智能傳感器在航天運輸系統(tǒng)中的應用
發(fā)布時間：
2021-05-21
智能傳感器的應用有助于提升航天運輸系統(tǒng)的運載能力和安全性能。本文在介紹了智能傳感器及其特點的基礎上,探討了智能傳感器在運載火箭上的研究和應用情況,闡述了智能傳感器的實現(xiàn)途徑,旨在為有更多的研究成果能得到應用，以提高我國航空航天領域的測量水平,更好適應航天航空事 業(yè)的發(fā)展。
摘要:智能傳感器的應用有助于提升航天運輸系統(tǒng)的運載能力和安全性能。本文在介紹了智能傳感器及其特點的基礎上,探討了智能傳感器在運載火箭上的研究和應用情況,闡述了智能傳感器的實現(xiàn)途徑,旨在為有更多的研究成果能得到應用，以提高我國航空航天領域的測量水平,更好適應航天航空事 業(yè)的發(fā)展。
關鍵詞:智能傳感器;航天運輸;測量
0 引言
在電子信息時代，電子信息對各行各業(yè)都有著導向性發(fā)展的作用，航天運輸系統(tǒng)也一樣，當下電子信息技術已經(jīng)成為航天運輸系統(tǒng)發(fā)展的主要因素。隨著電子信息技術在航天運輸系統(tǒng)的應用，航天運輸系統(tǒng)的運載能力、安全性能等都隨之得到有效提高，而提高這些系統(tǒng)性能中具有代表性的核心器件之一就是傳感器。應該看到，隨著航天飛行技術的發(fā)展，為保證航天運輸系統(tǒng)的安全可靠，不僅要求傳感器測量精度高、工作穩(wěn)定、反應迅速，而且要求具有數(shù)據(jù)分析處理和存儲功能，同時能夠實現(xiàn)分析判斷、遠程通信等功能。因此，傳統(tǒng)傳感器由于其檢測功能比較單一、體積較大等缺點，已逐漸不能滿足應用需求，必須使用性能更好的智能傳感器才能完成不同測控項目的測量。
1 智能傳感器概述
智能傳感器是指集傳感器、微處理器和執(zhí)行器于一體的微電子機械系統(tǒng)(MEMS)。其主要特征：
(1)其核心是將帶有微處理器，將傳感器信息檢測的功能與微處理器信息處理的功能有機地結合起來，彌補了傳統(tǒng)傳感器性能的不足。
(2)其能夠對采集到的原始敏感信息通過先進軟件設計，實現(xiàn)信息處理、信息記憶、邏輯思維與判斷功能，從而實現(xiàn)自校準、自補償?shù)?，最終將原始信息轉換成某種標準的數(shù)字格式并通過標準通信協(xié)議發(fā)送給用戶。
(3)其由于內(nèi)含微處理器不僅可以充分發(fā)揮各種軟件的功能，且可以完成硬件難以完成的任務，因此大大降低了傳感器制造的難度，提高傳感器性能，降低成本。
2 智能傳感器特點
隨著我國航天事業(yè)的發(fā)展，對現(xiàn)有測控系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸模式提出了更高要求，導致遙測參數(shù)監(jiān)測的需求也增加，對振動、沖擊、溫度、噪聲、熱流、壓力等參數(shù)的測量需要也呈現(xiàn)指數(shù)增加，采用傳統(tǒng)的傳感器勢必會對現(xiàn)有的航天運輸系統(tǒng)帶來較大的壓力，而智能傳感器在某些方面的功能和特點可以緩解這種矛盾。主要特點:
(1)易于網(wǎng)絡化，方便組網(wǎng)。智能傳感器多采用數(shù)字量輸出，易采用某種有線或無線通信協(xié)議聯(lián)結成傳感器網(wǎng)絡，減少因種類多、分布廣、布線難帶來的一系列問題。其中，有線網(wǎng)絡典型的是CAN總線， 僅需兩根線就可以掛接上百個測量點。同時，在某些局部空間，采用無線傳感網(wǎng)絡，更可以大幅減少傳統(tǒng)的電纜網(wǎng)數(shù)量。
(2)易于實現(xiàn)自檢。由于微處理器的存在，相對于傳統(tǒng)傳感器，可以在不增加硬件的條件下對傳感器進行自檢，檢測傳感器各部分是否正常，并可診斷發(fā)生故障的部件。
