基于无线SAW压力传感器的FADS研究
FADS采用分布在飞行器前端周线(也可机翼两侧)不同位置上的压力传感器阵列测得压力,通过计算间接得到动静压,从而获得真空速、马赫数、气压高度等大气数据。NASA的Dryden飞行研究中心在19世纪60年代开始了对嵌入式大气数据系统的研究。这种传感系统被应用于F-14,F/A-18,X-31,X-33,X-34以及X-38等诸多飞行器上,但其使用的是传统的压力传感器,需要冗长的线缆等,不利于在较小型的武器弹药上使用。
无线声表面波压力传感器具有体积小、能无线测量的优点,因而嵌入式大气数据系统使用无线声表面波压力传感器,就能将嵌入式大气数据系统运用到较小型的武器弹药上,与小型廉价的捷联惯导进行组合,可组成廉价但精度较高的组合导航系统,可方便的用于提高小型弹药的命中精度等。
2 基本原理
FADS一般安装在飞行器前端,为了不影响雷达和火控装置的安装,也有将FADS安装在机翼前端。F-14的FADS由23个压力传感器组成,安装在机身前端。X-33的FADS系统则由6个压力传感器组成,安装在机身前端。压力传感器的数目并没有固定的规定。在F-14飞机上,其FADS
的压力传感器布局如图1所示。
FADS系统的空气动力学模型把位流模型与修正的牛顿流模型(前者主要适用于亚音速条件,后者主要适用于超音速条件)与一个修正系数ε相结合,形成了不同马赫情况下的带补偿的空气动力学模型。ε的数值是在综合考虑了压缩效应、气动外形、系统影响等因素而选取的。在飞行中,可以将其看成攻角、侧滑角和马赫数的函数,其函数关系可以在飞行前确定。
在此省略空气动力学的推导过程,给出FADS系统完整的空气动力学模型
3 无线SAW压力传感器
在飞行器前端安装FADS,需要体积很小的压力传感器进行点测。在文献[4],[5]中报道的无线SAW压力传感器都是通过延迟线实现的,延迟线的插入损耗以及传播损耗较大,影响SAW压力传感器遥测的距离,且SAW延迟线形状扁长,不适宜安装于飞行器前端对一个点的压力进行测量。通过图2所示的SAW压力传感器的结构可改变SAW压力传感器的形状,且能增加SAW压力传感器无线测量的距离。
当传感器表面有压力作用时,无线SAW压力传感器的压电薄膜就会产生形变,薄膜材料的应变会使得声表面波传播速度发生变化,从而使声表面波的中心谐振频率发生变化。通过无线检测SAW压力传感器的中心谐振频率变化,就能得到压力变化的数据。假设温度对两个单端谐振器的中心谐振频率影响很小,则两谐振器中心频率差的变化与所测压力之间的关系式可表示为
通过无线测量SAW两个谐振器中心频率差的变化就能得到压力值,极大地提高了嵌入式大气数据系统的应用灵活性。
4 无线测量结构
在嵌入式大气数据系统中,SAW压力传感器无线测量的优点可提高其应用的灵活性。图3所示为SAW压力传感器无线测量结构。
由于信号收发电路发射脉冲询问信号后,脉冲信号在传播、SAW传感器中处理以及返回过程中都需要时间,所以必须定义相互独立的发送和接收间隔时间,通过接收/发送开关进行转换。参考振荡器在脉冲信号发送时产生询问信号,而在接收信号时为积分下变频提供本振参考信号。经下变频转换后,由双路A/D转换器进行数字化,并通过可编程逻辑器件对信号的接收发送进行控制。信号处理后与惯导系统相联,组成小型的组合导航系统。
5 仿真结果
可通过SAW单端谐振器的等效电路对SAW压力传感器的整体性能进行分析,图4为SAW单端谐振器的等效电路。
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