CN217211234U - 一种嵌入式大气数据传感系统测压装置 - Google Patents

一种嵌入式大气数据传感系统测压装置 Download PDF

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张自超
张宇鹏
王本章
周帆
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Abstract

本实用新型提供了一种嵌入式大气数据传感系统测压装置，包括测压孔、引气装置、耐高温SAW压力传感器和天线、阅读器、大气数据解算单元；所述测压孔分布于飞行器头部表面前端周线；所述引气装置将来自各个测压孔的大气压力引入到各个SAW压力传感器表面；所述阅读器发射宽带射频问询信号，SAW传感器接收到射频问询信号后，返回包含了压力信息的射频响应信号，阅读器分析传感器阵列返回的射频响应信号，获得各传感器单元所处位置的压力分布信息；所述阅读器将压力数据传输到大气数据解算单元，计算得到SAW传感阵列的压力信息。本实用新型无需引气管路和引线电缆，提高了高温环境下压力测量的准确性和便利性。

Description

一种嵌入式大气数据传感系统测压装置
技术领域
本实用新型涉及无线传感测试领域，尤其涉及一种无线无源式的嵌入式大气数据传感系统测压方法。
背景技术
嵌入式大气数据传感系统(Flush Airdata Sensing System，FADS)将压力传感器嵌入到飞行器表面，在飞行过程中实时获取大气数据，再由解算模块利用数学模型解算出侧滑角、马赫数等参数，从而为飞行器机动飞行、精确打击提供数据输入。
通常的嵌入式大气数据系统主要由取气装置、引气管路、压力测量单元、解算单元、数据电缆等组成，取气装置嵌入在飞行器机身前端周线，从而测量机身表面的压力分布。高速飞行器由于气动热问题严峻，通常利用引气管传递压力和隔离热量传递的功能，将高温环境下的压力引出至常温区域进行测试，然而这样的测试方法会损失高温环境下压力测试的实时性和准确性。
基于耐高温材料的声表面波(SAW，Surface Acoustic Wave)传感器件无需电源和导线，仅通过无线连接到阅读器即可实现无线询问，无需电池激励，最终实现远距离传感器信号无线无源监测，为实现FADS中压力、温度精确原位测量提供了新途径。
发明内容
本实用新型所要解决的技术问题是提供一种无线无源式的嵌入式大气数据传感系统测压装置，通过无线传感手段实现高速飞行器前端周线压力的原位测量，具有测量精确、反馈及时的特点，可为解算飞行大气数据提供可靠数据输入。
为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种嵌入式大气数据传感系统测压装置，采用如下技术方案：
所述嵌入式大气数据传感系统测压装置，包括测压孔、引气装置、耐高温SAW压力传感器和天线、阅读器、大气数据解算单元；
所述测压孔为n个，分布于飞行器头部表面前端周线；
所述SAW压力传感器阵列由n个耐高温且自带微型天线的SAW压力传感器组成，所述SAW压力传感器为谐振型结构，压力测量区间对应的频率范围为Bi，其中，i＝1,2,......,n；
在舱体结构内部为每个测压孔位安装所述引气装置和SAW压力传感器，所述引气装置将来自各个测压孔的大气压力引入到各个SAW压力传感器表面；所述阅读器发射宽带射频问询信号，频率范围覆盖B1～Bn，SAW传感器接收到射频问询信号后，返回包含了压力信息的射频响应信号，阅读器分析传感器阵列返回的射频响应信号，获得各传感器单元所处位置的压力分布信息；所述阅读器将压力数据传输到大气数据解算单元，利用数学模型计算得到侧滑角、马赫数等参数。
进一步的，所述SAW压力传感器压力测量区间对应的频率范围Bi和Bi+1之间有一定的间隔。
进一步的，所述SAW压力传感器包括温度敏感单元、固定端、悬臂梁端、压力敏感单、压电基底；所述温度敏感单元位于与所述压电基底固定的固定端；所述压力敏感单元位于所述悬臂梁端，与压电基底变形方向平行；所述温度敏感单元和压力敏感单元互相垂直分布，分别对应相互分离的两个谐振频率。