(3)易于提高測量精度。同樣由于微處理器的存在，可以通過軟件對傳感器的非線性、溫度漂移、時間漂移、響應時間等進行自動補償，提高測量精度。
(4)易于實現(xiàn)小型化。為滿足航天運輸系統(tǒng)復雜的測量環(huán)境，傳統(tǒng)傳感器需要多重濾波電路，增加了體積并帶來功耗問題，而智能傳感器可以根據(jù)內(nèi)部程序，實現(xiàn)數(shù)字濾波，甚至進行統(tǒng)計處理剔除不符合要求的測量值。
(5)易于實現(xiàn)集成化。由于微電子和微機械加工技術的發(fā)展，適于批量化生產(chǎn)、易于集成和實現(xiàn)智能化的MEMS傳感器快速發(fā)展起來，推動了傳感器向小型化、高性能化和低耗電化方向發(fā)展。
3 在航天運輸系統(tǒng)中的應用
適用于箭載復雜現(xiàn)場環(huán)境的實時無線傳感網(wǎng)絡已在運載火箭發(fā)射過程中得到了應用。該無線傳感網(wǎng)絡主要部件之一就是智能無線傳感器/變換器。其中，智能無線傳感器是通過一體式或分體式設計，以實現(xiàn)火箭飛行過程中的溫度、濕度、壓力、熱流等環(huán)境參數(shù)和低頻振動、高頻振動等的測量。具體表現(xiàn):
(1)一體式設計。所謂一體式智能傳感器是指敏感芯體與后端的微處理器模塊集成在一個殼體內(nèi)，敏感信號直接送至微處理器模塊AD采樣，并經(jīng)微處理器模塊內(nèi)部軟硬件上的處理，線性化、歸一化后交至無線通信模塊后發(fā)送至數(shù)據(jù)接收終端。圖1 顯示了以一體化的智能無線壓力傳感器為例的原理框圖。
(2)分體式設計。由于現(xiàn)場使用環(huán)境特別是溫度范圍的限制，部分測點采用分體式傳感器，所謂分體式是指敏感芯體與后端的微處理器模塊分開在兩個殼體內(nèi)。敏感探頭和后端微處理器模塊采用有線連接，敏感探頭的輸出信號經(jīng)有線傳輸至微處理器模塊AD采樣，再經(jīng)微處理器內(nèi)部軟硬件上的處理，線性化、歸一化后交至無線通信模塊后發(fā)送至數(shù)據(jù)接收終端。以分體式的溫度傳感器為例，其原理框圖如圖2所示。
應該看到,隨著智能化的MEMS傳感器快速發(fā)展，MEMS加速度傳感器與陀螺儀在航天運輸系統(tǒng)中應用也較為廣泛，主要應用在姿態(tài)航向基準系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)、制導系統(tǒng)等。特別是在火箭發(fā)射過程中的振動狀態(tài)監(jiān)測，MEMS振動加速度傳感器因其體積小、精度高、功耗低而成為兩器統(tǒng)型化的方向。
4 結束語
智能傳感器和傳統(tǒng)傳感器相比在精度、可靠性、自適應性等方面都有優(yōu)勢。它改變了原有傳統(tǒng)傳感器的設計理念和應用模式，代表著將來傳感器技術的發(fā)展趨勢。它將微處理技術引入傳感器，使傳感器具有了一定的智能。它將對人類未來的生活產(chǎn)生深遠影響。隨著越來越多的微處理器實現(xiàn)國產(chǎn)化，智能傳感器在航天運輸系統(tǒng)的應用也必將大放異彩。
參考文獻
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作者簡介
蘭之康，畢業(yè)于東南大學MEMS微電子系統(tǒng)工程專業(yè),在讀博士研究生學歷。2008年4月至2017年9月任美國霍尼韋爾傳感與物聯(lián)網(wǎng)事業(yè)部項目經(jīng)理，研發(fā)經(jīng)理。2017年9月至2017年12月任高華科技股份有限公司慣性傳感器與微系統(tǒng)事業(yè)部經(jīng)理，2018年1月至今任高華科技股份有限公司副總經(jīng)理、技術中心主任。
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