高空飛行器的高度測量

1、高空飛行器的高度測量 一、引言用氣壓傳感器進(jìn)行高度測量在現(xiàn)代飛行器上有著廣泛的應(yīng)用，主要是通過測量飛行器所在的氣壓來計(jì)算出飛行器的飛行高度。HPX是霍尼韋爾（Honeywell）推出的一款氣體壓力傳感器，它具有價(jià)格較低、精度較高、易購買等特點(diǎn)，因此用它實(shí)現(xiàn)高度測量具有廣闊的應(yīng)用前景。 二、HPX氣體壓力傳感器特性描述HPX系列是一種微結(jié)構(gòu)壓力傳感器，它僅僅只是一個(gè)的傳感器，沒有集成信號調(diào)理和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，其外形也比較簡明，如下圖，其主要特性如下：圖.HPX系列壓力傳感器的簡圖1、HPX系列壓力傳感器提供精確、低成本的傳感裝置，它有兩種不同的封裝形式：DIP(雙列式封裝)和SOIC(小型集成電路

2、)2、表壓型裝置采用6插針雙列式封裝，絕壓型采用8插針表面貼裝小型集成電路。兩種傳感器都是非放大型和未校準(zhǔn)的。用戶可為HPX系列傳感器配備放大和信號調(diào)整電路，以滿足特定的應(yīng)用要求。3、這些易于使用的傳感器的特點(diǎn)是采用惠斯通電橋結(jié)構(gòu)，硅壓敏電阻技術(shù)和比例輸出，具有可證實(shí)的應(yīng)用靈活性，結(jié)構(gòu)簡單性，并易于最終產(chǎn)品的制造。4、使用干傳感器設(shè)計(jì)的儀器裝置應(yīng)該用于非腐蝕性、非電離的工作流體，如空氣和各種干氣體等。HPX的技術(shù)性能特性表壓型(雙列式封裝)5、HPX的技術(shù)性能特性表壓型(雙列式封裝)表.HPX的技術(shù)特性1.基準(zhǔn)條件(除非另有說明)：供電電壓，Vs3.0 ± 0.01 Vdc； Ta2

3、5 77°F。在供電電壓(Vs)范圍內(nèi)，輸出為比例型的。2.溫度系數(shù)為-20和100 -4 °F和212 °F間的標(biāo)準(zhǔn)值。3.量程為特定壓力下的輸出電壓與零壓力下的輸出(電壓)間的代數(shù)差。量程與供電電壓成比例。4.從0 psi至滿量程壓力的響應(yīng)時(shí)間逐步改變，為10%至90%的上升時(shí)間。從以上HPX系列氣壓傳感器的性能可以看到HPX的精度高、分辨率高、重復(fù)性好，并且該傳感器系列具有不同的量程范圍，可以根據(jù)不同的環(huán)境和要求選用特定的型號。本文選用量程范圍為30psi的HPX030GD，用于測量05Km的高度，要求精度±30m，分辨率1m。三、傳感器信號的放大

4、調(diào)理與AD轉(zhuǎn)換1、由于HPX氣壓傳感器的輸出的是60±20mV的模擬信號，所以必須對其進(jìn)行調(diào)理，然后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，變成數(shù)字信號送處理器處理。因?yàn)樾盘柋容^小，在A/D之前必須把信號放大，這里選用一款價(jià)格低的高精度放大集成電路塊MAX1452，它是高度集成的高精度信號放大調(diào)理器，它具有抗干擾能力強(qiáng)、工作溫度范圍大、對信號放大進(jìn)行優(yōu)化等特性。下面是它用于調(diào)理和放大非線性信號的典型電路（圖2）。圖2. 調(diào)理和放大非線性信號的典型電路2、調(diào)整MAX1452把HPX給出的模擬信號放大100倍，這樣信號就變成6±2V完全可以經(jīng)行A/D轉(zhuǎn)換了。根據(jù)測量要求，測量范圍0 -5Km，分辨率為

5、1m，通過計(jì)算可以知道此處的A/D轉(zhuǎn)換器需要16位的。另外考慮到高空經(jīng)常會(huì)使儀器在零度以下工作，應(yīng)選擇工作溫度范圍較大的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，對轉(zhuǎn)換速度沒有特別要求。AD676可以滿足以上要求。四、壓-高轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)處理方法 1、壓-高轉(zhuǎn)換的物理原理和工程應(yīng)用通常都知道地球大氣層中空氣的單位面積力就是大氣壓力它一成不變地隨著離開地面距離的增加而減少海平面以上高度與空氣壓力的關(guān)系按下列等式確定:大氣靜力學(xué)方程假設(shè)大氣在水平方向的壓強(qiáng)，溫度，濕度變化都很小，在等壓，等溫面近于水平，且空氣無水平運(yùn)動(dòng)。則厚度為dz的單位截面積空氣柱的受力如圖：若大氣處于流體靜力平衡狀態(tài)，則合力為零：P-(P+PZdz)

