1、第四章 傳感器及其應(yīng)用講授人：奚伯齊E-mail：4.1 飛行控制系統(tǒng)傳感器概述4.2 環(huán)境參數(shù)傳感器及應(yīng)用4.1.1 傳感器基本工作原理敏感元件信號采集信號傳輸信號處理位于傳感器的最前端，將所敏感的物理量在一定精度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)換成電信號的器件敏感元件輸出的電信號較微弱，需通過放大、降噪等方法轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的電壓、電流或數(shù)字信號表征物理參數(shù)的電信號從傳感器傳送給存儲(chǔ)、顯示和控制裝置，信號傳輸一般分為串行和并行兩種方式飛行控制系統(tǒng)中所使用的信號是實(shí)際物理量，接收的信號需進(jìn)行數(shù)值處理，包括檢測、濾波、解算等圖4-1 傳感器工作原理示意圖本質(zhì)是通過所關(guān)心參數(shù)的某種物理效應(yīng)產(chǎn)生相應(yīng)的電信號，直接或者間接地計(jì)算

2、出所關(guān)心的參數(shù)數(shù)值，且誤差在可接受的范圍內(nèi)。傳感器是一種以一定精度將被測量信號轉(zhuǎn)換為與之有確定對應(yīng)關(guān)系的某種物理量的測量裝置。4.1.2 飛行控制系統(tǒng)中傳感器的主要類型大氣風(fēng)場發(fā)動(dòng)機(jī)空氣動(dòng)力質(zhì)心運(yùn)動(dòng)繞質(zhì)心運(yùn)動(dòng)推力控制操縱控制位置、速度姿態(tài)角環(huán)境參數(shù)傳感器其他參數(shù)傳感器運(yùn)動(dòng)參數(shù)傳感器環(huán)境參數(shù)傳感器（氣壓高度表、空速表、氣溫表、聲雷達(dá)、微波雷達(dá)、激光雷達(dá)）運(yùn)動(dòng)參數(shù)傳感器（陀螺儀、加速度計(jì)、磁強(qiáng)計(jì)、重力儀、GPS、星敏感器）目標(biāo)探測傳感器（雷達(dá)導(dǎo)引頭、紅外導(dǎo)引頭、激光導(dǎo)引頭）其他參數(shù)傳感器（壓力傳感器、溫濕度傳感器、扭矩傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器）圖4-2 飛控系統(tǒng)中傳感器類型4.1.3 傳感器性能指標(biāo)體系

3、傳感器性能指標(biāo)靜態(tài)指標(biāo)動(dòng)態(tài)指標(biāo) 測量范圍 量程 靈敏度 分辨率 漂移 線性度 精度 重復(fù)性 響應(yīng)時(shí)間 上升時(shí)間 延遲時(shí)間 超調(diào)量 幅值誤差 相位誤差 帶寬 工作頻帶時(shí)域動(dòng)態(tài)指標(biāo)頻域動(dòng)態(tài)指標(biāo)圖4-3 傳感器性能指標(biāo)體系結(jié)構(gòu)圖4.1 飛行控制系統(tǒng)傳感器概述4.2 環(huán)境參數(shù)傳感器及應(yīng)用4.2.1 大氣壓力測量圖4-4 大氣測壓管示意圖 大氣參數(shù)與飛行高度相關(guān)，而大氣壓力和高度具有較好的線性關(guān)系，因此，大氣參數(shù)傳感器一般以大氣壓力測量為基礎(chǔ)，間接獲取氣壓高度、大氣密度、空速、馬赫數(shù)等參數(shù)。 V Pt P1 V1P2 V2P3 V3APs Pt 4.2.2 大氣參數(shù)計(jì)算 利用測壓管測量到的大氣動(dòng)壓和靜壓

