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飞行导航控制传感器完整版
航天相关传感器简介
一、飞行导航控制传感器
1陀螺仪
陀螺仪:
用高速回转体的动量矩敏感壳体相对惯性空间绕正交于自转轴的一个或二个轴的角运动检测装置。
利用其他原理制成的角运动检测装置起同样功能的也称陀螺仪。
利用陀螺仪的动力学特性制成的各种仪表或装置,主要有以下几种:
陀螺方向仪,陀螺罗盘,陀螺垂直仪,陀螺稳定器,光纤陀螺仪,激光陀螺仪,MEMS陀螺仪。
图1-1-1陀螺仪结构
陀螺仪的特点:
1.体积小、重量轻。
适合于对安装空间和重量要求苛刻的场合,例如弹载测量等。
2.低成本。
3.高可靠性。
内部无转动部件,全固态装置,抗大过载冲击,工作寿命长。
4.低功耗。
5.大量程。
适于高转速大g值的场合。
6.易于数字化、智能化。
可数字输出,温度补偿,零位校正等。
陀螺仪的应用及意义:
陀螺仪器最早是用于航海导航,但随着科学技术的发展,它在航空和航天事业中也得到广泛的应用。
陀螺仪器不仅可以作为指示仪表,而更重要的是它可以作为自动控制系统中的一个敏感元件,即可作为信号传感器。
根据需要,陀螺仪器能提供准确的方位、水平、位置、速度和加速度等信号,以便驾驶员或用自动导航仪来控制飞机、舰船或航天飞机等航行体按一定的航线飞行,而在导弹、卫星运载器或空间探测火箭等航行体的制导中,则直接利用这些信号完成航行体的姿态控制和轨道控制。
作为稳定器,陀螺仪器能使列车在单轨上行驶,能减小船舶在风浪中的摇摆,能使安装在飞机或卫星上的照相机相对地面稳定等等。
作为精密测试仪器,陀螺仪器能够为地面设施、矿山隧道、地下铁路、石油钻探以及导弹发射井等提供准确的方位基准。
由此可见,陀螺仪器的应用范围是相当广泛的,它在现代化的国防建设和国民经济建设中均占重要的地位。
2.加速度计
加速度计,是测量运载体线加速度的仪表。
加速度计由检测质量(也称敏感质量)、支承、电位器、弹簧、阻尼器和壳体组成。
图1-2-1加速度计示意图
加速度计的类型较多:
按检测质量的位移方式分类有线性加速度计(检测质量作线位移)和摆式加速度计(检测质量绕支承轴转动);
按支承方式分类有宝石支承、挠性支承、气浮、液浮、磁悬浮和静电悬浮等;
按测量系统的组成形式分类有开环式和闭环式;
按工作原理分类有振弦式、振梁式和摆式积分陀螺加速度计等;
按输入轴数目分类,有单轴、双轴和三轴加速度计;
按传感元件分类,有压电式、压阻式和电位器式等;
通常综合几种不同分类法的特点来命名一种加速度计。
加速度计的特点:
1.优异的偏差稳定性
2.环境性能好(冲击,振动和温度)
3.低成本
测量运载体线加速度的仪表。
测量飞机过载的加速度计是最早获得应用的飞机仪表之一。
飞机上还常用加速度计来监控发动机故障和飞机结构的疲劳损伤情况。
在各类飞行器的飞行试验中,加速度计是研究飞行器颤振和疲劳寿命的重要工具。
在飞行控制系统中,加速度计是重要的动态特性校正元件。
在惯性导航系统中,高精度的加速度计是最基本的敏感元件之一。
3.高度计
气压高度计是在航空物探测量时,安置在飞机中,利用气压与高度的关系,通过观测气压测量飞机飞行海拔高度(又称绝对高度)的仪器。
图1-3-1一种气压高度计
随着海拔高度的上升,地表的空气厚度减少,气压下降。
于是可以通过测量所在地的大气压,与标准值比较而得出高度值,这就是气压高度计的基本工作原理。
设海平面处大气压为P0,所在地大气压为P,则海拔高度h=(P0-P)/(ρ*g)。
飞机上的无液气压计是经过校准以直接将大气压以海拔高度的方式显示出来的,其数值转化公式与由国际标准大气(ISA)定义的一个数学模型一致。
旧的飞机使用一个简单的,只有一根指针的无液气压计来指示高度,之后发展为一个类似钟面的,具有一根主指针和一根或更多副指针的无液气压计,每一根指针指示当前海拔高度的一位数字。
但是由于这种指针设计极易导致飞行员在压力下误读当前海拔高度而被淘汰。
取而代之的是鼓形高度计,最后一个采用模拟仪表盘的高度计。
鼓形高度计中的一根指针每转一圈指示1000英呎,而千位数及以上则直接显示于一个里程表式的鼓形表盘上面。
