传感器在航空航天中的应用

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1、细心整理传感器在航空航天中应用书目一. 传感器定义 二.传感器在航空航天中作用及其特点 三.陀螺仪 四.各种传感器在航空航天中应用五.近期我国航天测控传感器开展及应用六.将来航天测控传感器开展趋势 七.我国航天测控传感器将来开展设想 八.完毕语 一传感器定义 1.传感器定义transducer / sensor 国家标准GB7665-87对传感器下定义是： “能感受规定被测量并遵照必需规律转换 成可用信号器件或装置，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 信息，并能将检测感受到信息，按必需规 律变换成为电信号或其他所需形式信息输出， 以满足信息传输、处理、存储

2、、显示、记录 和限制等要求。它是实现自动检测和自动限制 首要环节。 二传感器在航空航天中作用 航空航天用传感器特点 1.传感器在航空航天中作用：1航空航天中须要传感器敏感参数 2敏感参数在飞机和发动机自动限制中有 重要作用 3敏感参数在自动寻和导航中有重要作 用 4敏感参数在飞机和发动机性能试验中有 重要作用 航空航天用传感器特点传感器性能和牢靠性受工作条件影响，而 飞行界工作条件特殊恶劣和困难，故航空航 天用传感器技术要求不同于其他领域用传感 器技术要求。 2.航空航天用传感器特点：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

3、有良好空气压 力特性。 3航空航天用传感器应有良好外表爱惜、 密封和绝缘强度。 航空航天用传感器特点4航空航天用传感器应有良好抗振强度 和耐冲击性能，安装时还应接受必需减振和 隔振措施 5航空航天用传感器应具有耐恶劣环境 良好性能。 三.陀螺仪 陀螺仪：是一种用来传感与维持方向装置， 基于角动量守恒理论设计出来。 陀螺仪主要是由一个位于轴心且可旋转轮子 构成。 陀螺仪一旦起先旋转，由于轮子角动 量，陀螺仪有抗拒方向变更趋向。陀螺仪多 用于导航、定位等系统。 陀螺仪装置，始终是航空和航海上航行姿态 及速率等最便利管用参考仪表。 陀螺仪根本上陀螺仪是一种机械装置，其主要局部是 一个对旋转轴以极高角

4、速度旋转转子，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 完整太空陀螺仪 (space gyro)。 陀螺仪分类： 定轴陀螺仪 偏轴陀螺仪 三轴 回转仪构造 陀螺仪特性：定轴性inertia or rigidity、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旋转轴保持 在空间，指向一个固定方向，同时反抗任何 变更转子轴向力气，这种物理现象称为陀螺 仪定轴性或惯性。 逆动性：在运转中陀螺

5、仪，假如外界施一作 用或力矩在转子旋转轴上，那么旋转轴并不沿施 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应用 1.加速度传感器在航空航天中应用 线加速度传感器 液浮摆式加速传感器、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运用于惯性导引系 统中。惯性导引系统：利用惯性来限制和导引运动物 体驶向目标制导系统。将加速规运用在定位估算上探究也正在进 行。全球定位系统必需接收到卫星讯号才能使 用，假如装置进到坑道内，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应用加速规可能是最简洁

6、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 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 沿行迹方向运动加速度称为飞行器线加速 度。 惯性制导系统通过线加速度传感器敏感飞行器 加速度，从加速度数据一次、和两次积分 可得到飞行器速度和位移，通过计算可得到 飞行器航程、距离、角度和方向。 线加速度传感器线加速度传感器有多种，最简洁是弹簧 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构造原理 线

7、加速度传感器为了提高摆式加速度传感器精良，将 摆放在液体中，使其受到浮力精确地等于摆 重力。这样，由于摆在液体中处于全浮状态， 即摆密度等于液体密度，支撑摆负荷几 乎为零，从而大大地降低了作用在摆上干扰 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：构造和工艺简洁，其精度和牢靠性均达 到现代惯导系统要求。 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主要区分是摆组 件不是悬浮在液体中，而是弹性连接在挠性支 柱上。飞行器个部位产生振动可用振动加速度 传感器检测，依据检测信号判定飞行器工作是 否正常。因此，各种飞行器，特殊是飞行发动 机，都用振动加速度传感器

