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概述
調(diào)研大綱

在現(xiàn)代航空領(lǐng)域,飛機(jī)傳感器宛如飛機(jī)的 “感知神經(jīng)”,默默卻又極為關(guān)鍵地發(fā)揮著作用,從飛機(jī)的起飛、巡航,到精準(zhǔn)降落,每一個(gè)環(huán)節(jié)都離不開航空傳感器的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)反饋,它們負(fù)責(zé)收集各類關(guān)鍵信息,如飛行速度、高度、姿態(tài)、發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)等,為飛機(jī)的安全飛行和高效運(yùn)行提供堅(jiān)實(shí)保障,根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn),近年來(lái),隨著全球航空業(yè)的蓬勃發(fā)展,航空傳感器市場(chǎng)也迎來(lái)了高速增長(zhǎng)期,展現(xiàn)出令人矚目的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

飛機(jī)傳感器是一類專門用于飛機(jī)上,能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置,其作用是監(jiān)測(cè)飛機(jī)飛行過(guò)程中的各種物理量、化學(xué)量和生物量等信息,并將這些信息傳輸給飛機(jī)的控制系統(tǒng)、儀表顯示系統(tǒng)或其他相關(guān)設(shè)備,以保障飛機(jī)的安全飛行、性能優(yōu)化以及飛行數(shù)據(jù)的記錄和分析 。?

飛機(jī)傳感器種類繁多,常見的類型包括:?

壓力傳感器:用于測(cè)量飛機(jī)大氣壓力、液壓系統(tǒng)壓力、燃油壓力等。例如皮托管,它是一種典型的用于測(cè)量飛機(jī)空速的壓力傳感器,通過(guò)測(cè)量空氣的總壓和靜壓之差,依據(jù)伯努利方程計(jì)算出飛機(jī)相對(duì)空氣的運(yùn)動(dòng)速度。在現(xiàn)代民航客機(jī)中,壓力傳感器廣泛應(yīng)用于大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng),為飛機(jī)提供精確的高度、空速等重要參數(shù)。?

溫度傳感器:主要監(jiān)測(cè)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)、燃油、潤(rùn)滑油以及環(huán)境等的溫度。比如熱電偶溫度傳感器,利用兩種不同金屬材料在溫度變化時(shí)產(chǎn)生的熱電勢(shì)差異來(lái)測(cè)量溫度。在飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)中,溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)各部位的溫度,確保發(fā)動(dòng)機(jī)在安全溫度范圍內(nèi)運(yùn)行,防止過(guò)熱損壞。?

加速度計(jì):可測(cè)量飛機(jī)的加速度和振動(dòng)情況。MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))加速度計(jì)因其體積小、功耗低、成本低等優(yōu)點(diǎn),在飛機(jī)上得到廣泛應(yīng)用。它能感知飛機(jī)在飛行過(guò)程中的各種加速度變化,為飛行控制系統(tǒng)提供關(guān)鍵數(shù)據(jù),用于控制飛機(jī)的姿態(tài)和飛行軌跡。?

位移和位置傳感器:用于確定飛機(jī)部件的位置和位移,如起落架位置傳感器、襟翼位置傳感器等。以磁致伸縮位移傳感器為例,它利用磁致伸縮效應(yīng)來(lái)精確測(cè)量位移,在飛機(jī)起落架系統(tǒng)中,準(zhǔn)確反饋起落架的收放位置,保障起落架操作的安全性和可靠性。?

角度傳感器:測(cè)量飛機(jī)部件的旋轉(zhuǎn)角度,如舵面角度傳感器、發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)角度傳感器等。電位計(jì)式角度傳感器通過(guò)電阻變化來(lái)測(cè)量角度,在飛機(jī)操縱系統(tǒng)中,精確測(cè)量舵面的偏轉(zhuǎn)角度,使飛行員能夠準(zhǔn)確控制飛機(jī)的飛行姿態(tài)。?

流量傳感器:監(jiān)測(cè)飛機(jī)燃油、滑油等流體的流量。渦輪流量傳感器是常見的一種,它通過(guò)測(cè)量流體推動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)的速度來(lái)計(jì)算流量,在飛機(jī)燃油系統(tǒng)中,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)燃油流量,確保發(fā)動(dòng)機(jī)獲得穩(wěn)定的燃油供應(yīng)。?

雷達(dá)傳感器:在飛機(jī)上,雷達(dá)傳感器主要用于目標(biāo)探測(cè)、導(dǎo)航和地形回避等。例如,氣象雷達(dá)可探測(cè)前方的氣象狀況,為飛行員提供氣象信息,幫助其避開惡劣天氣;機(jī)載火控雷達(dá)用于軍事飛機(jī),可探測(cè)和鎖定目標(biāo),為武器系統(tǒng)提供目標(biāo)信息。?

