摘要:智能傳感器的應(yīng)用有助于提升航天運(yùn)輸系統(tǒng)的運(yùn)載能力和安全性能。本文在介紹了智能傳感器及其特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,探討了智能傳感器在運(yùn)載火箭上的研究和應(yīng)用情況,闡述了智能傳感器的實(shí)現(xiàn)途徑,旨在為有更多的研究成果能得到應(yīng)用，以提高我國(guó)航空航天領(lǐng)域的測(cè)量水平,更好適應(yīng)航天航空事 業(yè)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞:智能傳感器;航天運(yùn)輸;測(cè)量

0 引言

在電子信息時(shí)代，電子信息對(duì)各行各業(yè)都有著導(dǎo)向性發(fā)展的作用，航天運(yùn)輸系統(tǒng)也一樣，當(dāng)下電子信息技術(shù)已經(jīng)成為航天運(yùn)輸系統(tǒng)發(fā)展的主要因素。隨著電子信息技術(shù)在航天運(yùn)輸系統(tǒng)的應(yīng)用，航天運(yùn)輸系統(tǒng)的運(yùn)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(yīng)該看到，隨著航天飛行技術(shù)的發(fā)展，為保證航天運(yùn)輸系統(tǒng)的安全可靠，不僅要求傳感器測(cè)量精度高、工作穩(wěn)定、反應(yīng)迅速，而且要求具有數(shù)據(jù)分析處理和存儲(chǔ)功能，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)分析判斷、遠(yuǎn)程通信等功能。因此，傳統(tǒng)傳感器由于其檢測(cè)功能比較單一、體積較大等缺點(diǎn)，已逐漸不能滿(mǎn)足應(yīng)用需求，必須使用性能更好的智能傳感器才能完成不同測(cè)控項(xiàng)目的測(cè)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(jī)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(cè)的功能與微處理器信息處理的功能有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)傳感器性能的不足。

(2)其能夠?qū)Σ杉降脑济舾行畔⑼ㄟ^(guò)先進(jìn)軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)信息處理、信息記憶、邏輯思維與判斷功能，從而實(shí)現(xiàn)自校準(zhǔn)、自補(bǔ)償?shù)?，最終將原始信息轉(zhuǎn)換成某種標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字格式并通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議發(fā)送給用戶(hù)。

(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(wù)，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(diǎn)

隨著我國(guó)航天事業(yè)的發(fā)展，對(duì)現(xiàn)有測(cè)控系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸模式提出了更高要求，導(dǎo)致遙測(cè)參數(shù)監(jiān)測(cè)的需求也增加，對(duì)振動(dòng)、沖擊、溫度、噪聲、熱流、壓力等參數(shù)的測(cè)量需要也呈現(xiàn)指數(shù)增加，采用傳統(tǒng)的傳感器勢(shì)必會(huì)對(duì)現(xiàn)有的航天運(yùn)輸系統(tǒng)帶來(lái)較大的壓力，而智能傳感器在某些方面的功能和特點(diǎn)可以緩解這種矛盾。主要特點(diǎn):

(1)易于網(wǎng)絡(luò)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(xiàn)或無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議聯(lián)結(jié)成傳感器網(wǎng)絡(luò)，減少因種類(lèi)多、分布廣、布線(xiàn)難帶來(lái)的一系列問(wèn)題。其中，有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)典型的是CAN總線(xiàn)， 僅需兩根線(xiàn)就可以?huà)旖由习賯€(gè)測(cè)量點(diǎn)。同時(shí)，在某些局部空間，采用無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)，更可以大幅減少傳統(tǒng)的電纜網(wǎng)數(shù)量。

(2)易于實(shí)現(xiàn)自檢。由于微處理器的存在，相對(duì)于傳統(tǒng)傳感器，可以在不增加硬件的條件下對(duì)傳感器進(jìn)行自檢，檢測(cè)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(cè)量精度。同樣由于微處理器的存在，可以通過(guò)軟件對(duì)傳感器的非線(xiàn)性、溫度漂移、時(shí)間漂移、響應(yīng)時(shí)間等進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償，提高測(cè)量精度。

(4)易于實(shí)現(xiàn)小型化。為滿(mǎn)足航天運(yùn)輸系統(tǒng)復(fù)雜的測(cè)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(lái)功耗問(wèn)題，而智能傳感器可以根據(jù)內(nèi)部程序，實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波，甚至進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理剔除不符合要求的測(cè)量值。

(5)易于實(shí)現(xiàn)集成化。由于微電子和微機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展，適于批量化生產(chǎn)、易于集成和實(shí)現(xiàn)智能化的MEMS傳感器快速發(fā)展起來(lái)，推動(dòng)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(yùn)輸系統(tǒng)中的應(yīng)用

適用于箭載復(fù)雜現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的實(shí)時(shí)無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)已在運(yùn)載火箭發(fā)射過(guò)程中得到了應(yīng)用。該無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)主要部件之一就是智能無(wú)線(xiàn)傳感器/變換器。其中，智能無(wú)線(xiàn)傳感器是通過(guò)一體式或分體式設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)火箭飛行過(guò)程中的溫度、濕度、壓力、熱流等環(huán)境參數(shù)和低頻振動(dòng)、高頻振動(dòng)等的測(cè)量。具體表現(xiàn):

(1)一體式設(shè)計(jì)。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(gè)殼體內(nèi)，敏感信號(hào)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(xiàn)性化、歸一化后交至無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)壓力傳感器為例的原理框圖。

(2)分體式設(shè)計(jì)。由于現(xiàn)場(chǎng)使用環(huán)境特別是溫度范圍的限制，部分測(cè)點(diǎn)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(kāi)在兩個(gè)殼體內(nèi)。敏感探頭和后端微處理器模塊采用有線(xiàn)連接，敏感探頭的輸出信號(hào)經(jīng)有線(xiàn)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(xiàn)性化、歸一化后交至無(wú)線(xiàn)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(yīng)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(yùn)輸系統(tǒng)中應(yīng)用也較為廣泛，主要應(yīng)用在姿態(tài)航向基準(zhǔn)系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)、制導(dǎo)系統(tǒng)等。特別是在火箭發(fā)射過(guò)程中的振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)，MEMS振動(dòng)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(jié)束語(yǔ)

智能傳感器和傳統(tǒng)傳感器相比在精度、可靠性、自適應(yīng)性等方面都有優(yōu)勢(shì)。它改變了原有傳統(tǒng)傳感器的設(shè)計(jì)理念和應(yīng)用模式，代表著將來(lái)傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。它將微處理技術(shù)引入傳感器，使傳感器具有了一定的智能。它將對(duì)人類(lèi)未來(lái)的生活產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。隨著越來(lái)越多的微處理器實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，智能傳感器在航天運(yùn)輸系統(tǒng)的應(yīng)用也必將大放異彩。

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作者簡(jiǎn)介

蘭之康，畢業(yè)于東南大學(xué)MEMS微電子系統(tǒng)工程專(zhuān)業(yè),在讀博士研究生學(xué)歷。2008年4月至2017年9月任美國(guó)霍尼韋爾傳感與物聯(lián)網(wǎng)事業(yè)部項(xiàng)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(shù)中心主任。