載人飛船用HB-3型超低風速傳感器

1.引言

近年來，風速傳感器的應用越來越廣泛，特別是超低速(V1m/s)的風速傳感器被廣泛地應用于航空、航天、氣象、生物醫(yī)學動力學和許多的民用工業(yè)、服務行業(yè)及體育運動場館等多個方面。同時，對風速傳感器的測量范圍和測量精度要求也越來越高。

目前，國外許多廠家研制風速傳感器，其測量風速的分辨率都達到了V0.01m/s的高靈敏度，這相當于壓差式傳感器的靈敏度要達到△P0.0025mm水柱的精度。測量誤差可以控制在讀數的5%以內。近代風速傳感器的迅猛發(fā)展，要首推丹麥，由于它的研究、生產和使用緊密結合的開發(fā)體制，使它始終居世界領先地位。其次是美國，近年來，日本也急起直追，居世界第三。但是半個世紀以來，我國風速傳感器的研制和生產，長期處于較落后的狀態(tài)。特別對于V1m/s的超低風速，由于沒有合適的標定設備，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，中國航天科技集團公司七○一研究所與中國航天科技集團公司北京空間飛行器總體設計部合作，使我國熱球風速傳感器的研制能力向前大大推進了一步。它所研制的第三代產品—HB-3型熱球風速傳感器(圖1)已經能滿足我國載人飛船的使用要求，它的綜合性能，與國內同類產品相比，有以下優(yōu)點。

(1)安全可靠，杜絕短路，有很強的自我保護能力，滿足航天飛行第一需要。

(2)實行機電一體化設計，將電源線路和信號輸出線路合二為一，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)測量風速的分辨率V≤0.001m/s，能測出風速的下限可延伸至V=0.02m/s，甚至可以更小的超低風速，測量誤差能控制在量程范圍內任一讀數的5%，也就是說，可以精確到V=0.001m/s的水平，相當于壓差式傳感器的壓差△P=0.00025mm水柱的精度。它可以測量半球方向(三維)來流的風速，除子午角φ=60°，180°，300°三個子午角方向的風速，誤差達到10%左右外，其余φ=0°～360°的子午角和緯度角γ=0°～±90°方向的來流風速測量誤差均小于讀數的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的各種力學環(huán)境的鑒定級和驗收級試驗。HB-3型風速傳感器能承受的過載系數K=500g(g-重力加速度)，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，電磁兼容等能力，并通過了鑒定級和驗收級抗各種強電磁干擾的EMC試驗。

(6)使用方便，在標定中給出了每支傳感器輸出電壓與風速之間的統(tǒng)一標定公式，而每一公式之間的區(qū)別，僅僅反映在公式中的系數和指數的差別，而這些系數和指數，都在標定中給出。在飛船上使用時，只要將地面遙測到的每支傳感器的輸出電壓值，代入對應(編號)的公式中，就立即給出了飛船上各地區(qū)的風速值，所以應用十分方便。

2.標定設備簡介

為了標定這種高精度、高性能的超低速風速傳感器，航天七○一所還建造了兩座標定設備。一座是BIA-C流場模擬裝置，可標定風速的量程為V=0～2m/s，它的靈敏度可顯示出V=0.001m/s的風速，同時還具備變壓力(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洞，能標定風速V=1～30m/s，標定誤差仍可控制在讀數的5% 以內，壓力變化P=0.1～0.01MPa。這兩座標定設備的建立，滿足了神舟號載人飛船上使用的高精度高性能風速傳感器的標定精度要求，對推進我國風速傳感器的近代發(fā)展，起了很重要的作用。

3.風速傳感器的工作原理

假設單位時間內熱線(或熱球)傳給介質(氣流)的熱量，等于單位時間內通過熱線或熱球的電流所做的功。則可以應用熱力學、空氣動力學和電學之間的關系建立起熱線或熱球風速傳感器工作的參數方程：

式中：A、B是熱線電阻，導熱系數和Pr數的函數，可以由理論算出，也可以在標定時給出，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。有時為了方便，可寫出上式的反函數形式：

式中A1=0，B1和n1是能用標定數據給出，這樣，只要知道傳感器的輸出電壓，就能用(2)式很簡單地算出風速V來。

4.溫度對風速的影響

　由方程(1)可知，對于某一給定的風速值V≠0，傳感器的輸出電壓E = f (ρg·Tg)，因此，只要討論ρg、Tg對于電壓E的影響，就能知道對風速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， >8%。