本文關(guān)鍵詞：航天儀表，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】主要敘述最近幾年已商品化和已研制成功的微傳感器與系統(tǒng)，對(duì)航空航天儀表發(fā)展的作用和展望。著重介紹傳感器、大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)和彩色液晶平板顯示器等，并對(duì)儀表的幾個(gè)主要部分的實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，說明MEMS對(duì)航空航天儀表的體積、重量、耗電功率和可靠性的影響是相當(dāng)可觀的。
關(guān)鍵詞：航空儀表,航天儀表,微機(jī)電系統(tǒng)

The Developments of Aircraft and Spacecraft Instruments Promoted by the MEMS

　　Abstract：The developments of aircraft and sPACecraft instruments promoted by the MEMS are discussed.Micro sensors and transducers, micro digital air data computer, micro inertial navigation system, micro global positioNIng system and colour liquid crystal plane displayer, are mainly introduced. They may be used in the aircraft and spacecraft instruments in the beginning of next century. The total weight, size and power of the aircraft and spacecraft instruments in the near future would be negligible compared with that of the modern aircraft and spacecraft instruments, but the reliability of these instrumrnts would be highly increased.
　　Key words:aircraft instrument,spacecraft instrument,MEMS

　　微機(jī)電系統(tǒng)（microelectromechanical system,MEMS）是80年代中后期發(fā)展起來的。這個(gè)問題提出后發(fā)展很快。參考文獻(xiàn)［1,2］簡(jiǎn)單介紹了當(dāng)時(shí)的許多新型傳感器。參考文獻(xiàn)［3］介紹空間飛行器傳感器。參考文獻(xiàn)［4］為MEMS的專輯，內(nèi)容非常豐富，主要討論納米科學(xué)技術(shù)及應(yīng)用等問題。參考文獻(xiàn)［5］系統(tǒng)地介紹了載人航天儀表，其中談到許多MEMS促進(jìn)航空航天儀表發(fā)展的問題。
　　本文著重從最近幾年已商品化和已研制成功的微型傳感器與系統(tǒng)，談?wù)勊鼈儗?duì)航空航天儀表發(fā)展的作用與未來的展望。因?yàn)楹娇蘸教炜萍际呛苤匾母呖萍贾唬瑧?yīng)該是MEMS的重要應(yīng)用對(duì)象之一。從已商品化的MEMS可以看出，MEMS大量應(yīng)用到航空航天儀表中已為時(shí)不遠(yuǎn)了。所以，在這里再拋磚引玉的提出這個(gè)問題，供大家參考。