光學(xué)傳感器:包括光電傳感器、紅外傳感器等,可用于飛機(jī)的環(huán)境監(jiān)測(cè)、目標(biāo)識(shí)別等。如紅外傳感器可用于探測(cè)飛機(jī)周圍的熱源,在夜間或惡劣天氣條件下輔助飛行員進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別和導(dǎo)航 。?

不同類型的飛機(jī)傳感器具有各自獨(dú)特的工作原理:?

壓力傳感器:利用壓力與電信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系來(lái)工作。如壓阻式壓力傳感器,基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng),當(dāng)壓力作用于傳感器時(shí),其內(nèi)部電阻值發(fā)生變化,通過(guò)測(cè)量電阻變化來(lái)計(jì)算壓力大小。?

溫度傳感器:基于物體的熱特性隨溫度變化的原理。熱電偶是利用兩種不同金屬的熱電效應(yīng),當(dāng)兩端溫度不同時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì),熱電勢(shì)的大小與溫度差成正比,從而實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量。?

加速度計(jì):根據(jù)牛頓第二定律,通過(guò)測(cè)量質(zhì)量塊在加速度作用下產(chǎn)生的力來(lái)計(jì)算加速度。MEMS 加速度計(jì)則是利用微機(jī)械結(jié)構(gòu)在加速度作用下的變形,通過(guò)檢測(cè)電容、電阻或電感的變化來(lái)測(cè)量加速度。?

位移和位置傳感器:磁致伸縮位移傳感器利用磁致伸縮效應(yīng),當(dāng)在波導(dǎo)絲上施加一個(gè)電流脈沖時(shí),會(huì)產(chǎn)生一個(gè)環(huán)形磁場(chǎng),與浮子中的永久磁場(chǎng)相互作用,產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)變脈沖以超聲波的形式沿波導(dǎo)絲傳播,通過(guò)測(cè)量起始脈沖與返回脈沖之間的時(shí)間差來(lái)計(jì)算位移。?

角度傳感器:電位計(jì)式角度傳感器通過(guò)電刷在電阻體上的滑動(dòng),改變電阻值,從而將角度變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。?

流量傳感器:渦輪流量傳感器的工作原理是,當(dāng)流體通過(guò)傳感器時(shí),推動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn),渦輪的轉(zhuǎn)速與流體流量成正比,通過(guò)檢測(cè)渦輪的轉(zhuǎn)速來(lái)計(jì)算流量。?

雷達(dá)傳感器:通過(guò)發(fā)射電磁波并接收目標(biāo)反射的回波來(lái)工作。根據(jù)回波的時(shí)間延遲、頻率變化等信息,可以確定目標(biāo)的距離、速度、方位等參數(shù)。?

光學(xué)傳感器:光電傳感器利用光電效應(yīng),將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。例如,光敏電阻在光照下電阻值發(fā)生變化,通過(guò)測(cè)量電阻變化來(lái)檢測(cè)光的強(qiáng)度。?

飛機(jī)傳感器具有一系列顯著的技術(shù)特點(diǎn):?

高精度:為滿足飛機(jī)對(duì)飛行參數(shù)精確測(cè)量的要求,飛機(jī)傳感器具備極高的精度。例如,高精度的壓力傳感器測(cè)量誤差可控制在極小范圍內(nèi),確保飛機(jī)獲得準(zhǔn)確的大氣數(shù)據(jù),為飛行安全和性能優(yōu)化提供保障。?

高可靠性:在飛機(jī)復(fù)雜、惡劣的飛行環(huán)境下,傳感器必須具備高度的可靠性,以確保穩(wěn)定運(yùn)行。采用冗余設(shè)計(jì)、高可靠性的材料和制造工藝,使傳感器能夠承受振動(dòng)、沖擊、高低溫等極端條件,減少故障發(fā)生的概率。?

快速響應(yīng):飛機(jī)飛行狀態(tài)變化迅速,要求傳感器能夠快速響應(yīng)并及時(shí)傳輸數(shù)據(jù)。如加速度計(jì)能夠在瞬間捕捉到飛機(jī)的加速度變化,為飛行控制系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),以便及時(shí)調(diào)整飛機(jī)姿態(tài)。?

抗干擾能力強(qiáng):飛機(jī)上存在多種電子設(shè)備,容易產(chǎn)生電磁干擾,因此飛機(jī)傳感器需要具備強(qiáng)大的抗干擾能力。通過(guò)采用屏蔽技術(shù)、濾波電路等措施,有效減少外界干擾對(duì)傳感器測(cè)量精度的影響。?

