fā)展趨勢(shì) 微型傳感器 網(wǎng)絡(luò)傳感器技術(shù) 智能傳感器技術(shù) 微型傳感器以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(cè)控應(yīng)用領(lǐng)域，如壓力、應(yīng)變、 溫度、振動(dòng)、沖擊、熱流、風(fēng)速、質(zhì)量、流量、 角速率、磁場(chǎng)、氣體濃度。 “Honeywell”微硅加速度開(kāi)關(guān) 網(wǎng)絡(luò)傳感器技術(shù)網(wǎng)絡(luò)傳感器技術(shù)已經(jīng)提到了航天測(cè)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(shù)智能多傳感器（同類(lèi)或不同種類(lèi)）技術(shù) 已成為航天高可靠與高安全性的測(cè)控系 統(tǒng)中重要的測(cè)量手段。 七.我國(guó)航天測(cè)控傳感器未來(lái)發(fā)展設(shè)想 跟蹤世界航天測(cè)控傳感器發(fā)展趨勢(shì)，遵循“型 號(hào)牽引、專(zhuān)業(yè)推動(dòng)”的原則，以自主創(chuàng)新為導(dǎo) 向，加大自

18、主創(chuàng)新與新拓展專(zhuān)業(yè)的投入力度， 以達(dá)到在技術(shù)上能超前滿(mǎn)足未來(lái)航天飛行器發(fā) 展對(duì)測(cè)控傳感器的需求，未來(lái)幾年航空測(cè)控傳 感器的發(fā)展重點(diǎn)為： 1.采用新材料、新工藝、新技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)的航天 傳感器進(jìn)行改進(jìn)和發(fā)展，仍是航天測(cè)控傳感器 發(fā)展的重要方向。航天測(cè)控傳感器四十余年的 發(fā)展，研制出一大批適應(yīng)航天環(huán)境、具有較高 可靠性、技術(shù)成熟度高的傳感器。在此基礎(chǔ)上， 采用一些新材料、新技術(shù)，對(duì)傳統(tǒng)的傳感器技 術(shù)進(jìn)行改進(jìn)與發(fā)展，使其性能與可靠性得到進(jìn) 一步的提升。 2.開(kāi)發(fā)具有航天特色的MEMS傳感器，如壓力、 過(guò)載、振動(dòng)、角速率、熱流、噪聲傳感器，重 點(diǎn)解決新型航天傳感器敏感元件的設(shè)計(jì)制造技 術(shù)，以實(shí)現(xiàn)航天測(cè)控傳感器的更新?lián)Q代。 3.為了提高M(jìn)EMS傳感器對(duì)航天飛行器中 工作環(huán)境的適應(yīng)性，必須開(kāi)展抗航天飛 行器中惡劣工作環(huán)境的微傳感器加固技 術(shù)的研究，以提高新一代以MEMS技術(shù)為 基礎(chǔ)的傳感器對(duì)航天工作環(huán)境的適應(yīng)能 力。此舉涉及到一個(gè)全新的微器件 結(jié)束語(yǔ) 隨著我