4、數(shù)值，可以間接計(jì)算出飛行高度、空速和馬赫數(shù)等參數(shù)。海平面標(biāo)準(zhǔn)氣壓平面（101.325kPa）真實(shí)高度地點(diǎn)標(biāo)高絕對高度相對高度機(jī)場標(biāo)高標(biāo)準(zhǔn)氣壓高度機(jī)場標(biāo)準(zhǔn)氣壓高度圖4-5 飛行高度的定義“飛行高度”是無人機(jī)在空中距離某一基準(zhǔn)面的垂直距離。 通過調(diào)整氣壓高度計(jì)的零點(diǎn)高度氣壓值分別為起飛點(diǎn)氣壓值、海平面氣壓值和標(biāo)準(zhǔn)氣壓值，可以測量相對高度、絕對高度和標(biāo)準(zhǔn)氣壓高度。4.2.2 大氣參數(shù)計(jì)算“空速”是無人機(jī)相對空氣運(yùn)動(dòng)的速度。它是飛行器的一個(gè)重要運(yùn)動(dòng)參數(shù)，常用的測量方法是通過測量相對氣流的壓力來間接測量飛行速度。 空速小于400km/h，即亞音速飛行，不考慮空氣壓縮性，大氣密度為常值； 空速大于400k

5、m/h，必須考慮空氣壓縮性，大氣密度不為常值； 海平面聲速為1224km/h，空速大于1400km/h，即超聲速飛行，將產(chǎn)生激波。“馬赫數(shù)”是飛行器的飛行速度與所在飛行高度聲速之比。當(dāng)飛行器馬赫數(shù)超過臨界馬赫數(shù)（通常為0.8馬赫附近），將出現(xiàn)局部激波，使得飛行器空氣動(dòng)力特性發(fā)生顯著變化，影響飛行器的穩(wěn)定性和操縱性。ssskRTPkc其中： k 傳熱系數(shù)(空氣k= 1.4 )； R 氣體常數(shù)(空氣R=287)； Ts 熱力系數(shù)(空氣Ts =273.15+攝氏溫度)。聲速：4.2.3 攻角/側(cè)滑角傳感器 攻角和側(cè)滑角表征了大氣來流和飛行器機(jī)體之間的角度關(guān)系，即速度坐標(biāo)系和機(jī)體坐標(biāo)系之間的歐拉角關(guān)系

6、。 風(fēng)標(biāo)式傳感器 風(fēng)標(biāo)式傳感器由具有對稱翼型剖面的葉片、傳動(dòng)軸和角度測量元件組成。V圖4-6 風(fēng)標(biāo)式傳感器工作原理圖 特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，精度低，嚴(yán)重干擾飛行器流場。其中：4.2.3 攻角/側(cè)滑角傳感器 差壓式傳感器圖4-6 差壓式傳感器工作原理圖 差壓式傳感器由探頭、葉片、氣室和角度測量元件組成。 特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，輸出信號平穩(wěn)，測量精度高，對飛行器流場干擾小。 1、 2 為差壓管和壓力傳感器時(shí)間常數(shù) 3 為差壓管傳遞延遲4.1 飛行控制系統(tǒng)傳感器概述4.2 環(huán)境參數(shù)傳感器及應(yīng)用4.3.1 陀螺儀傳感器及其特性 飛行器運(yùn)動(dòng)參數(shù)一般包括姿態(tài)角、姿態(tài)角速度、速度、加速度和空間位置等信息。運(yùn)動(dòng)

7、參數(shù)的獲取大都采用慣性原理器件進(jìn)行測量，常用的慣性器件包括陀螺儀和加速度計(jì)。圖4-7 二自由度陀螺儀原理圖 機(jī)械陀螺儀陀螺儀技術(shù)方程：4.3.1 陀螺儀傳感器及其特性 激光陀螺儀圖4-8 Sagnac效應(yīng)示意圖圖4-9 激光陀螺儀的基本組成abSQv 激光陀螺儀的特點(diǎn)：測量范圍寬、抗過載能力強(qiáng)、精度高、壽命長、可靠性好。 光程差的計(jì)算：cAL44.3.1 陀螺儀傳感器及其特性 光纖陀螺儀 光纖陀螺儀的特點(diǎn)：體積小、成本低、啟動(dòng)時(shí)間小、測量范圍寬、抗過載能力強(qiáng)、精度一般、壽命長、可靠性好。圖4-10 光纖陀螺儀原理圖4.3.1 陀螺儀傳感器及其特性 MEMS陀螺儀圖4-11 科氏效應(yīng)示意圖vFc

