智能传感器在航天运输系统中的应用


发布时间:

2021-05-21

智能传感器的应用有助于提升航天运输系统的运载能力和安全性能。本文在介绍了智能传感器及其特点的基础上,探讨了智能传感器在运载火箭上的研究和应用情况,阐述了智能传感器的实现途径,旨在为有更多的研究成果能得到应用,以提高我国航空航天领域的测量水平,更好适应航天航空事 业的发展。

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    摘要:智能传感器的应用有助于提升航天运输系统的运载能力和安全性能。本文在介绍了智能传感器及其特点的基础上,探讨了智能传感器在运载火箭上的研究和应用情况,阐述了智能传感器的实现途径,旨在为有更多的研究成果能得到应用,以提高我国航空航天领域的测量水平,更好适应航天航空事 业的发展。

    关键词:智能传感器;航天运输;测量

    引言

    在电子信息时代,电子信息对各行各业都有着导向性发展的作用,航天运输系统也一样,当下电子信息技术已经成为航天运输系统发展的主要因素。随着电子信息技术在航天运输系统的应用,航天运输系统的运载能力、安全性能等都随之得到有效提高,而提高这些系统性能中具有代表性的核心器件之一就是传感器。应该看到,随着航天飞行技术的发展,为保证航天运输系统的安全可靠,不仅要求传感器测量精度高、工作稳定、反应迅速,而且要求具有数据分析处理和存储功能,同时能够实现分析判断、远程通信等功能。因此,传统传感器由于其检测功能比较单一、体积较大等缺点,已逐渐不能满足应用需求,必须使用性能更好的智能传感器才能完成不同测控项目的测量。

    智能传感器概述

    智能传感器是指集传感器、微处理器和执行器于一体的微电子机械系统(MEMS)。其主要特征:

    (1)其核心是将带有微处理器,将传感器信息检测的功能与微处理器信息处理的功能有机地结合起来,弥补了传统传感器性能的不足。

    (2)其能够对采集到的原始敏感信息通过先进软件设计,实现信息处理、信息记忆、逻辑思维与判断功能,从而实现自校准、自补偿等,最终将原始信息转换成某种标准的数字格式并通过标准通信协议发送给用户。

    (3)其由于内含微处理器不仅可以充分发挥各种软件的功能,且可以完成硬件难以完成的任务,因此大大降低了传感器制造的难度,提高传感器性能,降低成本。

     

    智能传感器特点

    随着我国航天事业的发展,对现有测控系统和数据传输模式提出了更高要求,导致遥测参数监测的需求也增加,对振动、冲击、温度、噪声、热流、压力等参数的测量需要也呈现指数增加,采用传统的传感器势必会对现有的航天运输系统带来较大的压力,而智能传感器在某些方面的功能和特点可以缓解这种矛盾。主要特点:

    (1)易于网络化,方便组网。智能传感器多采用数字量输出,易采用某种有线或无线通信协议联结成传感器网络,减少因种类多、分布广、布线难带来的一系列问题。其中,有线网络典型的是CAN总线, 仅需两根线就可以挂接上百个测量点。同时,在某些局部空间,采用无线传感网络,更可以大幅减少传统的电缆网数量。

    (2)易于实现自检。由于微处理器的存在,相对于传统传感器,可以在不增加硬件的条件下对传感器进行自检,检测传感器各部分是否正常,并可诊断发生故障的部件。

    (3)易于提高测量精度。同样由于微处理器的存在,可以通过软件对传感器的非线性、温度漂移、时间漂移、响应时间等进行自动补偿,提高测量精度。

    (4)易于实现小型化。为满足航天运输系统复杂的测量环境,传统传感器需要多重滤波电路,增加了体积并带来功耗问题,而智能传感器可以根据内部程序,实现数字滤波,甚至进行统计处理剔除不符合要求的测量值。

    (5)易于实现集成化。由于微电子和微机械加工技术的发展,适于批量化生产、易于集成和实现智能化的MEMS传感器快速发展起来,推动了传感器向小型化、高性能化和低耗电化方向发展。

    在航天运输系统中的应用

    适用于箭载复杂现场环境的实时无线传感网络已在运载火箭发射过程中得到了应用。该无线传感网络主要部件之一就是智能无线传感器/变换器。其中,智能无线传感器是通过一体式或分体式设计,以实现火箭飞行过程中的温度、湿度、压力、热流等环境参数和低频振动、高频振动等的测量。具体表现:

    (1)一体式设计。所谓一体式智能传感器是指敏感芯体与后端的微处理器模块集成在一个壳体内,敏感信号直接送至微处理器模块AD采样,并经微处理器模块内部软硬件上的处理,线性化、归一化后交至无线通信模块后发送至数据接收终端。图1 显示了以一体化的智能无线压力传感器为例的原理框图

    (2)分体式设计。由于现场使用环境特别是温度范围的限制,部分测点采用分体式传感器,所谓分体式是指敏感芯体与后端的微处理器模块分开在两个壳体内。敏感探头和后端微处理器模块采用有线连接,敏感探头的输出信号经有线传输至微处理器模块AD采样,再经微处理器内部软硬件上的处理,线性化、归一化后交至无线通信模块后发送至数据接收终端。以分体式的温度传感器为例,其原理框图如图2所示。

    应该看到,随着智能化的MEMS传感器快速发展,MEMS加速度传感器与陀螺仪在航天运输系统中应用也较为广泛,主要应用在姿态航向基准系统、飞行控制系统、制导系统等。特别是在火箭发射过程中的振动状态监测,MEMS振动加速度传感器因其体积小、精度高、功耗低而成为两器统型化的方向。

    结束语

    智能传感器和传统传感器相比在精度、可靠性、自适应性等方面都有优势。它改变了原有传统传感器的设计理念和应用模式,代表着将来传感器技术的发展趋势。它将微处理技术引入传感器,使传感器具有了一定的智能。它将对人类未来的生活产生深远影响。随着越来越多的微处理器实现国产化,智能传感器在航天运输系统的应用也必将大放异彩。

    参考文献

    [1]刘凯,陈志东,邹德福等.MEMS传感器和智能传感器的发展[J].仪表技术与传感器,2007(9):9-10,66

    [2]宋振龙,孙凤伟,陈锋等.网络化智能传感器及其在航空航天领域中的应用[J].电子测试[J],2009(9):10-13,53

    [3]路娟,王颖,刘丙太,张媛.基于火箭测量系统的无线传感器网络技术研究[J].宇航计测技术,2015,35(4):44-47,53

    [4]顾燕.智能传感器发展现状探究[J].无线互联科技,2017(21):12-13

    作者简介

    兰之康毕业于东南大学MEMS微电子系统工程专业,在读博士研究生学历。2008年4月至2017年9月任美国霍尼韦尔传感与物联网事业部项目经理,研发经理。2017年9月至2017年12月任高华科技股份有限公司惯性传感器与微系统事业部经理,2018年1月至今任高华科技股份有限公司副总经理、技术中心主任。

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