基于無(wú)線SAW壓力傳感器的FADS研究

1 引 言

FADS采用分布在飛行器前端周線(也可機(jī)翼兩側(cè))不同位置上的壓力傳感器陣列測(cè)得壓力，通過(guò)計(jì)算間接得到動(dòng)靜壓，從而獲得真空速、馬赫數(shù)、氣壓高度等大氣數(shù)據(jù)。NASA的Dryden飛行研究中心在19世紀(jì)60年代開始了對(duì)嵌入式大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)的研究。這種傳感系統(tǒng)被應(yīng)用于F-14，F(xiàn)/A-18，X-31，X-33，X-34以及X-38等諸多飛行器上，但其使用的是傳統(tǒng)的壓力傳感器，需要冗長(zhǎng)的線纜等，不利于在較小型的武器彈藥上使用。

無(wú)線聲表面波壓力傳感器具有體積小、能無(wú)線測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)，因而嵌入式大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)使用無(wú)線聲表面波壓力傳感器，就能將嵌入式大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)運(yùn)用到較小型的武器彈藥上，與小型廉價(jià)的捷聯(lián)慣導(dǎo)進(jìn)行組合，可組成廉價(jià)但精度較高的組合導(dǎo)航系統(tǒng)，可方便的用于提高小型彈藥的命中精度等。

2 基本原理

FADS一般安裝在飛行器前端，為了不影響雷達(dá)和火控裝置的安裝，也有將FADS安裝在機(jī)翼前端。F-14的FADS由23個(gè)壓力傳感器組成，安裝在機(jī)身前端。X-33的FADS系統(tǒng)則由6個(gè)壓力傳感器組成，安裝在機(jī)身前端。壓力傳感器的數(shù)目并沒(méi)有固定的規(guī)定。在F-14飛機(jī)上，其FADS
的壓力傳感器布局如圖1所示。

FADS系統(tǒng)中壓力傳感器數(shù)目越多，其容錯(cuò)性能越好，但系統(tǒng)的計(jì)算就越復(fù)雜，系統(tǒng)性能要求就越高。但由于測(cè)量攻角和側(cè)滑角需相應(yīng)的壓力差，因而在中心點(diǎn)的周圍必須有相對(duì)稱的壓力測(cè)量點(diǎn)。

FADS系統(tǒng)的空氣動(dòng)力學(xué)模型把位流模型與修正的牛頓流模型(前者主要適用于亞音速條件，后者主要適用于超音速條件)與一個(gè)修正系數(shù)ε相結(jié)合，形成了不同馬赫情況下的帶補(bǔ)償?shù)目諝鈩?dòng)力學(xué)模型。ε的數(shù)值是在綜合考慮了壓縮效應(yīng)、氣動(dòng)外形、系統(tǒng)影響等因素而選取的。在飛行中，可以將其看成攻角、側(cè)滑角和馬赫數(shù)的函數(shù)，其函數(shù)關(guān)系可以在飛行前確定。

在此省略空氣動(dòng)力學(xué)的推導(dǎo)過(guò)程，給出FADS系統(tǒng)完整的空氣動(dòng)力學(xué)模型

式中：pi為第i(i=1，2…23)個(gè)壓力傳感器(簡(jiǎn)稱i點(diǎn))所測(cè)得的壓強(qiáng);qc為動(dòng)壓;p∞為靜壓;M∞為馬赫數(shù);ε為形壓系數(shù);α為攻角;β為側(cè)滑角;φi為i點(diǎn)的圓周角;λi為i點(diǎn)的圓錐角;θi為i點(diǎn)的入射角(該點(diǎn)的曲面法線方向與來(lái)流速度矢量的夾角);g函數(shù)是一個(gè)確定的單調(diào)函數(shù)。通過(guò)對(duì)壓力點(diǎn)壓力的測(cè)量以及相應(yīng)的算法，可以得到動(dòng)、靜壓的值、馬赫數(shù)、攻角和測(cè)滑角，通過(guò)這些值又能推算氣壓高度和真空速等大氣參數(shù)。

3 無(wú)線SAW壓力傳感器

在飛行器前端安裝FADS，需要體積很小的壓力傳感器進(jìn)行點(diǎn)測(cè)。在文獻(xiàn)[4]，[5]中報(bào)道的無(wú)線SAW壓力傳感器都是通過(guò)延遲線實(shí)現(xiàn)的，延遲線的插入損耗以及傳播損耗較大，影響SAW壓力傳感器遙測(cè)的距離，且SAW延遲線形狀扁長(zhǎng)，不適宜安裝于飛行器前端對(duì)一個(gè)點(diǎn)的壓力進(jìn)行測(cè)量。通過(guò)圖2所示的SAW壓力傳感器的結(jié)構(gòu)可改變SAW壓力傳感器的形狀，且能增加SAW壓力傳感器無(wú)線測(cè)量的距離。

