关于压力传感器在航天技术方面应用的调查ppt课件

1、;tv.people/GB/150716/162500/162501/15805580.html; 航天测控仪表传感器技术开展的历史回想航天测控仪表传感器技术开展的历史回想1.1 1.1 运用情况运用情况 国内、外航天飞行器测控用传感器的运用情况国内、外航天飞行器测控用传感器的运用情况, ,大体上可以分为以下几个大体上可以分为以下几个方面方面: : (1) (1) 监视飞行器各分系统与部件在飞行过程中的任务形状；监视飞行器各分系统与部件在飞行过程中的任务形状； 运载火箭的箭上系统有动力系统运载火箭的箭上系统有动力系统( (固、液体发动机、燃料贮箱、泵、活门、固、液体发动机、燃料贮箱、泵、活门、

2、增压系统、管路等增压系统、管路等) ) 、控制系统、附加系统、推进剂利用系统、遥测系统等。、控制系统、附加系统、推进剂利用系统、遥测系统等。在载人飞行器中在载人飞行器中( (航天飞机、飞船航天飞机、飞船) ) 那么有缺点检测与诊断系统、舱内环境控那么有缺点检测与诊断系统、舱内环境控制与生命保证系统、逃逸救生系统、飞船舱外活动制与生命保证系统、逃逸救生系统、飞船舱外活动( EVA) ( EVA) 与再入登陆系统与再入登陆系统( (陆地或水面陆地或水面) ) 。在一切系统中。在一切系统中, ,都离不开仪表传感器对其任务形状进展检测。都离不开仪表传感器对其任务形状进展检测。 (2) (2) 监视飞行

3、器本身的任务形状与相对位置等运动信息监视飞行器本身的任务形状与相对位置等运动信息, ,向飞行器上的测控向飞行器上的测控系统提供有用信息；系统提供有用信息；3) 3) 向载人飞行器的测、控系统中的缺点检测、环境控制逃逸救生、飞船舱向载人飞行器的测、控系统中的缺点检测、环境控制逃逸救生、飞船舱外活动与再入登陆等系统提供有用信息。外活动与再入登陆等系统提供有用信息。;事例事例 在国外在国外, ,航天飞行器的各大系统均运用了大量传感器航天飞行器的各大系统均运用了大量传感器, ,例如美国的航天飞机一次例如美国的航天飞机一次发射飞行过程中所用的传感器的总量到达发射飞行过程中所用的传感器的总量到达3500

4、3500 只只( (运载火箭的用量为运载火箭的用量为2500 2500 只只, ,航航天飞机上为天飞机上为1000 1000 只只 , ,俄罗斯的俄罗斯的“能源号能源号(Energia) (Energia) 运载火箭在发射运载火箭在发射“暴风雪暴风雪号号(Buran) (Buran) 飞船时用了飞船时用了39 39 种类型的传感器种类型的传感器, ,箭、船总用量同样到达了箭、船总用量同样到达了3500 3500 只只 。 再如欧空局发射的再如欧空局发射的“阿里安娜阿里安娜- 5- 5(Ariane5) (Ariane5) 火箭火箭 , ,在研制初期在研制初期, ,不同的阶段不同的阶段选用不同种

5、类的传感器总量多少也不一样。如全箭试车时用了压力、温度、冲击、选用不同种类的传感器总量多少也不一样。如全箭试车时用了压力、温度、冲击、振动、位移、液位、扭矩等类的传感器总量为振动、位移、液位、扭矩等类的传感器总量为620 620 只只, ,其中其中, ,发动机参数约为发动机参数约为377 377 个个; ;全箭在研制开展阶段全箭在研制开展阶段, ,传感器的选用量到达传感器的选用量到达435 435 只只, ,质量鉴定阶段约需质量鉴定阶段约需190 190 只只, ,验收实验约为验收实验约为170 170 只。在飞行实验阶段只。在飞行实验阶段, ,必需的丈量参数大约为必需的丈量参数大约为260

6、260 个个, ,其中用于其中用于发动机参数丈量的传感器到达了发动机参数丈量的传感器到达了100 100 只。从只。从19961996至至1997 1997 发射的发射的Ariane5 Ariane5 根本型至根本型至今今 ,Ariane5 ,Ariane5 火箭曾经构成一个家族火箭曾经构成一个家族, ,可以将可以将7 7 吨到吨到12 12 吨的有效载荷送入不同的吨的有效载荷送入不同的轨道执行不同的义务轨道执行不同的义务, ,时间由时间由45 45 分钟到分钟到5 5 小时。在一次飞行实验中小时。在一次飞行实验中, ,所用各种物理所用各种物理量传感器总量在量传感器总量在5705701100