8、监视振动状态，并 依据检测结果改良设计或解除故障。振动测试系统： 由图可知，检测到振动加速度信号进展一次 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 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运行中，转速是一个重 要参数。通过转速传感器喷气发动机涡轮轴 转速、

9、活塞式发动机曲轴转速、直升机旋 翼转速等，可确定发动机各部件承受动载荷， 以便保证构造牢靠性。 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，后者有沟通电压表式、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高度， 这是飞机飞行时特殊重要工作。 检测高度主要方法有：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； 利用无线电波反射性来检测高度；通过测

10、量 飞机垂直方向加速度来检测飞行高度。随着 科学技术开展，还出现了一些新测高方法， 如利用激光器功率随高度增加而急剧增大原 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： 飞行速度是飞机一个重要参数。在飞行过程 中，空速传感器敏感信息不断供应应驾驶员 和有关限制系统，这样才能合理地操纵和限制 飞行姿态、导航，以及照相、轰炸瞄准和武器 放射等。 敏感控诉传感器有压力式通过测量气流 动压和大气密度实现和热力式两种。 迎角和侧滑角传感器 迎角是确定飞机升力和阻力重要参数，他对

11、 限制飞机速度和起飞着陆，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、自动限制和领航系 统中限制与补偿信号。 迎角：飞机机翼弦线或飞机纵轴 与迎面气流之间夹角。 测量迎角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： 地球水平线是确定人造卫星姿态重要因素， 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工作原理如 图： 五.近期我国航天测控传感器开展及应用 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

12、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、 飞船神经，遍布于箭、船每一个部位，感 应到箭、船每一个状态、将箭、船工作状 态参数变为电信号，再将信号传递出来、为船、 箭平安飞行和航天员平安保驾护航。载人航天测控传感器及系统.（1） 逃逸救生判据用加速度传感器2.运载火箭推动剂利用系统 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，接受力平衡原理，用于测量飞 行器或其它运动物体某一方向线加速度，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 统供应过剩数据 运载火箭推动剂利用系统主要功能：提高火箭 有

13、效运载实力。 运载火箭推动剂利用系统由箭上液位传感器、 变换器、箭上限制机、飞行软件、地面系统测 控台及软件组成。运载火箭推动剂利用系统： 耗尽关机传感器系统耗尽关机传感 器系统用于运载 火箭贮箱内推动 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须要，缩小与国际 先进航天传感器差距，适应此时此刻传感器微小型 化、集成化、智能化、网络化开展趋势，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

14、.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 飞行器特定要求而 研制高温薄膜压力 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 术开展方向，总线 技术在型号上应用 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 成发动机燃气热 偶组传感器

15、，用于 发动机平均燃气温 度测量并供应温度 限制用信号，是发 动机重要组成局部。 一体化振动、 一体化振动、冲击传感器北京遥测技术探究所近几年致力于开展一体化 小型振动、冲击传感器。接受压阻式加速度计 测量振动、冲击信号。该种加速度计接受先进 微机械加工技术，将敏感元件和信号调整电 路集成在单片电路上，组成一个完整测量系 统。此类振动、冲击传感器特点是体积特殊 小，质量也很轻，抗振耐冲击实力强，便于安 装和运用。 石英微机械陀螺 石英微机械陀螺设计上接受双端音叉构造，压 电激励，压电拾取，具有敏感元件构造简洁、 受温度等环境影响小、固有牢靠性高优势。 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16通 道CNSS接收机组成。 接受紧耦合方式，利用专用 Kalman 滤波对 MIMU及CNSS数据进展最优融合获得高精度 导航结果。