进一步的，所述SAW谐振型传感器放在高温压力罐内进行地面模拟试验计量标定，得到不同温度条件下传感器谐振频率与压力的对应函数关系；所述阅读器利用地面试验标定的不同温度下谐振频率与压力的对应函数关系，实现温度和压力解耦，从而得到各个SAW压力传感器的实时压力数据。
本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
基于耐高温材料的SAW压力传感器可直接测量来流大气压力，无需引气管路，提高了高温环境下压力测量的实时性和准确性；
SAW压力传感器自带微型天线，采用电磁波进行信号收发，无需引线电缆，提高了安装和维修的便利性；
SAW压力传感器无需接电，采用阅读器射频信号激励方式工作，节省飞行器能源。
附图说明
所包括的附图用来提供对本实用新型实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本实用新型的实施例，并与文字描述一起来阐释本实用新型的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本实用新型实施例提供的嵌入式大气数据传感系统测压装置原理框图；
图2示出了本实用新型实施例提供的SAW压力传感器结构示意图；
图3示出了本实用新型实施例提供的阅读器结构示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本实用新型及其应用或使用的任何限制。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
如图1所示，本实用新型实施例提供的一种嵌入式大气数据传感系统测压装置包括测压孔、引气装置、耐高温SAW压力传感器和天线、阅读器、大气数据解算单元。所述测压孔为n个，分布于飞行器头部表面前端周线。所述引气装置、SAW压力传感器阵列、阅读器、大气数据解算单位均位于飞行器舱体结构内部。
所述SAW压力传感器阵列由n个耐高温且自带微型天线的SAW压力传感器组成，SAW压力传感器通过频分复用实现多标签编码。工作原理如下：SAW压力传感器i(i＝1,2,......,n)为谐振型结构，其工作频率随环境压力变化，压力测量区间对应的频率范围为Bi，Bi和Bi+1之间有一定的间隔，以避免不同传感器之间的串扰。
所述阅读器发射宽带射频问询信号，频率范围覆盖B1～Bn。
在舱体结构内部为每个测压孔位安装引气装置和SAW压力传感器，所述引气装置将来自各个测压孔的大气压力引入到各个耐高温SAW压力传感器表面，进而引起传感器谐振频率变化。所述阅读器发射宽带射频问询信号，频率范围覆盖所述SAW压力传感器阵列的频带；SAW传感器单元接收到射频问询信号后，感知周围压力信息，并返回包含了压力信息的射频响应信号，阅读器分析传感器阵列返回的射频响应信号，获得各传感器单元所处位置的压力分布信息。阅读器通过RS422串行通信将压力数据传输到大气数据解算单元，利用数学模型计算得到侧滑角、马赫数等参数。
如图2所示，在本实用新型的一些实施例中，所述SAW压力传感器包括温度敏感单元1、固定端2、悬臂梁端3、压力敏感单4、压电基底5、传感器天线8。所述温度敏感单元1和压力敏感单元4均由叉指换能器6和两个反射栅7组成，两个敏感单元分别对应相互分离的两个谐振频率来感应外部环境的变化。通常温度和压力都会引起SAW传感器谐振频率变化。耐高温SAW传感器使用前会标定出不同温度下的压力与谐振频率的函数关系，只要能实现温度和压力的同时测量，即可利得到高温条件下的压力信息。因为表面声波由叉指换能器6激发并沿直线传播到两侧反射栅7，为减小两个谐振器产生的声表面波互相影响，实现传感器温度和压力的解耦，所以所述温度敏感单元1和压力敏感单元4互相垂直分布，所述温度敏感单元1位于与所述压电基底5固定的固定端2，所述压力敏感单元4位于所述悬臂梁端3。所述压力敏感单元4与压电基底5变形方向平行，压电基底5受压力产生形变，表面长度增加，附于压电基底5表面的叉指换能器6指条之间距离增大，叉指换能器6与反射栅7之间的距离增大，导致谐振器中心频率发生变化，而位于固定端2的温度敏感单元1因为压电基底5无形变，中心频率不变，故对压力变化不敏感而只对温度变化敏感。阅读器天线和传感器天线8的工作带宽包含了温度敏感单元1和压力敏感单元4的带宽，可实现温度和压力的同时获取，进而得到某温度条件下压力信息。