7、1100 只左右。只左右。 我国目前的大型运载火箭在执行一次飞行义务时我国目前的大型运载火箭在执行一次飞行义务时, ,普通需数百只传感器。神舟普通需数百只传感器。神舟六号载人飞行时的船、箭所用的测控用传感器总量达千余台套六号载人飞行时的船、箭所用的测控用传感器总量达千余台套, ,所用各类传感器的所用各类传感器的原理与国外根本一样。原理与国外根本一样。;1.2 1.2 航天测控用传感器开展回想航天测控用传感器开展回想 我国航天遥测与控制用传感器事业的开展曾经阅历了我国航天遥测与控制用传感器事业的开展曾经阅历了40 40 余年余年, ,第一代遥测、测控第一代遥测、测控用传感器是以构外型传感器中的电

8、位计式传感器为主体的用传感器是以构外型传感器中的电位计式传感器为主体的, ,诸如电位计式压力、过载、诸如电位计式压力、过载、角速度、角位移、转速、相对位移等角速度、角位移、转速、相对位移等, ,并辅之以热电阻、热电偶、半导体热敏电阻温并辅之以热电阻、热电偶、半导体热敏电阻温度传感器等。其效力对象以液体火箭为主度传感器等。其效力对象以液体火箭为主, ,用于遥测与部分控制系统中用于遥测与部分控制系统中( (如推进剂利用、如推进剂利用、耗尽机关等系统中的液位传感器、过载开关等耗尽机关等系统中的液位传感器、过载开关等) ) 。 第一代遥测传感器的主要特点是输出信号大、不需求二次仪表第一代遥测传感器的主

9、要特点是输出信号大、不需求二次仪表( (信号调理器信号调理器) ) 。它是建立在当时的航空仪表和工业自动化仪表消费工艺根底上它是建立在当时的航空仪表和工业自动化仪表消费工艺根底上( (精细机械加工工艺精细机械加工工艺) ,) ,具有小批量消费条件具有小批量消费条件, ,保证了第一代航天飞行器测控义务的需求。保证了第一代航天飞行器测控义务的需求。 第一代传感器技术大多来源于飞机自动驾驶仪表第一代传感器技术大多来源于飞机自动驾驶仪表, ,经过选用或更改设计经过选用或更改设计, ,只需部分只需部分传感器是自行研制、设计的传感器是自行研制、设计的, ,如相对位移、气体与介质流量计、热流、噪声、位移、如

10、相对位移、气体与介质流量计、热流、噪声、位移、液位、转速、超声测厚等传感器。液位、转速、超声测厚等传感器。电位计式压力传感器实物图电位计式压力传感器实物图; 第一代航天传感器的固有缺陷是机械传动机构与运动零部件多第一代航天传感器的固有缺陷是机械传动机构与运动零部件多, ,在恶劣的力学在恶劣的力学环境条件下任务不可靠环境条件下任务不可靠, ,检测参数的机电信号转换与传送经过机械传动机构来实现检测参数的机电信号转换与传送经过机械传动机构来实现, ,传送零件间的相互磨擦带来较大误差传送零件间的相互磨擦带来较大误差, ,因此，精度低因此，精度低, ,普通在普通在(1.5(1.53.0) % ,3.0)

11、 % ,被测参被测参数主要集中在压力、热、位置、运动参数及介质流量。数主要集中在压力、热、位置、运动参数及介质流量。 航天遥测与控制用传感器的第二代产品的开发任务是从提高传感器的精度与可航天遥测与控制用传感器的第二代产品的开发任务是从提高传感器的精度与可靠性角度提出来的。如火箭熄灭室压力以及后来的过载参数等靠性角度提出来的。如火箭熄灭室压力以及后来的过载参数等, ,从飞行器的实践检从飞行器的实践检测需求测需求, ,希望把精度希望把精度(1.5(1.53.0) %3.0) %的程度提高一个数量级到的程度提高一个数量级到(1.0(1.01.5) %1.5) %。 同时同时, ,由于液体火箭的推力不

12、断加大由于液体火箭的推力不断加大, ,再加上固体火箭的开展再加上固体火箭的开展, ,箭上的力学环境箭上的力学环境条件逐渐变得恶劣。对此条件逐渐变得恶劣。对此, ,美国国家宇航局美国国家宇航局(NASA) (NASA) 在火箭、航天飞机研制的各个阶在火箭、航天飞机研制的各个阶段都有各类传感器应做那些环境实验的专题研讨报告段都有各类传感器应做那些环境实验的专题研讨报告, ,用来改善与提高传感器的可用来改善与提高传感器的可靠性。靠性。 在我国的一些飞行器的飞行实验过程中在我国的一些飞行器的飞行实验过程中, ,也遇到了类似的问题也遇到了类似的问题( (如电位计传感器如电位计传感器在飞行过程中输出信号在