1　大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)
1.1　數(shù)字式大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)
　　大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)的主要組成部分有：靜壓傳感器、動(dòng)壓傳感器和計(jì)算機(jī)。數(shù)字式大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)的主要特征是動(dòng)靜壓兩個(gè)傳感器都是數(shù)字輸出的。若采用頻率輸出傳感器（如諧振式傳感器等）便需要頻率數(shù)字變換器（frequency digital converter，F(xiàn)DC）變換為數(shù)字量輸出給計(jì)算機(jī)。若用模擬量輸出傳感器（如壓阻式傳感器等）便需要模數(shù)變換器（analog digital converter，ADC）變?yōu)閿?shù)字量輸出給計(jì)算機(jī)。計(jì)算功能可由單片機(jī)最小系統(tǒng)完成。
　　振動(dòng)筒壓力傳感器是性能很好的傳感器之一。采用靜壓和動(dòng)壓兩個(gè)振動(dòng)筒傳感器，加上頻率數(shù)字變換器（是一個(gè)集成塊）和單片機(jī)便可以做成數(shù)字式大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)，它的體積大小主要由兩個(gè)振動(dòng)筒壓力傳感器的體積決定。其外殼做成相當(dāng)于振動(dòng)筒高的圓柱體，其直徑和現(xiàn)有航空儀表表殼一樣，除兩個(gè)振動(dòng)筒傳感器安裝在空間外，剩下的空間裝電子電路（諧振器、電源、FDC和單片機(jī)等）就可以。這樣的數(shù)字式大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)的體積、重量、耗電功率，變?yōu)橛糜?0年代新型飛機(jī)上的大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)（它的重量為6 kg，耗電28　W）的1/10是完全可能的。
　　若采用已商品化的集成諧振壓力傳感器［6］代替振動(dòng)筒式壓力傳感器，其體積和重量小于振動(dòng)筒壓力傳感器的1/10，其性能相當(dāng)，這樣的小型數(shù)字式大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)的體積、重量、耗電功率又小一個(gè)數(shù)量級(jí)。
　　再進(jìn)一步可將全部電子線路和諧振壓力傳感器（或模擬式壓力傳感器和模數(shù)變換器）集成在一起，成為微型大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)。
1.2　已商品化的幾種微傳感器
　　下列5種微傳感器及其顯示器共同裝在一個(gè)手表內(nèi)［7］：
　�、� 數(shù)字羅盤。在0～359°，分度為1°，可存儲(chǔ)月、日、星期、方向和測(cè)量時(shí)間等的有感受異常磁場(chǎng)的功能。可用北方或雙方向校正。
　　② 高度表。量程0～4 000 m，分度為5 m。記憶功能為：帶日期和溫度的50組高度。給出目標(biāo)高度信號(hào)，圖形顯示目標(biāo)高度，高度變化趨勢(shì)圖，英尺和米的換算。
　　③　壓力表。量程為6 093.56～10 985.337 Pa，測(cè)量分辨率為16.926 Pa，大氣壓力變化趨勢(shì)圖，inHg和Pa的換算。
　�、� 溫度表。量程為-10～60 ℃,測(cè)量分辨率為0.1 ℃。
　�、� 時(shí)鐘。有1/100 s分辨率的跑表，測(cè)量容量為23：59′59.99″(1天)。計(jì)算模式有：正常時(shí)間，一至兩個(gè)地方時(shí)。每天有5個(gè)報(bào)時(shí)信號(hào)和每小時(shí)信號(hào)。正常時(shí)間指示：時(shí)、分、秒、上午/下午、年、月、日期、星期。自動(dòng)日歷（預(yù)先編程序，可至2029年），12 h或24 h格式均可。有微光照明，精度為每月±15 s。電池可用約18個(gè)月。

2　慣性導(dǎo)航系統(tǒng)
2.1　小型慣性導(dǎo)航系統(tǒng)
　　以一種小型慣性測(cè)量單元（miniature inertial measurement unit,MIMU）［8］為例。改型時(shí)希望能做到小型、輕便（＜4.2　kg）、功率�。ǎ�28　W）、價(jià)廉、三軸均有角速度數(shù)字信號(hào)輸出。實(shí)際系統(tǒng)達(dá)到的主要性能如下：
　　最大輸入角速率（°/s）　　　　　　　±305
　　刻度因子一年的穩(wěn)定性（ppm－1σ）4.5
　　偏離值短期的穩(wěn)定性（°/hr－1σ）0.01
　　偏離值一年的穩(wěn)定性（°/hr－1σ）0.02
　　偏離值長(zhǎng)期的穩(wěn)定性（°/hr－1σ）0.1
　　輸出噪音（μ radian－1σ）5
　　陀螺輸入軸對(duì)準(zhǔn)穩(wěn)定性（μ rad－1σ）300
　　傳感器模塊對(duì)底座穩(wěn)定性（μ rad－1σ）200
　　輸出數(shù)據(jù)取數(shù)時(shí)間（ms）1.5
　　總耗電功率（W）24
　　重量（kg）4.036
　　外殼是圓筒形，直徑19.74 cm，高13.31 cm。該產(chǎn)品已有160家訂貨，是90年代末期的商品。
2.2　微型慣性導(dǎo)航系統(tǒng)
　�、� 微型擺式加速度計(jì)
　　圖1是該系統(tǒng)采用的微型擺式加速度傳感器。它的敏感元件是撓性支承的偏心擺片(如圖1所示，在支承的右側(cè)面多加一個(gè)擺片）。在支承兩側(cè)各有一對(duì)力矩發(fā)生器電極（TG electrode）和信號(hào)發(fā)生器電極（SG electrode），它們下面均有微電容傳感器。當(dāng)飛行器有垂直方向的加速度時(shí)，偏心擺便產(chǎn)生一個(gè)繞支承軸的力矩，使擺片一邊向上，另一邊向下偏，從而使信號(hào)發(fā)生器的左右兩片電容有差動(dòng)信號(hào)輸出，這信號(hào)經(jīng)撓性支承片送入放大器，放大后的信號(hào)經(jīng)解調(diào)和補(bǔ)償后，由力矩線性化器（torque linearition）送入力矩發(fā)生器電極，使力矩發(fā)生器產(chǎn)生反饋力矩，以抵銷由加速度產(chǎn)生的慣性力矩，使偏心擺片回到偏轉(zhuǎn)前的平衡位置。力矩線性化器便輸出相應(yīng)的加速度信號(hào)。線性化器中還有修正信號(hào)輸入。這種傳感器有下列4種量程：100 000 g、100 g、10 g和2 g。

