基于無線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(也可機翼兩側(cè))不同位置上的壓力傳感器陣列測得壓力，通過計算間接得到動靜壓，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60年代開始了對嵌入式大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)的研究。這種傳感系統(tǒng)被應用于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，需要冗長的線纜等，不利于在較小型的武器彈藥上使用。

無線聲表面波壓力傳感器具有體積小、能無線測量的優(yōu)點，因而嵌入式大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)使用無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)運用到較小型的武器彈藥上，與小型廉價的捷聯(lián)慣導進行組合，可組成廉價但精度較高的組合導航系統(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，為了不影響雷達和火控裝置的安裝，也有將FADS安裝在機翼前端。F-14的FADS由23個壓力傳感器組成，安裝在機身前端。X-33的FADS系統(tǒng)則由6個壓力傳感器組成，安裝在機身前端。壓力傳感器的數(shù)目并沒有固定的規(guī)定。在F-14飛機上，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，其容錯性能越好，但系統(tǒng)的計算就越復雜，系統(tǒng)性能要求就越高。但由于測量攻角和側(cè)滑角需相應的壓力差，因而在中心點的周圍必須有相對稱的壓力測量點。

FADS系統(tǒng)的空氣動力學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)與一個修正系數(shù)ε相結(jié)合，形成了不同馬赫情況下的帶補償?shù)目諝鈩恿W模型。ε的數(shù)值是在綜合考慮了壓縮效應、氣動外形、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。

在此省略空氣動力學的推導過程，給出FADS系統(tǒng)完整的空氣動力學模型

式中：pi為第i(i=1，2…23)個壓力傳感器(簡稱i點)所測得的壓強;qc為動壓;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點的圓周角;λi為i點的圓錐角;θi為i點的入射角(該點的曲面法線方向與來流速度矢量的夾角);g函數(shù)是一個確定的單調(diào)函數(shù)。通過對壓力點壓力的測量以及相應的算法，可以得到動、靜壓的值、馬赫數(shù)、攻角和測滑角，通過這些值又能推算氣壓高度和真空速等大氣參數(shù)。

3 無線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行點測。在文獻[4]，[5]中報道的無線SAW壓力傳感器都是通過延遲線實現(xiàn)的，延遲線的插入損耗以及傳播損耗較大，影響SAW壓力傳感器遙測的距離，且SAW延遲線形狀扁長，不適宜安裝于飛行器前端對一個點的壓力進行測量。通過圖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壓力傳感器無線測量的距離。

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)采用兩個單端諧振器并聯(lián)。SAW諧振器在諧振時瑞利波通過反射柵形成多次疊加，其能量也多次疊加，因而相對減少了傳播損耗和插入損耗，具有較高高的Q值。同時SAW諧振器靈敏度高，精確度高，且能長時間保持穩(wěn)定。利用這種結(jié)構(gòu)設(shè)計來無線測量壓力，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)具有良好的應用潛力。

當傳感器表面有壓力作用時，無線SAW壓力傳感器的壓電薄膜就會產(chǎn)生形變，薄膜材料的應變會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。通過無線檢測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)溫度對兩個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機械擾動的線性系數(shù)。

通過無線測量SAW兩個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)的應用靈活性。

4 無線測量結(jié)構(gòu)

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

整個無線測量系統(tǒng)由信號詢問與信號接收兩部分電路組成。信號發(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。信號處理器模塊將經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)化后得到的數(shù)據(jù)進行處理，從中得到相位正交的I路信號和Q路信號，對I路信號和Q路信號處理就能得到SAW傳感器由于物理變化而產(chǎn)生的頻率和相位變化信息，同時信號處理器模塊產(chǎn)生脈沖控制信號以及接收/發(fā)送轉(zhuǎn)換信號，以對接收發(fā)送的轉(zhuǎn)換進行協(xié)調(diào)。

由于信號收發(fā)電路發(fā)射脈沖詢問信號后，脈沖信號在傳播、SAW傳感器中處理以及返回過程中都需要時間，所以必須定義相互獨立的發(fā)送和接收間隔時間，通過接收/發(fā)送開關(guān)進行轉(zhuǎn)換。參考振蕩器在脈沖信號發(fā)送時產(chǎn)生詢問信號，而在接收信號時為積分下變頻提供本振參考信號。經(jīng)下變頻轉(zhuǎn)換后，由雙路A/D轉(zhuǎn)換器進行數(shù)字化，并通過可編程邏輯器件對信號的接收發(fā)送進行控制。信號處理后與慣導系統(tǒng)相聯(lián)，組成小型的組合導航系統(tǒng)。

5 仿真結(jié)果

可通過SAW單端諧振器的等效電路對SAW壓力傳感器的整體性能進行分析，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態(tài)電容;L1是基片慣性引起的動態(tài)電感;R1是阻尼引起的動態(tài)電阻;C0是叉指換能器的靜電容。SAW壓力傳感器由兩個單端諧振器并聯(lián)得到，通過HP Eesoft軟件進行仿真，可得兩諧振器的回波導納幅值與頻率的關(guān)系。仿真結(jié)果如圖5所示。

在圖5中可以看出，兩SAW諧振器有兩個中心諧振頻率，分別為434 MHz和434.4 MHz。這兩個頻率都在ISM標準無線頻率測量范圍之中，可有效進行無線測量。