13、记录胶片上呈现一片散点在飞行过程中输出信号在记录胶片上呈现一片散点, ,无法判读实践丈量结果等无法判读实践丈量结果等) ) 。; 70 70 年代中期年代中期, ,由于电子元件器开展的程度曾经有能够实现传感器信号调理由于电子元件器开展的程度曾经有能够实现传感器信号调理器的小型化器的小型化( (分立元件、印制板搭建的电路分立元件、印制板搭建的电路) ) 并能满足当时飞行器对测控仪表传并能满足当时飞行器对测控仪表传感器的运用要求感器的运用要求( (主要指体积和分量主要指体积和分量) ,) ,在此根底上研讨、开发了一批以场效应在此根底上研讨、开发了一批以场效应原理为根底的接近式、高可靠性传感器原理为

14、根底的接近式、高可靠性传感器( (图图1) ,1) ,如电感压差传感器图如电感压差传感器图2 2等一等一批高可靠性能的传感器。批高可靠性能的传感器。图图2 2 电感压差传感器电感压差传感器图图1 1 霍尔传感器霍尔传感器; 一些新型航天测控压力传感器一些新型航天测控压力传感器 为了满足航天飞行器测控的需求为了满足航天飞行器测控的需求,减少与国际先进航天传感器差距减少与国际先进航天传感器差距,顺应现代传感顺应现代传感器微小型化、集成化、智能化、网络化的开展趋势器微小型化、集成化、智能化、网络化的开展趋势,我们开展了一系列具有高精度、我们开展了一系列具有高精度、小型化、耐恶劣环境、较高技术程度的传

15、感器研制。小型化、耐恶劣环境、较高技术程度的传感器研制。 2.1 宽温区小型化压力传感器宽温区小型化压力传感器 宽温区小型化压力传感器是为某飞行器提出的新品研制课题宽温区小型化压力传感器是为某飞行器提出的新品研制课题,用于某飞行器上高压用于某飞行器上高压气瓶压力丈量。本传感器具有小型化、宽温区的特点气瓶压力丈量。本传感器具有小型化、宽温区的特点,因此研讨的重点在于三个方因此研讨的重点在于三个方面面: 一是小型高量程膜片的设计一是小型高量程膜片的设计, 二是构造的优化二是构造的优化, 三是宽温区的顺应性。三是宽温区的顺应性。 在方案设计阶段在方案设计阶段,我们选择了溅射薄膜原理压力敏感元件。其主

16、要优点是零位稳定我们选择了溅射薄膜原理压力敏感元件。其主要优点是零位稳定性、迟滞、非线性等目的较好性、迟滞、非线性等目的较好,并且由于弹性体基底为不锈钢并且由于弹性体基底为不锈钢,与接纳嘴为一样资料与接纳嘴为一样资料,因此其焊接强度高因此其焊接强度高,具有较高的平安性。具有较高的平安性。; 构造设计上是在普通压力传感器根底上进展优化设计构造设计上是在普通压力传感器根底上进展优化设计, ,既减小尺寸既减小尺寸, ,又减轻分量。样又减轻分量。样机外形为机外形为 20mm 20mm 45. 5mm ,45. 5mm ,分量减小到分量减小到40g40g。对内置放大器的航天公用传感器来说。对内置放大器的

17、航天公用传感器来说, ,这两个目的具有较强的竞争力。在宽温区设计上这两个目的具有较强的竞争力。在宽温区设计上, ,采取的措施采取的措施: : 一是电路选用低功耗器件一是电路选用低功耗器件, ,降低发热量降低发热量; ; 二是对传感器进展全密封构造设计二是对传感器进展全密封构造设计, ,以减小内外部热量交换；以减小内外部热量交换； 最后到达的目的是最后到达的目的是: :产品任务温度为产品任务温度为- 120 - 120 + 100 , + 100 ,并且在并且在- 40 - 40 + 60 + 60 内温度系数优于内温度系数优于15 ppm / 15 ppm / 。图图3 3 宽温区小型化压力传

18、感器宽温区小型化压力传感器;2.2 2.2 高温薄膜压力传感器高温薄膜压力传感器 高温薄膜压力传感器是为满足飞行器的特定要求而研制的高温薄膜压力传感器是为满足飞行器的特定要求而研制的, ,用于发动机燃油用于发动机燃油和光滑油压力丈量和光滑油压力丈量, ,为满足产品小型化、高精度的技术要求为满足产品小型化、高精度的技术要求, ,经过硬心弹性膜片经过硬心弹性膜片的合理设计的合理设计, ,在保证产品外径不大于在保证产品外径不大于16mm 16mm 的前提下的前提下,1MPa ,1MPa 量程的传感器精度量程的传感器精度( (含非线性、迟滞、反复性误差含非线性、迟滞、反复性误差) ) 均优于均优于0.

