載人飛船用HB-3型超低風(fēng)速傳感器

1.引言

近年來(lái)，風(fēng)速傳感器的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，特別是超低速(V<1m/s)的風(fēng)速傳感器被廣泛地應(yīng)用于航空、航天、氣象、生物醫(yī)學(xué)動(dòng)力學(xué)和許多的民用工業(yè)、服務(wù)行業(yè)及體育運(yùn)動(dòng)場(chǎng)館等多個(gè)方面。同時(shí)，對(duì)風(fēng)速傳感器的測(cè)量范圍和測(cè)量精度要求也越來(lái)越高。

目前，國(guó)外許多廠家研制風(fēng)速傳感器，其測(cè)量風(fēng)速的分辨率都達(dá)到了V<0.01m/s的高靈敏度，這相當(dāng)于壓差式傳感器的靈敏度要達(dá)到△P<0.0025mm水柱的精度。測(cè)量誤差可以控制在讀數(shù)的5%以內(nèi)。近代風(fēng)速傳感器的迅猛發(fā)展，要首推丹麥，由于它的研究、生產(chǎn)和使用緊密結(jié)合的開發(fā)體制，使它始終居世界領(lǐng)先地位。其次是美國(guó)，近年來(lái)，日本也急起直追，居世界第三。但是半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)風(fēng)速傳感器的研制和生產(chǎn)，長(zhǎng)期處于較落后的狀態(tài)。特別對(duì)于V<1m/s的超低風(fēng)速，由于沒(méi)有合適的標(biāo)定設(shè)備，給不出精度，仍然無(wú)法使用。特別不能用于像航空、航天等有高精度和高可靠性要求的領(lǐng)域。

　　近3～4年來(lái)，隨著我國(guó)航天事業(yè)的發(fā)展，中國(guó)航天科技集團(tuán)公司七○一研究所與中國(guó)航天科技集團(tuán)公司北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部合作，使我國(guó)熱球風(fēng)速傳感器的研制能力向前大大推進(jìn)了一步。它所研制的第三代產(chǎn)品—HB-3型熱球風(fēng)速傳感器(圖1)已經(jīng)能滿足我國(guó)載人飛船的使用要求，它的綜合性能，與國(guó)內(nèi)同類產(chǎn)品相比，有以下優(yōu)點(diǎn)。

(1)安全可靠，杜絕短路，有很強(qiáng)的自我保護(hù)能力，滿足航天飛行第一需要。

(2)實(shí)行機(jī)電一體化設(shè)計(jì)，將電源線路和信號(hào)輸出線路合二為一，因而體積小，重量只有200克，滿足航天飛行重量輕體積小必要條件。

(3)測(cè)量風(fēng)速的分辨率V≤0.001m/s，能測(cè)出風(fēng)速的下限可延伸至V=0.02m/s，甚至可以更小的超低風(fēng)速，測(cè)量誤差能控制在量程范圍內(nèi)任一讀數(shù)的5%，也就是說(shuō)，可以精確到V=0.001m/s的水平，相當(dāng)于壓差式傳感器的壓差△P=0.00025mm水柱的精度。它可以測(cè)量半球方向(三維)來(lái)流的風(fēng)速，除子午角φ=60°，180°，300°三個(gè)子午角方向的風(fēng)速，誤差達(dá)到10%左右外，其余φ=0°～360°的子午角和緯度角γ=0°～±90°方向的來(lái)流風(fēng)速測(cè)量誤差均小于讀數(shù)的5%。

(4)通過(guò)了飛船從地面發(fā)射到軌道飛行，返回地面全過(guò)程出現(xiàn)的各種力學(xué)環(huán)境的鑒定級(jí)和驗(yàn)收級(jí)試驗(yàn)。HB-3型風(fēng)速傳感器能承受的過(guò)載系數(shù)K=500g(g-重力加速度)，這意味著，一旦飛船故障著陸墜毀，而傳感器仍安全無(wú)恙。

(5)它具有電路短路保護(hù)，電磁兼容等能力，并通過(guò)了鑒定級(jí)和驗(yàn)收級(jí)抗各種強(qiáng)電磁干擾的EMC試驗(yàn)。

(6)使用方便，在標(biāo)定中給出了每支傳感器輸出電壓與風(fēng)速之間的統(tǒng)一標(biāo)定公式，而每一公式之間的區(qū)別，僅僅反映在公式中的系數(shù)和指數(shù)的差別，而這些系數(shù)和指數(shù)，都在標(biāo)定中給出。在飛船上使用時(shí)，只要將地面遙測(cè)到的每支傳感器的輸出電壓值，代入對(duì)應(yīng)(編號(hào))的公式中，就立即給出了飛船上各地區(qū)的風(fēng)速值，所以應(yīng)用十分方便。