8、or圖4-12 振動(dòng)陀螺工作原理示意圖FcorvP MEMS陀螺儀的特點(diǎn)：體積小、成本低、可靠性高、精度低，適合構(gòu)建微型慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。 科氏效應(yīng)是指轉(zhuǎn)動(dòng)坐標(biāo)系中的運(yùn)動(dòng)物體會(huì)受到與轉(zhuǎn)動(dòng)方向垂直的慣性力作用。4.3.1 陀螺儀傳感器及其特性vvsscacacFcFT0s0sxvvcacacFcF科氏加速度：科氏慣性力：科氏慣性力矩：圖4-13 音叉式振動(dòng)陀螺原理示意圖4.3.2 加速度傳感器及其特性 加速度計(jì)是飛行控制系統(tǒng)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一，可分為擺式加速度計(jì)和非擺式加速度計(jì)兩大類，也可分為線加速度計(jì)傳感器和角加速度傳感器，通常所講的加速度計(jì)泛指線加速度傳感器。mxx1ax敏感質(zhì)量 彈簧

9、 阻尼器 儀表殼體敏感軸信號轉(zhuǎn)換電位計(jì)圖4-14 線加速度計(jì)工作原理示意圖 浮子擺式 撓性支撐擺式 擺式陀螺積分 壓電式 壓阻式 振弦式 靜電式擺式加速度計(jì)：非擺式加速度計(jì)：4.3.2 加速度傳感器及其特性 壓電式加速度計(jì)圖4-15 壓電式石英加速度計(jì)原理示意圖ma支撐底座敏感質(zhì)量石英壓電諧振器諧振器諧振器差頻整形倍頻輸出maFf2kff1f2 特點(diǎn)：體積小、成本低、結(jié)構(gòu)簡單、重量輕。4.3.2 加速度傳感器及其特性 MEMS加速度計(jì)圖4-16 MEMS加速度計(jì)原理示意圖4.3.3 慣性傳感器指標(biāo)體系 陀螺儀指標(biāo)體系 加速度計(jì)指標(biāo)體系 標(biāo)度因子（刻度因子） 零偏與零偏穩(wěn)定性 閾值與分辨率 測量

10、范圍 輸出噪聲 帶寬 標(biāo)度因子（刻度因子） 靈敏度 零位不穩(wěn)定性 線性范圍 零位誤差4.1 飛行控制系統(tǒng)傳感器概述4.2 環(huán)境參數(shù)傳感器及應(yīng)用4.4.1 目標(biāo)探測裝置工作原理 目標(biāo)探測裝置是用來對目標(biāo)進(jìn)行探測、跟蹤和識(shí)別的傳感器件系統(tǒng)。一般分為主動(dòng)式和被動(dòng)式兩大類，包括微波雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)、相機(jī)系統(tǒng)、紅外系統(tǒng)、熱成像系統(tǒng)等。 不同目標(biāo)探測傳感器的差別主要是波長，且傳感器中使用的發(fā)射機(jī)、接收機(jī)等元部件的尺寸均與波長有關(guān)。 孔徑是目標(biāo)傳感器的一個(gè)重要指標(biāo)，決定了系統(tǒng)發(fā)射或接收能量的大小，一般孔徑越大，發(fā)射與接收的能量就越大。 角分辨率是目標(biāo)傳感器的一個(gè)重要指標(biāo)，主要由雷達(dá)天線的波速寬度來決定。在孔徑尺寸相同的情況下，波長越小，分辨率越高。4.4.1 目標(biāo)探測裝置工作原理微波雷達(dá)微波雷達(dá)毫米波雷達(dá)毫米波雷達(dá)電子電子- -光學(xué)雷達(dá)光學(xué)雷達(dá)激光激光紅外、熱成像紅外、熱成像波長厘米量級毫米量級微米量級部件大小大中小孔徑大小大中小工作模式主動(dòng)式主動(dòng)式主動(dòng)式被動(dòng)式大氣層內(nèi)距離10km40km小于10km小于5km4km10km測距能力有有有無角分辨率弧度量級豪弧度量級微弧度量級目標(biāo)識(shí)別能力無無有受大氣條件影響不受影響一定程度影響嚴(yán)重影響表4-1 目標(biāo)探測傳感器性能對比4.1 飛行控制系統(tǒng)傳感器概述4.2 環(huán)境參數(shù)傳感器及應(yīng)用 傳感器的定義是