19、 3 %FS0. 3 %FS。 为满足产品长期高温环境条件下运用的要求为满足产品长期高温环境条件下运用的要求, ,产品在封装构造上采用了高温产品在封装构造上采用了高温陶瓷印制板陶瓷印制板+ + 金丝键合的封装设计金丝键合的封装设计, ,满足了型号义务飞行所需求的高温环境要满足了型号义务飞行所需求的高温环境要求和力学环境求和力学环境( (振动、冲击、加速度振动、冲击、加速度) ) 要求。要求。 为提高产品的可靠性为提高产品的可靠性, ,减少键合金丝的长度减少键合金丝的长度, ,敏感元件微电路工艺中援用了敏感元件微电路工艺中援用了薄膜激光调阻工艺技术薄膜激光调阻工艺技术, ,保证键合金丝的长度小于

20、保证键合金丝的长度小于4mm ,4mm ,极大地提高了产品的极大地提高了产品的可靠性。可靠性。;2.3 2.3 CAN 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的开展方向传感器数字化、智能化是现代传感器技术的开展方向, ,总线技术在型号上的总线技术在型号上的运用曾经势在必行运用曾经势在必行, ,目前已开发出了目前已开发出了CAN CAN 总线压力传感器总线压力传感器 。 CAN CAN 总线压力传感器技术特点总线压力传感器技术特点: : 具有温度补偿和非线性修正才干；具有温度补偿和非线性修正才干； 全温区精度高全温区精度高: 0. 2 %( - 40 : 0.

21、 2 %( - 40 + 85 ) + 85 )； 零点和满量程调整；零点和满量程调整； 具有自诊断才干；具有自诊断才干； 可同时输出压力和温度参数可同时输出压力和温度参数; ; 数字量输出数字量输出, ,符合符合CAN2. 0 CAN2. 0 协议规范协议规范, ,减少传输误差；减少传输误差； 电子标签电子标签, ,便于系统管理；便于系统管理； 降低电缆网复杂程度和测试本钱降低电缆网复杂程度和测试本钱, ,提高可靠性和可维修性。提高可靠性和可维修性。;未来航天测控传感器的开展趋势未来航天测控传感器的开展趋势 为提高有效载荷的才干为提高有效载荷的才干, ,航天飞行器对测控传感器提出了体积小、分

22、量航天飞行器对测控传感器提出了体积小、分量轻、功耗低的要求轻、功耗低的要求, ,对一些小型飞行器、再入飞行器与载人飞行器对一些小型飞行器、再入飞行器与载人飞行器, ,这方面的这方面的要求更高要求更高( (用量大用量大, ,对体积、分量与供电有严厉要求对体积、分量与供电有严厉要求) ) 。 航天飞行器提出了更严酷的环境条件要求。航天飞行器提出了更严酷的环境条件要求。 战术武器中子母弹要在一定区域进展抛撒战术武器中子母弹要在一定区域进展抛撒, ,经过弹性包带沿着径向把许经过弹性包带沿着径向把许多子弹进展抛撒多子弹进展抛撒, ,在在ms ms 级的时间内级的时间内, ,把子弹在径向的速度提高到几十到

23、上百把子弹在径向的速度提高到几十到上百m/s ,m/s ,这样这样, ,在抛撒时产生的冲击加速度将高达在抛撒时产生的冲击加速度将高达10000g10000g。例如。例如, ,某些飞行器就某些飞行器就需求满足需求满足4ms4ms、10000g 10000g 的冲击力学环境。的冲击力学环境。 随着我国的科学技术与航天事业的快速开展随着我国的科学技术与航天事业的快速开展, ,我国曾经迈入了世界航天大国我国曾经迈入了世界航天大国的行列的行列, ,种类繁多的新型航天飞行器对测控传感器提出了更多与更高的要求种类繁多的新型航天飞行器对测控传感器提出了更多与更高的要求, ,一一些传统的航天传感器技术曾经不能很

24、好地满足新型号对传感器提出的要求些传统的航天传感器技术曾经不能很好地满足新型号对传感器提出的要求, ,急待急待技术更新技术更新, ,归纳起来有以下几方面归纳起来有以下几方面: :;各种不同的飞行器对传感器的可靠性提出了更高的要求各种不同的飞行器对传感器的可靠性提出了更高的要求 目前目前, ,飞行器上正在运用的某些产品原理、技术比较落后飞行器上正在运用的某些产品原理、技术比较落后, ,限制了产品限制了产品的精度的精度, ,影响了丈量可靠性影响了丈量可靠性, ,例如例如, ,构外型的压力开关和加速度开关、电位器构外型的压力开关和加速度开关、电位器原理的压力传感器等。为处理这类传感器的问题原理的压力传感器等。为处理这类传感器的问题, ,需求进展原理更新。经过需求进展原理更新。经过大力开展对薄膜式压力传感器等