圖1　微型擺式加速度傳感器原理圖

　�、� 微型梳狀調(diào)諧陀螺
　　圖2是微型梳狀調(diào)諧陀螺的原理圖。左、中、右3個(gè)線性電機(jī)帶動(dòng)梳狀（叉指）結(jié)構(gòu)產(chǎn)生靜電力，使左右兩個(gè)敏感振動(dòng)質(zhì)量做左右振動(dòng)。當(dāng)飛行器沿IA軸有一個(gè)角速度Ω時(shí)，柯式力矩便加在兩個(gè)敏感振動(dòng)質(zhì)量上， 使一個(gè)振動(dòng)質(zhì)量受到向上的力F1， 另一個(gè)振動(dòng)質(zhì)量受到向下的力F2，兩敏感振動(dòng)質(zhì)量下方都裝有敏感片，振動(dòng)質(zhì)量受到向上和向下的力之后，由敏感片和振動(dòng)質(zhì)量構(gòu)成的差動(dòng)電容，經(jīng)左、右信號(hào)器輸出信號(hào)，，再經(jīng)放大調(diào)理器（圖中沒有給出）后變?yōu)榉答佇盘?hào)，送給左右兩片再平衡片，產(chǎn)生靜電反饋力矩，以抵銷F1和F2，使振動(dòng)質(zhì)量回到原平衡位置，使系統(tǒng)平衡，信號(hào)調(diào)理放大器同時(shí)輸出和輸入角速度成比例的信號(hào)。

圖2　微型梳狀調(diào)諧陀螺

　�、邸∠到y(tǒng)性能
　　3個(gè)擺式加速度傳感器和3個(gè)梳狀調(diào)諧陀螺組裝在一起，包括互相垂直的三軸安裝架，封裝后的尺寸為2 cm×2 cm×0.5 cm（與一個(gè)女式手表相似），重5 g，耗電量小于1 W。這是1996年7月底公開的美國(guó)Draper實(shí)驗(yàn)室的研究成果［9］。
2.3　比較
　　下面先將MIMU和90年代飛機(jī)上使用的IMU（inertial measurement unit）的重量和耗電量進(jìn)行比較：

　　可見小型化后的重量和耗電量只是現(xiàn)正在飛機(jī)上使用的系統(tǒng)的20％，小型化也有成效。小型慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是在現(xiàn)有的主要元件基礎(chǔ)上進(jìn)行小型化改進(jìn)的結(jié)果，微型慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是采用微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）工藝和材料進(jìn)行全新的設(shè)計(jì)和工藝研制成功的結(jié)果。兩種產(chǎn)品的體積、重量、耗電功率方面的比較如下：