此时飞行员需要先读鼓上显示的千位数,再读针指示的百位数。
目前现代飞机上的模拟高度计均为鼓形表盘设计。
高度计的最新版本则是在电子飞行仪表系统中的数字海拔显示器。
这项技术缓慢地渗透入民航和军机中,而现在已经成为了通用航空飞机的一项标准。
现代飞机使用一种被称为“灵敏高度计”的高度计。
在此类高度计中,海平面参考大气压可以使用一个设置旋钮来调节。
海平面参考大气压在加拿大与美国使用毫米汞柱为单位,在其他地方使用百帕斯卡(毫巴)做单位,并且在高度计下方的科尔斯曼窗口中显示。
[3]这种设计是极为必要的,因为海平面参考大气压是会随时随着时间、温度和气压系统在大气中的移动而改变的。
现代飞机使用一种被称为“灵敏高度计”的高度计。
在此类高度计中,海平面参考大气压可以使用一个设置旋钮来调节。
海平面参考大气压在加拿大与美国使用毫米汞柱为单位,在其他地方使用百帕斯卡(毫巴)做单位,并且在高度计下方的科尔斯曼窗口中显示。
[3]这种设计是极为必要的,因为海平面参考大气压是会随时随着时间、温度和气压系统在大气中的移动而改变的。
敏感机载气压计的内部构造示意图
在航空术语中,当地海平面气压被称为“QNH”或“高度计设定值”,而另一个可以被用于校正高度计至一个特定的机场的气压值则被称为QFE。
但是高度计却无法根据气温的变化而校准。
温度的变化将如同ISA模型所描述的那样导致飞机的高度计出现误差。
图1-3-2敏感机载气压计的内部构造示意图
在航空术语中,当地海平面气压被称为“QNH”或“高度计设定值”,而另一个可以被用于校正高度计至一个特定的机场的气压值则被称为QFE。
但是高度计却无法根据气温的变化而校准。
温度的变化将如同ISA模型所描述的那样导致飞机的高度计出现误差。
4.太阳敏感器
太阳敏感器(sunsensor)是在航空领域应用最广泛的一类敏感器,所有的卫星上都配备有太阳敏感器。
通过敏感太阳矢量的方位来确定太阳矢量在星体坐标中的方位,从而获取航天器相对于太阳方位信息的光学姿态敏感器。
图1-4-1太阳敏感器
通常,太阳敏感器可分为3类:
(1)模拟式太阳敏感器。
它产生的输出信号是星体相对太阳矢量方位(太阳角)的连续函数;
(2)太阳出现敏感器(0-1式太阳敏感器)。
它以数字信号1或0表示太阳是否位于敏感器的视场内;
(3)数字式太阳敏感器。
它能提供离散的编码输出信号,其输出值是被测太阳角的函数。
该敏感器的特点是:
视场大、精度高、寿命和可靠性有很强的优势,己广泛应用于各种型号的航天器上。
随着卫星对姿态控制精度要求的日益提高以及小卫星、皮卫星等微小卫星的发展,太阳敏感器逐渐向着小型化、模块化、标准化、长寿命的方向发展,并且要求其具有大视场、高精度和高可靠性,数字式太阳敏感器是能够满足这些要求的首选,因此,数字式太阳敏感器必将成为太阳敏感器的发展趋势,世界各国也越来越注重数字式太阳敏感器的发展。
由原来的线阵CCD发展成面阵CCD,再发展到现在的APS面阵的数字式太阳敏感器,其精度越来越高,体积越来越小,质量越来越轻,寿命也越来越长。
目前CCD太阳敏感器已经在国外广泛使用。
太阳敏感器适用于对航天器的轨道控制和姿态控制;保护灵敏度很高的仪器,如星敏感器、地球敏感器正常工作;提供星上姿态控制基准信号,以及用于对航天器太阳帆板定位。
5.地球敏感器
一种光学姿态敏感器,又称地平仪。
分为地球反照敏感器和红外地球敏感器两类。
分为地球反照敏感器和红外地球敏感器两类。
前者在航天器控制系统中用得很少,而后者得到广泛应用。
图1-5-1自旋卫星红外地平仪工作原理示意图
国外地球敏感器在满足卫星小型化、低造价等要求方面,不断向着小型化、智能化、高精度、高稳定性、低功耗和长寿命的方向发展,甚至出现组合方式的敏感器以更好地适应卫星小型化、微型化的应用需求,十分值得国内的生产和研制单位借鉴。
静态地平仪由于没有活动部件特别适用于长寿命卫星,但它必须感受地球边缘的红外辐射,对轨道高度的适应性很差。
红外地球敏感器的精度在高轨道时达0.03°,低轨道时约为0.1°。
6.星敏感器
星敏感器是以某一颗亮度高于+2可见星等的恒星为基准,测量其相对于航天器的角位置,并同星历表中该星的角位置参数进行比较,来确定航天器的姿态。
