微机电系统(MEMS)促进航空航天仪表的发展 测控论文 自动化论文 测控技术文

发布时间：2016-06-13 20:21

  本文关键词：航天仪表，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】主要叙述最近几年已商品化和已研制成功的微传感器与系统，对航空航天仪表发展的作用和展望。着重介绍传感器、大气数据计算机、惯性导航系统、全球定位系统和彩色液晶平板显示器等，并对仪表的几个主要部分的实际数据进行比较，说明MEMS对航空航天仪表的体积、重量、耗电功率和可靠性的影响是相当可观的。
关键词：航空仪表,航天仪表,微机电系统

The Developments of Aircraft and Spacecraft Instruments Promoted by the MEMS

　　Abstract：The developments of aircraft and sPACecraft instruments promoted by the MEMS are discussed.Micro sensors and transducers, micro digital air data computer, micro inertial navigation system, micro global positioNIng system and colour liquid crystal plane displayer, are mainly introduced. They may be used in the aircraft and spacecraft instruments in the beginning of next century. The total weight, size and power of the aircraft and spacecraft instruments in the near future would be negligible compared with that of the modern aircraft and spacecraft instruments, but the reliability of these instrumrnts would be highly increased.
　　Key words:aircraft instrument,spacecraft instrument,MEMS

　　微机电系统（microelectromechanical system,MEMS）是80年代中后期发展起来的。这个问题提出后发展很快。参考文献［1,2］简单介绍了当时的许多新型传感器。参考文献［3］介绍空间飞行器传感器。参考文献［4］为MEMS的专辑，内容非常丰富，主要讨论纳米科学技术及应用等问题。参考文献［5］系统地介绍了载人航天仪表，其中谈到许多MEMS促进航空航天仪表发展的问题。
　　本文着重从最近几年已商品化和已研制成功的微型传感器与系统，谈谈它们对航空航天仪表发展的作用与未来的展望。因为航空航天科技是很重要的高科技之一，应该是MEMS的重要应用对象之一。从已商品化的MEMS可以看出，MEMS大量应用到航空航天仪表中已为时不远了。所以，在这里再抛砖引玉的提出这个问题，供大家参考。

1　大气数据计算机
1.1　数字式大气数据计算机
　　大气数据计算机的主要组成部分有：静压传感器、动压传感器和计算机。数字式大气数据计算机的主要特征是动静压两个传感器都是数字输出的。若采用频率输出传感器（如谐振式传感器等）便需要频率数字变换器（frequency digital converter，FDC）变换为数字量输出给计算机。若用模拟量输出传感器（如压阻式传感器等）便需要模数变换器（analog digital converter，ADC）变为数字量输出给计算机。计算功能可由单片机最小系统完成。
　　振动筒压力传感器是性能很好的传感器之一。采用静压和动压两个振动筒传感器，加上频率数字变换器（是一个集成块）和单片机便可以做成数字式大气数据计算机，它的体积大小主要由两个振动筒压力传感器的体积决定。其外壳做成相当于振动筒高的圆柱体，其直径和现有航空仪表表壳一样，除两个振动筒传感器安装在空间外，剩下的空间装电子电路（谐振器、电源、FDC和单片机等）就可以。这样的数字式大气数据计算机的体积、重量、耗电功率，变为用于90年代新型飞机上的大气数据计算机（它的重量为6 kg，耗电28　W）的1/10是完全可能的。
　　若采用已商品化的集成谐振压力传感器［6］代替振动筒式压力传感器，其体积和重量小于振动筒压力传感器的1/10，其性能相当，这样的小型数字式大气数据计算机的体积、重量、耗电功率又小一个数量级。
　　再进一步可将全部电子线路和谐振压力传感器（或模拟式压力传感器和模数变换器）集成在一起，成为微型大气数据计算机。
1.2　已商品化的几种微传感器
　　下列5种微传感器及其显示器共同装在一个手表内［7］：
　　① 数字罗盘。在0～359°，分度为1°，可存储月、日、星期、方向和测量时间等的有感受异常磁场的功能。可用北方或双方向校正。
　　② 高度表。量程0～4 000 m，分度为5 m。记忆功能为：带日期和温度的50组高度。给出目标高度信号，图形显示目标高度，高度变化趋势图，英尺和米的换算。
　　③　压力表。量程为6 093.56～10 985.337 Pa，测量分辨率为16.926 Pa，大气压力变化趋势图，inHg和Pa的换算。
　　④ 温度表。量程为-10～60 ℃,测量分辨率为0.1 ℃。
　　⑤ 时钟。有1/100 s分辨率的跑表，测量容量为23：59′59.99″(1天)。计算模式有：正常时间，一至两个地方时。每天有5个报时信号和每小时信号。正常时间指示：时、分、秒、上午/下午、年、月、日期、星期。自动日历（预先编程序，可至2029年），12 h或24 h格式均可。有微光照明，精度为每月±15 s。电池可用约18个月。