　　由這3個(gè)數(shù)據(jù)可看出MEMS所起的作用是很可觀的。微型慣導(dǎo)系統(tǒng)的體積和重量只是MIMU的萬分之一和千分之一。

構(gòu)造結(jié)實(shí)，防水殼體，外殼尺寸：14.732 cm（高）×5.334 cm（寬）×3.048 cm（厚），重量輕，帶電池只有269.356　g。
　　工作溫度范圍：－15～70 ℃。
3.3　GPS手表［12］
　　下面介紹的是Casio公司1991年1月公布的資料。
3.3.1　技術(shù)先進(jìn)性
　�、� 多屏蔽層（multi shield layer,MSL）構(gòu)造。內(nèi)部電路分層做，便可實(shí)現(xiàn)最緊密設(shè)計(jì)，電路之間的屏蔽可消除內(nèi)部電路之間的電干擾。GPS接收衛(wèi)星信號(hào)，要求電路有緊密設(shè)計(jì)和保持高靈敏度。
　�、� 低功耗運(yùn)行。GPS只用3 V電源。一個(gè)簡(jiǎn)單的標(biāo)準(zhǔn)鈕扣電池（CR2）可提供多至600次讀數(shù)，或近似10 h自動(dòng)監(jiān)測(cè)，其間讀數(shù)每分鐘更新一次。
　　③ 內(nèi)裝天文年歷數(shù)據(jù)。由GPS衛(wèi)星播送的天文年歷數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在手表的EEPROM內(nèi)，與預(yù)置的地區(qū)和時(shí)間數(shù)據(jù)一齊，用當(dāng)時(shí)上空的衛(wèi)星立即開始位置測(cè)量，快速測(cè)量模式可以在4 s內(nèi)獲得一組位置讀數(shù)。
3.3.2　GPS手表的特點(diǎn)
　�、� GPS定位器。一個(gè)8通道接收機(jī)能從8個(gè)GPS導(dǎo)航衛(wèi)星上獲得信號(hào)，最少可以從3個(gè)導(dǎo)航衛(wèi)星上接收到的數(shù)據(jù)才能確定你現(xiàn)在的位置。你觸發(fā)GPS運(yùn)行4 s后，在顯示屏上便可顯示你現(xiàn)在位置的經(jīng)度（度、分、秒）和緯度（度、分、秒）。這些數(shù)據(jù)可在標(biāo)準(zhǔn)地圖上畫出你現(xiàn)在的位置。讀數(shù)有4種模式可以選用：簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)、快讀、一分鐘讀一次和一秒鐘讀一次。
　�、� 導(dǎo)航。在確定目的地之后，手表便可用地圖指示從你現(xiàn)在所在地到目的地的距離和方向，這些數(shù)據(jù)沿途會(huì)更新，使得你總是有到達(dá)目的地還剩下多少距離和沿何正確方向去的概念。
　�、� 路標(biāo)記憶。GPS所得的讀數(shù)能存儲(chǔ)記憶，所以你能調(diào)出來追溯走過的路線。能存多至200點(diǎn)的單獨(dú)讀數(shù)，連續(xù)路線的數(shù)據(jù)可存儲(chǔ)多至100點(diǎn)。能圖形顯示，使你對(duì)到達(dá)目的地的路線有個(gè)很易理解的概念。
　�、� 準(zhǔn)確時(shí)間是GPS的基礎(chǔ)。GPS導(dǎo)航衛(wèi)星播送的無線電信號(hào)，保證時(shí)間精度很高，根據(jù)這信號(hào)，手表會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)間，保證精度。
3.3.3　GPS手表的規(guī)范
　　① 天線。接收頻率為1 575.42 MHz，接收協(xié)議為8通道并行，測(cè)量周期最小為1 s（連續(xù)讀數(shù)）天線種類為小面積平面。
　　② GPS的數(shù)據(jù)�，F(xiàn)在位置用經(jīng)度（東經(jīng)或西經(jīng)度、分、秒）和緯度（北緯或南緯度、分、秒），讀數(shù)為多種方式可以選擇（單個(gè)、快速、自動(dòng)、連續(xù)）。路標(biāo)記憶可多至200個(gè)位置記錄，每個(gè)均有特征名、經(jīng)度和緯度。線路記憶可多至100個(gè)點(diǎn)，每個(gè)均有月、日、時(shí)（小時(shí)、分）、經(jīng)度和緯度。導(dǎo)航特征點(diǎn)有路標(biāo)名、路標(biāo)指針、路標(biāo)方向、路標(biāo)距離顯示、方位和速度（帶1 s連續(xù)讀數(shù)）、地區(qū)城市表、經(jīng)度緯度和格林威治時(shí)差輸入。
　�、� 手表顯示內(nèi)容有星期幾、時(shí)、分、秒、上下午，用GPS播送的時(shí)間自動(dòng)修正該地區(qū)的修正值，是否夏令時(shí)。
3.3.4　體積重量和耗電量
　　顯示屏大小為1.752 6 cm(H)×2.082 8 cm(W)。32×31點(diǎn)陣。表殼尺寸為6.477 cm×6.578 6 cm×2.895 6 cm。重量約為148 g，用鈕扣電池CR2。壽命最少為600個(gè)單獨(dú)讀數(shù)，1 min自動(dòng)讀一次數(shù)的約可用10 h，1 s讀一次數(shù)的約可用3.4 h。
3.4　比較
　　前面介紹的GPS-1000是90年代后期的商品，它已經(jīng)采用集成接收機(jī)的小型化商品，下面將它和除接收機(jī)外再采用MEMS技術(shù)后的1999年1月的GPS手表做比較：