如图3所示，在本实用新型的一些实施例中，阅读器包括微控制器、频率合成器、锁相环、功率放大器、收发隔离、阅读器天线、带通滤波器、低噪声放大器、混频器、模数转换器。利用微控制单元控制频率合成器产生包含覆盖所有SAW传感器单元的频带的频率连续调制波，经功率放大器功率放大后通过阅读器天线以电磁波形式发射出去，所述SAW传感器阵列接收到射频问询信号后，反射回波信号fo，由阅读器天线接收，并经带通滤波器、低噪声放大器进行带通滤波和低噪声放大。然后将频率合成器产生的频率连续调制波信号作为本振信号fe不停地与回波信号fo进行混频，对差频信号经模数转换器进行模数转换，由微控制器进行AD采样和频域信号分析，最终得到SAW传感阵列的压力信息，即飞行器头部周线的大气压力分布。
以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种嵌入式大气数据传感系统测压装置，其特征在于，包括测压孔、引气装置、耐高温SAW压力传感器和天线、阅读器、大气数据解算单元；
所述测压孔为n个，分布于飞行器头部表面前端周线；
所述SAW压力传感器阵列由n个耐高温且自带微型天线的SAW压力传感器组成，所述SAW压力传感器为谐振型结构，压力测量区间对应的频率范围为Bi，其中，i＝1,2,......,n；
在舱体结构内部为每个测压孔位安装所述引气装置和SAW压力传感器，所述引气装置将来自各个测压孔的大气压力引入到各个SAW压力传感器表面；所述阅读器发射宽带射频问询信号，频率范围覆盖B1～Bn，SAW传感器接收到射频问询信号后，返回包含了压力信息的射频响应信号，阅读器分析传感器阵列返回的射频响应信号，获得各传感器单元所处位置的压力分布信息；所述阅读器将压力数据传输到大气数据解算单元，计算得到侧滑角、马赫数数据。
2.根据权利要求1所述的一种嵌入式大气数据传感系统测压装置，其特征在于，所述SAW压力传感器压力测量区间对应的频率范围Bi和Bi+1之间有一定的间隔。
3.根据权利要求1所述的一种嵌入式大气数据传感系统测压装置，其特征在于，所述SAW压力传感器包括温度敏感单元(1)、固定端(2)、悬臂梁端(3)、压力敏感单元(4)、压电基底(5)；所述温度敏感单元(1)位于与所述压电基底(5)固定的固定端(2)；所述压力敏感单元(4)位于所述悬臂梁端(3)，与压电基底(5)变形方向平行；所述温度敏感单元(1)和压力敏感单元(4)互相垂直分布，分别对应相互分离的两个谐振频率。
4.根据权利要求1所述的一种嵌入式大气数据传感系统测压装置，其特征在于，所述SAW谐振型传感器放在高温压力罐内进行地面模拟试验计量标定，得到不同温度条件下传感器谐振频率与压力的对应函数关系；所述阅读器利用地面试验标定的不同温度下谐振频率与压力的对应函数关系，实现温度和压力解耦，从而得到各个SAW压力传感器的实时压力数据。
5.根据权利要求1所述的一种嵌入式大气数据传感系统测压装置，其特征在于，所述阅读器包括微控制器、频率合成器、锁相环、功率放大器、阅读器天线、带通滤波器、低噪声放大器、混频器、模数转换器；
利用微控制单元控制频率合成器产生包含覆盖所有SAW传感器单元的频带的频率连续调制波，经功率放大器功率放大后通过阅读器天线以电磁波形式发射出去，所述SAW传感器阵列接收到射频问询信号后，反射回波信号，由阅读器天线接收，并经带通滤波器、低噪声放大器进行带通滤波和低噪声放大，然后将频率合成器产生的频率连续调制波信号作为本振信号不停地与回波信号进行混频，对差频信号经模数转换器进行模数转换，由微控制器进行AD采样和频域信号分析，最终得到SAW传感阵列的压力信息，即飞行器头部周线的大气压力分布。
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CN115824485A (zh) * 2022-12-26 2023-03-21 中国航天空气动力技术研究院 一种嵌入式大气数据传感系统

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