6、-mg=0將m=pdz帶入上式，整理得：-1PZ=g由于大氣在水平方向分布均勻，在一定范圍內(nèi)可以認(rèn)為p=p（z），則由以上各式可以推出大氣靜力學(xué)方程的主要形式dPdZ=-g由于氣象觀測不直接測量密度，利用濕空氣方程得流體靜力平衡狀態(tài)時(shí)，氣壓，溫度與高度的關(guān)系：dPP=-gRTdz最后將上式積分，由高度z1（p=p1）積到z2（p=p2）z2-z1=p1p2TgdP傳感器測得壓力p后由上式即可得到高度式中：P是自由氣流靜壓；g是重力加速；WM是空氣的分子重量；R是通用的氣體常數(shù)；T是絕對溫度；Z是海平面以上的幾何高度上式給出了地球上大氣壓力和幾何高度的數(shù)學(xué)換算關(guān)系，但是在實(shí)際的工程應(yīng)用中并不能精

7、確實(shí)時(shí)的得到上述關(guān)系中的輸入?yún)?shù)量，如空氣的分子重量WM  絕對溫度T等。美國標(biāo)準(zhǔn)大氣壓1976(2)對壓力與高度的比值提供有完善的數(shù)據(jù)表列，設(shè)計(jì)人員可將其裝進(jìn)儀表存儲器中這些數(shù)據(jù)考慮到了重力加速度變化情況和溫度對大氣壓的影響。在實(shí)際的壓-高轉(zhuǎn)換工程應(yīng)用中大多以美國標(biāo)準(zhǔn)大氣壓表為轉(zhuǎn)換表。2、數(shù)據(jù)處理實(shí)現(xiàn)方法把美國標(biāo)準(zhǔn)大氣壓1976(2)給出的壓-高轉(zhuǎn)換表結(jié)合實(shí)際要求得到壓-高轉(zhuǎn)換列表，把該列表存入ROM中，將A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)輸入處理器，處理器只要根據(jù)大氣壓力的數(shù)值運(yùn)用查表算法查詢ROM就可以得到高度值了。五 器件型號及參數(shù)1. ADAD676是一種多用途的16位并行輸出模擬todi

8、gital轉(zhuǎn)換器，它采用了switched-capacitor/charge再分配架構(gòu)，以達(dá)到100 ksps的轉(zhuǎn)換率（10毫秒總轉(zhuǎn)換時(shí)間）。整體性能進(jìn)行了優(yōu)化通過數(shù)字糾正內(nèi)部的非線性通過片上自動(dòng)校準(zhǔn)。AD676電路分割到兩個(gè)單芯片ADI公司的DSP的CMOS制造的數(shù)字控制芯片過程和模擬ADC芯片制造對我們的雙極金屬氧化物半導(dǎo)體二的過程。這兩款芯片都包含在一個(gè)單一的軟件包。被指定為AC（或“動(dòng)態(tài)”）等參數(shù)的AD676作為S /（N+ D）的比值，THD和IMD是重要的信號處理申請。此外，直流參數(shù)這是指定的測量應(yīng)用中的重要AD676工作從+5 V和±12 V電源，通常在轉(zhuǎn)換過程中消耗3

9、60毫瓦。其主要特點(diǎn)為：Autocalibrating片內(nèi)采樣保持功能平行輸出數(shù)據(jù)格式16位無丟失碼61的LSB的INL-97分貝THD90分貝的S /（N + D）1 MHz全功率帶寬2.MAX1452【用途】 度集成的模擬傳感器信號處理器【性能 參數(shù)】 采用16引腳SSOP封裝。特點(diǎn)： 具有放大、校準(zhǔn)和溫度補(bǔ)償功能 適應(yīng)于輸出靈敏度從1mV/V到40mV/V的傳感器 單引腳數(shù)字編程 無需外部調(diào)整元件 16位的偏移量和跨度校準(zhǔn)精度 全模擬信號通道 內(nèi)嵌查找表，支持多點(diǎn)校準(zhǔn)的溫度修正 支持電壓橋和電流橋激勵(lì) 高達(dá)3.2kHz的響應(yīng)頻率 內(nèi)嵌未做補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)算放大器 Secure-LOCkTM防止數(shù)據(jù)破壞 2mA低電流損耗引腳配置圖：2. MAX6195MAX6195高精度，微功耗，低壓差電壓基準(zhǔn)提供較高的初始精度和非常低的溫度系數(shù)通過專有的曲率校正電路和lasertrimmed的精密薄膜電阻。這些系列模式帶隙參考提請最高只有35A靜態(tài)電流，使電池供電設(shè)備的理想選擇。他們提供供應(yīng)電流是幾乎不受輸入電壓變化。負(fù)載調(diào)節(jié)規(guī)格保證源和下沉到500A的電流。這些設(shè)備在內(nèi)部進(jìn)行補(bǔ)償，是他們需要快速解決的應(yīng)用的理想選擇，穩(wěn)定與容性負(fù)載高達(dá)2.2nF其主要特點(diǎn)為：±2mV（最大值）初始精度5ppm/°C（最大值）溫度系數(shù)35A（最大值）電源電流100m