精品文檔-下載后可編輯基于HB-3型超低風(fēng)速傳感器在載人飛船的應(yīng)用1.引言

風(fēng)速傳感器立足于煤礦用戶，主要適用于煤礦井下具有瓦斯爆炸危險(xiǎn)的各礦井通風(fēng)總回風(fēng)巷、風(fēng)口、井下主要測風(fēng)站、扇風(fēng)機(jī)井口、掘進(jìn)工作面、采煤工作面等處，以及相應(yīng)的礦產(chǎn)企業(yè)。特別是超低速（V1m/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)場館等多個(gè)方面?？蛇B續(xù)監(jiān)測上述地點(diǎn)的風(fēng)速、風(fēng)量（風(fēng)量=風(fēng)速x橫截面積）大小，能夠?qū)λ幭锏赖娘L(fēng)速風(fēng)量進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，是礦井通風(fēng)安全參數(shù)測量的重要儀表。太陽能發(fā)電站的電池板控制，在風(fēng)力超過一定值以后，轉(zhuǎn)動(dòng)電池板，使之不被破壞。

目前，國外許多廠家研制風(fēng)速傳感器，其測量風(fēng)速的分辨率都達(dá)到了V0.01m/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△P0.0025mm水柱的精度。測量誤差可以控制在讀數(shù)的5%以內(nèi)。給不出精度，仍然無法使用。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，隨著我國航天事業(yè)的發(fā)展，中國航天科技集團(tuán)公司七○一研究所與中國航天科技集團(tuán)公司北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部合作，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)能滿足我國載人飛船的使用要求，它的綜合性能，與國內(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）測量風(fēng)速的分辨率V≤0.001m/s,能測出風(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，測量誤差能控制在量程范圍內(nèi)任一讀數(shù)的5%,也就是說，可以到V=0.001m/s的水平，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°方向的來流風(fēng)速測量誤差均小于讀數(shù)的5%.

（4）通過了飛船從地面發(fā)射到軌道飛行，返回地面全過程出現(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載系數(shù)K=500g,這意味著，一旦飛船故障著陸墜毀，而傳感器仍安全無恙。

（5）它具有電路短路保護(hù)，電磁兼容等能力，并通過了鑒定級(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)，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.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）式很簡單地算出風(fēng)速V來。

根據(jù)卡曼渦街理論（見圖一），在無限界流場中垂直插入一根無限長的非線性阻力體（即旋渦發(fā)生體C,風(fēng)速傳感器的探頭橫桿），當(dāng)風(fēng)流流經(jīng)旋渦發(fā)生體C時(shí)，在漩渦發(fā)生體邊緣下游側(cè)會(huì)產(chǎn)生兩排交替的、內(nèi)旋的旋渦列（即氣流旋渦），而旋渦的產(chǎn)生頻率f正比于流速V,

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)，傳感器測出的風(fēng)速下降80%以上。