2　惯性导航系统
2.1　小型惯性导航系统
　　以一种小型惯性测量单元（miniature inertial measurement unit,MIMU）［8］为例。改型时希望能做到小型、轻便（＜4.2　kg）、功率小（＜28　W）、价廉、三轴均有角速度数字信号输出。实际系统达到的主要性能如下：
　　最大输入角速率（°/s）　　　　　　　±305
　　刻度因子一年的稳定性（ppm－1σ）4.5
　　偏离值短期的稳定性（°/hr－1σ）0.01
　　偏离值一年的稳定性（°/hr－1σ）0.02
　　偏离值长期的稳定性（°/hr－1σ）0.1
　　输出噪音（μ radian－1σ）5
　　陀螺输入轴对准稳定性（μ rad－1σ）300
　　传感器模块对底座稳定性（μ rad－1σ）200
　　输出数据取数时间（ms）1.5
　　总耗电功率（W）24
　　重量（kg）4.036
　　外壳是圆筒形，直径19.74 cm，高13.31 cm。该产品已有160家订货，是90年代末期的商品。
2.2　微型惯性导航系统
　　① 微型摆式加速度计
　　图1是该系统采用的微型摆式加速度传感器。它的敏感元件是挠性支承的偏心摆片(如图1所示，在支承的右侧面多加一个摆片）。在支承两侧各有一对力矩发生器电极（TG electrode）和信号发生器电极（SG electrode），它们下面均有微电容传感器。当飞行器有垂直方向的加速度时，偏心摆便产生一个绕支承轴的力矩，使摆片一边向上，另一边向下偏，从而使信号发生器的左右两片电容有差动信号输出，这信号经挠性支承片送入放大器，放大后的信号经解调和补偿后，由力矩线性化器（torque linearition）送入力矩发生器电极，使力矩发生器产生反馈力矩，以抵销由加速度产生的惯性力矩，使偏心摆片回到偏转前的平衡位置。力矩线性化器便输出相应的加速度信号。线性化器中还有修正信号输入。这种传感器有下列4种量程：100 000 g、100 g、10 g和2 g。

图1　微型摆式加速度传感器原理图

　　② 微型梳状调谐陀螺
　　图2是微型梳状调谐陀螺的原理图。左、中、右3个线性电机带动梳状（叉指）结构产生静电力，使左右两个敏感振动质量做左右振动。当飞行器沿IA轴有一个角速度Ω时，柯式力矩便加在两个敏感振动质量上， 使一个振动质量受到向上的力F1， 另一个振动质量受到向下的力F2，两敏感振动质量下方都装有敏感片，振动质量受到向上和向下的力之后，由敏感片和振动质量构成的差动电容，经左、右信号器输出信号，，再经放大调理器（图中没有给出）后变为反馈信号，送给左右两片再平衡片，产生静电反馈力矩，以抵销F1和F2，使振动质量回到原平衡位置，使系统平衡，信号调理放大器同时输出和输入角速度成比例的信号。

图2　微型梳状调谐陀螺

　　③　系统性能
　　3个摆式加速度传感器和3个梳状调谐陀螺组装在一起，包括互相垂直的三轴安装架，封装后的尺寸为2 cm×2 cm×0.5 cm（与一个女式手表相似），重5 g，耗电量小于1 W。这是1996年7月底公开的美国Draper实验室的研究成果［9］。
2.3　比较
　　下面先将MIMU和90年代飞机上使用的IMU（inertial measurement unit）的重量和耗电量进行比较：

　　可见小型化后的重量和耗电量只是现正在飞机上使用的系统的20％，小型化也有成效。小型惯性导航系统是在现有的主要元件基础上进行小型化改进的结果，微型惯性导航系统是采用微机电系统（MEMS）工艺和材料进行全新的设计和工艺研制成功的结果。两种产品的体积、重量、耗电功率方面的比较如下：