小型化和輕量化:為減輕飛機(jī)的重量,提高燃油效率,飛機(jī)傳感器朝著小型化和輕量化方向發(fā)展。MEMS 技術(shù)的應(yīng)用使得傳感器體積大幅減小、重量顯著降低,同時(shí)性能得到提升。?

飛機(jī)傳感器的發(fā)展歷程是一部伴隨著航空技術(shù)進(jìn)步而不斷演進(jìn)的歷史,從早期簡(jiǎn)單的機(jī)械裝置逐步發(fā)展為如今高度精密、智能化的電子系統(tǒng)。?

20 世紀(jì)初,飛機(jī)剛剛誕生,當(dāng)時(shí)的飛機(jī)僅配備了極為基本的機(jī)械儀表,如簡(jiǎn)單的高度表和空速表。這些儀表通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)來(lái)測(cè)量和顯示飛行參數(shù),例如早期的高度表利用膜盒感受大氣壓力變化,通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)帶動(dòng)指針指示高度,空速表則利用皮托管測(cè)量動(dòng)壓,同樣通過(guò)機(jī)械方式轉(zhuǎn)換為指針讀數(shù)。這些簡(jiǎn)單的機(jī)械儀表雖然功能有限,但為飛行員提供了最基本的飛行狀態(tài)信息,開啟了飛機(jī)傳感器的發(fā)展歷程。?

隨著電子技術(shù)在 20 世紀(jì)中葉的飛速發(fā)展,飛機(jī)傳感器迎來(lái)了重要的變革。20 世紀(jì) 50 年代,慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的出現(xiàn)是一個(gè)重大突破。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)利用陀螺儀和加速度計(jì)來(lái)測(cè)量飛機(jī)的姿態(tài)和加速度,通過(guò)積分運(yùn)算確定飛機(jī)的位置和速度,使飛機(jī)能夠在沒有地面導(dǎo)航信標(biāo)的情況下進(jìn)行自主定位和導(dǎo)航。這一技術(shù)的引入,極大地提高了飛機(jī)的飛行自主性和導(dǎo)航精度,對(duì)空中交通管制系統(tǒng)的效率提升起到了關(guān)鍵作用,也為后續(xù)飛機(jī)傳感器的發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。?

20 世紀(jì) 80 年代,全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)開始應(yīng)用于民用航空領(lǐng)域,這是飛機(jī)傳感器發(fā)展的又一重要里程碑。GPS 技術(shù)通過(guò)接收衛(wèi)星信號(hào),為飛機(jī)提供高精度的位置信息,飛行員可以更加準(zhǔn)確地掌握飛機(jī)的飛行狀態(tài),進(jìn)一步提高了飛行的安全性和準(zhǔn)確性。與此同時(shí),慣性導(dǎo)航系統(tǒng)也在不斷改進(jìn),增加了對(duì)飛機(jī)姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)更全面的監(jiān)測(cè)能力,兩者相互結(jié)合,形成了更為完善的導(dǎo)航系統(tǒng)。?

進(jìn)入 21 世紀(jì),隨著微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)、傳感器融合技術(shù)、人工智能技術(shù)等的快速發(fā)展,飛機(jī)傳感器進(jìn)入了智能化、集成化的新階段。MEMS 技術(shù)使得傳感器的體積大幅減小、成本降低、性能提升,大量 MEMS 傳感器被應(yīng)用于飛機(jī)的各個(gè)系統(tǒng)。傳感器融合技術(shù)則將多種類型傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理,提供更全面、準(zhǔn)確的信息,例如將雷達(dá)傳感器、光學(xué)傳感器、慣性傳感器等的數(shù)據(jù)融合,實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)周圍環(huán)境更精確的感知。人工智能技術(shù)的應(yīng)用,使飛機(jī)傳感器能夠?qū)Σ杉降臄?shù)據(jù)進(jìn)行智能分析和決策,例如智能故障診斷系統(tǒng)可以根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)及時(shí)發(fā)現(xiàn)飛機(jī)潛在的故障隱患,并提供相應(yīng)的解決方案 。?

近年來(lái),隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的興起,飛機(jī)傳感器的應(yīng)用范圍得到了進(jìn)一步拓展。無(wú)人機(jī)對(duì)傳感器的小型化、輕量化、低功耗等方面提出了更高的要求,推動(dòng)了飛機(jī)傳感器技術(shù)的不斷創(chuàng)新。同時(shí),為滿足未來(lái)航空發(fā)展的需求,如高超聲速飛行、電動(dòng)飛機(jī)等,新型飛機(jī)傳感器的研發(fā)也在不斷推進(jìn),如耐高溫、耐高壓的新型壓力傳感器,適用于新型動(dòng)力系統(tǒng)的傳感器等。

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