2.標(biāo)定設(shè)備簡(jiǎn)介

為了標(biāo)定這種高精度、高性能的超低速風(fēng)速傳感器，航天七○一所還建造了兩座標(biāo)定設(shè)備。一座是BIA-C流場(chǎng)模擬裝置，可標(biāo)定風(fēng)速的量程為V=0～2m/s，它的靈敏度可顯示出V=0.001m/s的風(fēng)速，同時(shí)還具備變壓力(P=0.01～0.01MPa)、變溫度(T=-20℃～45℃)、變濕度(RH=30%～100%)的功能。另一座是變密度低速風(fēng)洞，能標(biāo)定風(fēng)速V=1～30m/s，標(biāo)定誤差仍可控制在讀數(shù)的5% 以內(nèi)，壓力變化P=0.1～0.01MPa。這兩座標(biāo)定設(shè)備的建立，滿足了神舟號(hào)載人飛船上使用的高精度高性能風(fēng)速傳感器的標(biāo)定精度要求，對(duì)推進(jìn)我國(guó)風(fēng)速傳感器的近代發(fā)展，起了很重要的作用。

3.風(fēng)速傳感器的工作原理

假設(shè)單位時(shí)間內(nèi)熱線(或熱球)傳給介質(zhì)(氣流)的熱量，等于單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)熱線或熱球的電流所做的功。則可以應(yīng)用熱力學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)和電學(xué)之間的關(guān)系建立起熱線或熱球風(fēng)速傳感器工作的參數(shù)方程：

式中：A、B是熱線電阻，導(dǎo)熱系數(shù)和Pr數(shù)的函數(shù)，可以由理論算出，也可以在標(biāo)定時(shí)給出，E是傳感器輸出電壓，它是氣流密度ρg和氣流溫度Tg的函數(shù)。有時(shí)為了方便，可寫出上式的反函數(shù)形式：

式中A1=0，B1和n1是能用標(biāo)定數(shù)據(jù)給出，這樣，只要知道傳感器的輸出電壓，就能用(2)式很簡(jiǎn)單地算出風(fēng)速V來(lái)。

4.溫度對(duì)風(fēng)速的影響

　由方程(1)可知，對(duì)于某一給定的風(fēng)速值V≠0，傳感器的輸出電壓E = f (ρg·Tg)，因此，只要討論ρg、Tg對(duì)于電壓E的影響，就能知道對(duì)風(fēng)速V的影響。

由(1)可知

這種影響反映在速度的變化，如圖(2)所示，在△T=7.5℃時(shí)， >8%。

5. 密度對(duì)風(fēng)速的影響

又由(1)式可知：

密度對(duì)風(fēng)速的影響，往往用壓力表示，由狀態(tài)方程

代入(4)可得：

圖3給出了壓力從P=0.1Mpa下降到0.0275MPa時(shí)， >80%。可見壓力的變化對(duì)速度的影響很大。

另外，在標(biāo)定中還做了改變空氣的相對(duì)濕度(RH=0.3-1.0)后對(duì)風(fēng)速的影響，標(biāo)定結(jié)果表明，濕度影響可以略去不計(jì)。

6.對(duì)影響風(fēng)速因素(Tg、Pg)的修正

風(fēng)速傳感器在飛船上應(yīng)用時(shí)，它的環(huán)境溫度和壓力與標(biāo)定時(shí)的環(huán)境溫度和壓力是不一樣的，對(duì)測(cè)出的速度V值，必然有影響，因此必須做出修正。

在溫度變化范圍不大的情況下，對(duì)(1)式中的溫度項(xiàng)(Tw-Tg)做線性修正就行了，因此，在應(yīng)用(5)式的同時(shí)可導(dǎo)出：

式中A2，B2和n2對(duì)每一支傳感器都能在標(biāo)定中給出，而Rg，Rw，Rgst都能從溫度分度表中查出，Pg和Pgst均為已知，只要測(cè)出傳感器的輸出電壓，就能從(7)式中很快算出在飛船上各處的風(fēng)速值。

7. 結(jié)論

(一)當(dāng)V≠0時(shí)，在△T=7.5℃時(shí)，溫度的變化對(duì)傳感器測(cè)出速度的影響，可達(dá)到8%左右，因而溫度的影響不可以略去。

(二)氣體的密度反映在壓力變化上，對(duì)傳感器風(fēng)速的影響很大。當(dāng)壓力從0.1MPa下降到0.0275MPa時(shí)，傳感器測(cè)出的風(fēng)速下降80%以上。

(三)相對(duì)濕度的變化，反映在氣體密度的變化上，相對(duì)濕度從30%增加到100%時(shí)，密度的變化不到1%，因而相對(duì)濕度對(duì)風(fēng)速傳感器精度的影響可以略去。