图1-6-1星敏感器
星敏感器分星图仪和星跟踪器两种类型,星跟踪器又可分为框架式和固定式两种形式。
(1)星图仪:
又称星扫描器。
一般都是狭缝式,用在自旋卫星上,利用星体的旋转来搜索和捕获目标恒星。
(2)框架式星跟踪器:
是把敏感头装在可转动的框架上,且通过旋转框架来搜索和捕获目标。
(3)固定式星跟踪器:
这种跟踪器的敏感头相对航天器固定,在一定的视场内具有搜索和跟踪能力,例如采用析像管电子扫描和CCD器件成像。
星敏感器的研究发展与应用已历经半个多世纪,随着新材料,新器件的出现和工艺技术的进步,精度提高,功耗减小,成本降低,应用领域日益广泛的新型星敏感器不断推出。
因此,及时收集整理分析比较国外星敏感器的信息,有利于国内有关姿态测量控制技术的发展
二、化学和生物传感器
1.电子鼻
电子鼻是模拟动物嗅觉器官开发出一种高科技产品,目前科学家还没有全部搞清楚动物的嗅觉原理。
但是随着科技的发展,目前世界上较为权威的一些大学已经开发出具有广泛应用的电子鼻,最著名的要数德国的汉堡大学,是当今世界的传感器领域中具有绝对权威。
电子鼻的核心器件是气体传感器。
气体传感器根据原理的不同,可以分为金属氧化物型、电化学型、导电聚合物型、质量型、光离子化型等很多类型。
目前应用最广泛的是金属氧化物型。
图2-1-1一种电子鼻产品
电子鼻技术响应时间短、检测速度快,不像其它仪器,如气相色谱传感器、高效液相色谱传感器需要复杂的预处理过程;其测定评估范围广,它可以检测各种不同种类的食品;并且能避免人为误差,重复性好;还能检测一些人鼻不能够检测的气体,如毒气或一些刺激性气体,它在许多领域尤其是食品行业发挥着越来越重要的作用。
并且目前在图形认知设备的帮助下,其特异性大大提高,传感器材料的发展也促进了其重复性的提高,并且随着生物芯片、生物技术的发展和集成化技术的提高及一些纳米材料的应用,电子鼻将会有更广阔的应用前景。
历经十余年的发展,电子鼻的研究取得了突飞猛进的进展。
目前对于电子鼻的研究主要集中在传感器及电子鼻硬件的设计、模式识别及其理论、电子鼻在食品、农业、医药、生物领域的应用、电子鼻与生物系统的关系等方而。
其中传感器及电子鼻硬件的设计和电子鼻在食品及农业领域的应用是电子鼻研究中的热点。
2.电化学传感器
化学传感器通过与被测气体发生反应并产生与气体浓度成正比的电信号来工作。
典型的电化学传感器由传感电极(或工作电极)和反电极组成,并由一个薄电解层隔开。
图2-2-1一种电化学传感器
电化学传感器的分类:
、湿度传感器
、氧化氮传感器
、硫化氢气体传感器
、二氧化硫传感器
电化学传感器对工作电源的要求很低。
实际上,在气体监测可用的所有传感器类型中,它们的功耗是最低的。
因此,这种传感器广泛用于包含多个传感器的移动仪器中。
它们是有限空间应用场合中使用最多的传感器。
传感器的预期寿命由其制造商根据他们认为正常的条件进行预测。
然而,传感器的预期寿命很大程度上取决于环境污染、温度及其暴露的湿度。
3.纳米粒子生物传感器
1996年Sasak和Kopeiman首先提出来的。
它的基础仍然是近场光学显微镜。
1998年HACiark和Kopeiman进一步创建了名为PEBBLEs的新型纳米传感器,它是将分子识别物质固定在纳米粒子(如聚乙烯或聚丙烯酰胺)上,纳米粒子的直径为20~200nm,用基因枪或其它微注射器注入或通过天然摄入客体活细胞中,已用于测定细胞内的pH、分子氧、钙离子、葡萄糖和氮氧化物等,
纳米传感器的主要应用领域包括医疗保健、军事、工业控制和机器人、网络和通信以及环境监测等。
随着相关技术的成熟,纳米传感器在国防安检方面的强大优势逐渐显现。
相信在不久的将来,纳米传感器将用于新一代的军服和设备,并将用来检测炭疽和其他的危险气体等。
与传统的传感器相比,纳米传感器尺寸减小、精度提高等性能大大改善,更重要的是利用纳米技术制作传感器,是站在原子尺度上,从而极大地丰富了传感器的理论,推动了传感器的制作水平,拓宽了传感器的应用领域
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