　　GPS手表只用鈕扣電池，不用其他電源。
　　由上述幾個(gè)數(shù)據(jù)可以看出MEMS技術(shù)所起的巨大作用。

4　彩色液晶平板顯示屏（LCD）
　　1995年投入運(yùn)營(yíng)的波音777飛機(jī)上裝有的儀表都是彩色液晶平板顯示屏，它的尺寸是17 cm×17 cm，分辨率為1 024×1 024［5］，筆記本計(jì)算機(jī)的顯示屏比較早采用彩色液晶平板顯示屏，近幾年來一般計(jì)算機(jī)顯示器也逐漸采用彩色液晶平板顯示屏，其中屏幕較大的有15.1″（38　cm）的平板監(jiān)視器。上述幾種平板顯示器都是薄膜液晶管（thin film transistor,TFT），有源矩陣的LCD，分辨率較高的是1 024×768。航空航天儀表要求有更大屏幕的顯示屏，用TFT有源矩陣的LCD是可能的。這也是微電子產(chǎn)品。

5　結(jié)束語
　　90年代初有些人對(duì)MEMS的應(yīng)用前景不甚理解，隨著商品化MEMS已逐漸增多，說明MEMS的應(yīng)用前景是廣闊且遠(yuǎn)大的。從前面列舉的一些事實(shí)說明，MEMS會(huì)有力地促進(jìn)航空航天儀表的發(fā)展。所有從事航空航天儀表設(shè)計(jì)和研究的人員（特別是儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)總工程師）都非常重視和關(guān)心體積、重量、耗電功率和可靠性的問題，這也是難題之一。而MEMS卻在這幾方面有特別大的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)然前面介紹的多種MEMS產(chǎn)品還不能直接在航空航天儀表上應(yīng)用，還需要做不少工作，但這些商品堅(jiān)定了我們的信心，再過一、二十年，這些產(chǎn)品一定可以應(yīng)用到航空航天儀表中去。
　　在飛機(jī)和載人航天器（如飛船、空間站和航天飛機(jī)等）上應(yīng)用的各種傳感器數(shù)量不是幾十個(gè)，而是幾百個(gè)，幾千個(gè)，若大多數(shù)傳感器都采用微型集成傳感器，它們的體積、重量、耗電功率的減少量是很可觀的。為提高可靠性，飛機(jī)上的大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)都采用雙套。航天飛機(jī)上的大氣數(shù)據(jù)傳感器采用4套，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)用3套。10年、20年后，這些儀表系統(tǒng)都會(huì)采用MEMS相應(yīng)的系統(tǒng)，到那時(shí)，現(xiàn)在飛機(jī)和航天飛機(jī)上的儀表設(shè)備艙都可以做其他更重要的用途。對(duì)航天器來說，儀表系統(tǒng)的體積重量大大減少后，對(duì)運(yùn)載火箭的壓力也減輕了�？梢奙EMS的貢獻(xiàn)是非常大的。
　　現(xiàn)在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和GPS組合在一起的導(dǎo)航系統(tǒng)很普遍，這些系統(tǒng)微型化之后，再將大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)組合在一起就更緊湊。整個(gè)系統(tǒng)就是一種多功能的MEMS。

 

  本文關(guān)鍵詞：航天儀表，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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