　　由这3个数据可看出MEMS所起的作用是很可观的。微型惯导系统的体积和重量只是MIMU的万分之一和千分之一。

构造结实，防水壳体，外壳尺寸：14.732 cm（高）×5.334 cm（宽）×3.048 cm（厚），重量轻，带电池只有269.356　g。
　　工作温度范围：－15～70 ℃。
3.3　GPS手表［12］
　　下面介绍的是Casio公司1991年1月公布的资料。
3.3.1　技术先进性
　　① 多屏蔽层（multi shield layer,MSL）构造。内部电路分层做，便可实现最紧密设计，电路之间的屏蔽可消除内部电路之间的电干扰。GPS接收卫星信号，要求电路有紧密设计和保持高灵敏度。
　　② 低功耗运行。GPS只用3 V电源。一个简单的标准钮扣电池（CR2）可提供多至600次读数，或近似10 h自动监测，其间读数每分钟更新一次。
　　③ 内装天文年历数据。由GPS卫星播送的天文年历数据存储在手表的EEPROM内，与预置的地区和时间数据一齐，用当时上空的卫星立即开始位置测量，快速测量模式可以在4 s内获得一组位置读数。
3.3.2　GPS手表的特点
　　① GPS定位器。一个8通道接收机能从8个GPS导航卫星上获得信号，最少可以从3个导航卫星上接收到的数据才能确定你现在的位置。你触发GPS运行4 s后，在显示屏上便可显示你现在位置的经度（度、分、秒）和纬度（度、分、秒）。这些数据可在标准地图上画出你现在的位置。读数有4种模式可以选用：简单数据、快读、一分钟读一次和一秒钟读一次。
　　② 导航。在确定目的地之后，手表便可用地图指示从你现在所在地到目的地的距离和方向，这些数据沿途会更新，使得你总是有到达目的地还剩下多少距离和沿何正确方向去的概念。
　　③ 路标记忆。GPS所得的读数能存储记忆，所以你能调出来追溯走过的路线。能存多至200点的单独读数，连续路线的数据可存储多至100点。能图形显示，使你对到达目的地的路线有个很易理解的概念。
　　④ 准确时间是GPS的基础。GPS导航卫星播送的无线电信号，保证时间精度很高，根据这信号，手表会自动调节时间，保证精度。
3.3.3　GPS手表的规范
　　① 天线。接收频率为1 575.42 MHz，接收协议为8通道并行，测量周期最小为1 s（连续读数）天线种类为小面积平面。
　　② GPS的数据。现在位置用经度（东经或西经度、分、秒）和纬度（北纬或南纬度、分、秒），读数为多种方式可以选择（单个、快速、自动、连续）。路标记忆可多至200个位置记录，每个均有特征名、经度和纬度。线路记忆可多至100个点，每个均有月、日、时（小时、分）、经度和纬度。导航特征点有路标名、路标指针、路标方向、路标距离显示、方位和速度（带1 s连续读数）、地区城市表、经度纬度和格林威治时差输入。
　　③ 手表显示内容有星期几、时、分、秒、上下午，用GPS播送的时间自动修正该地区的修正值，是否夏令时。
3.3.4　体积重量和耗电量
　　显示屏大小为1.752 6 cm(H)×2.082 8 cm(W)。32×31点阵。表壳尺寸为6.477 cm×6.578 6 cm×2.895 6 cm。重量约为148 g，用钮扣电池CR2。寿命最少为600个单独读数，1 min自动读一次数的约可用10 h，1 s读一次数的约可用3.4 h。
3.4　比较
　　前面介绍的GPS-1000是90年代后期的商品，它已经采用集成接收机的小型化商品，下面将它和除接收机外再采用MEMS技术后的1999年1月的GPS手表做比较：

　　GPS手表只用钮扣电池，不用其他电源。
　　由上述几个数据可以看出MEMS技术所起的巨大作用。

4　彩色液晶平板显示屏（LCD）
　　1995年投入运营的波音777飞机上装有的仪表都是彩色液晶平板显示屏，它的尺寸是17 cm×17 cm，分辨率为1 024×1 024［5］，笔记本计算机的显示屏比较早采用彩色液晶平板显示屏，近几年来一般计算机显示器也逐渐采用彩色液晶平板显示屏，其中屏幕较大的有15.1″（38　cm）的平板监视器。上述几种平板显示器都是薄膜液晶管（thin film transistor,TFT），有源矩阵的LCD，分辨率较高的是1 024×768。航空航天仪表要求有更大屏幕的显示屏，用TFT有源矩阵的LCD是可能的。这也是微电子产品。

5　结束语
　　90年代初有些人对MEMS的应用前景不甚理解，随着商品化MEMS已逐渐增多，说明MEMS的应用前景是广阔且远大的。从前面列举的一些事实说明，MEMS会有力地促进航空航天仪表的发展。所有从事航空航天仪表设计和研究的人员（特别是仪表系统设计总工程师）都非常重视和关心体积、重量、耗电功率和可靠性的问题，这也是难题之一。而MEMS却在这几方面有特别大的优势。当然前面介绍的多种MEMS产品还不能直接在航空航天仪表上应用，还需要做不少工作，但这些商品坚定了我们的信心，再过一、二十年，这些产品一定可以应用到航空航天仪表中去。
　　在飞机和载人航天器（如飞船、空间站和航天飞机等）上应用的各种传感器数量不是几十个，而是几百个，几千个，若大多数传感器都采用微型集成传感器，它们的体积、重量、耗电功率的减少量是很可观的。为提高可靠性，飞机上的大气数据系统和惯性导航系统都采用双套。航天飞机上的大气数据传感器采用4套，惯性导航系统用3套。10年、20年后，这些仪表系统都会采用MEMS相应的系统，到那时，现在飞机和航天飞机上的仪表设备舱都可以做其他更重要的用途。对航天器来说，仪表系统的体积重量大大减少后，对运载火箭的压力也减轻了。可见MEMS的贡献是非常大的。
　　现在惯性导航系统和GPS组合在一起的导航系统很普遍，这些系统微型化之后，再将大气数据计算机组合在一起就更紧凑。整个系统就是一种多功能的MEMS。

 

  本文关键词：航天仪表，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：56958