不同于聲表面波延遲線結(jié)構(gòu)的SAW壓力傳感器，圖2所示的結(jié)構(gòu)采用兩個(gè)單端諧振器并聯(lián)。SAW諧振器在諧振時(shí)瑞利波通過(guò)反射柵形成多次疊加，其能量也多次疊加，因而相對(duì)減少了傳播損耗和插入損耗，具有較高高的Q值。同時(shí)SAW諧振器靈敏度高，精確度高，且能長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定。利用這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)無(wú)線測(cè)量壓力，能減少SAW壓力傳感器的傳播損耗和插入損耗，因而這種原理結(jié)構(gòu)具有良好的應(yīng)用潛力。

當(dāng)傳感器表面有壓力作用時(shí)，無(wú)線SAW壓力傳感器的壓電薄膜就會(huì)產(chǎn)生形變，薄膜材料的應(yīng)變會(huì)使得聲表面波傳播速度發(fā)生變化，從而使聲表面波的中心諧振頻率發(fā)生變化。通過(guò)無(wú)線檢測(cè)SAW壓力傳感器的中心諧振頻率變化，就能得到壓力變化的數(shù)據(jù)。假設(shè)溫度對(duì)兩個(gè)單端諧振器的中心諧振頻率影響很小，則兩諧振器中心頻率差的變化與所測(cè)壓力之間的關(guān)系式可表示為

式中，S1和S2分別表示單端諧振器1和單端諧振器2的壓力靈敏系數(shù)，與單端諧振器和隔膜的參數(shù)有關(guān)。壓力靈敏系數(shù)可表示為

式中：R為隔膜的半徑;h為隔膜的厚度;E為楊氏模量;μs為泊松比;r1和r2為兩單端諧振器基片材料對(duì)機(jī)械擾動(dòng)的線性系數(shù)。

通過(guò)無(wú)線測(cè)量SAW兩個(gè)諧振器中心頻率差的變化就能得到壓力值，極大地提高了嵌入式大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)的應(yīng)用靈活性。

4 無(wú)線測(cè)量結(jié)構(gòu)

在嵌入式大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)中，SAW壓力傳感器無(wú)線測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)可提高其應(yīng)用的靈活性。圖3所示為SAW壓力傳感器無(wú)線測(cè)量結(jié)構(gòu)。

整個(gè)無(wú)線測(cè)量系統(tǒng)由信號(hào)詢問(wèn)與信號(hào)接收兩部分電路組成。信號(hào)發(fā)送裝置由參考振蕩器、RF脈沖發(fā)生器以及接收/發(fā)送(T/R)轉(zhuǎn)換開關(guān)組成;信號(hào)接收裝置由積分下變頻轉(zhuǎn)換器、兩路A/D轉(zhuǎn)換器組成。信號(hào)處理器模塊將經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)化后得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從中得到相位正交的I路信號(hào)和Q路信號(hào)，對(duì)I路信號(hào)和Q路信號(hào)處理就能得到SAW傳感器由于物理變化而產(chǎn)生的頻率和相位變化信息，同時(shí)信號(hào)處理器模塊產(chǎn)生脈沖控制信號(hào)以及接收/發(fā)送轉(zhuǎn)換信號(hào)，以對(duì)接收發(fā)送的轉(zhuǎn)換進(jìn)行協(xié)調(diào)。

由于信號(hào)收發(fā)電路發(fā)射脈沖詢問(wèn)信號(hào)后，脈沖信號(hào)在傳播、SAW傳感器中處理以及返回過(guò)程中都需要時(shí)間，所以必須定義相互獨(dú)立的發(fā)送和接收間隔時(shí)間，通過(guò)接收/發(fā)送開關(guān)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。參考振蕩器在脈沖信號(hào)發(fā)送時(shí)產(chǎn)生詢問(wèn)信號(hào)，而在接收信號(hào)時(shí)為積分下變頻提供本振參考信號(hào)。經(jīng)下變頻轉(zhuǎn)換后，由雙路A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)字化，并通過(guò)可編程邏輯器件對(duì)信號(hào)的接收發(fā)送進(jìn)行控制。信號(hào)處理后與慣導(dǎo)系統(tǒng)相聯(lián)，組成小型的組合導(dǎo)航系統(tǒng)。

5 仿真結(jié)果

可通過(guò)SAW單端諧振器的等效電路對(duì)SAW壓力傳感器的整體性能進(jìn)行分析，圖4為SAW單端諧振器的等效電路。

圖中：C1表示基片彈性引起的動(dòng)態(tài)電容;L1是基片慣性引起的動(dòng)態(tài)電感;R1是阻尼引起的動(dòng)態(tài)電阻;C0是叉指換能器的靜電容。SAW壓力傳感器由兩個(gè)單端諧振器并聯(lián)得到，通過(guò)HP Eesoft軟件進(jìn)行仿真，可得兩諧振器的回波導(dǎo)納幅值與頻率的關(guān)系。仿真結(jié)果如圖5所示。

在圖5中可以看出，兩SAW諧振器有兩個(gè)中心諧振頻率，分別為434 MHz和434.4 MHz。這兩個(gè)頻率都在ISM標(biāo)準(zhǔn)無(wú)線頻率測(cè)量范圍之中，可有效進(jìn)行無(wú)線測(cè)量。