载人飞船用HB-3型超低风速传感器

1.引言

近年来，风速传感器的应用越来越广泛，特别是超低速(V<1m/s)的风速传感器被广泛地应用于航空、航天、气象、生物医学动力学和许多的民用工业、服务行业及体育运动场馆等多个方面。同时，对风速传感器的测量范围和测量精度要求也越来越高。

目前，国外许多厂家研制风速传感器，其测量风速的分辨率都达到了V<0.01m/s的高灵敏度，这相当于压差式传感器的灵敏度要达到△P<0.0025mm水柱的精度。测量误差可以控制在读数的5%以内。近代风速传感器的迅猛发展，要首推丹麦，由于它的研究、生产和使用紧密结合的开发体制，使它始终居世界领先地位。其次是美国，近年来，日本也急起直追，居世界第三。但是半个世纪以来，我国风速传感器的研制和生产，长期处于较落后的状态。特别对于V<1m/s的超低风速，由于没有合适的标定设备，给不出精度，仍然无法使用。特别不能用于像航空、航天等有高精度和高可靠性要求的领域。

　　近3～4年来，随着我国航天事业的发展，中国航天科技集团公司七○一研究所与中国航天科技集团公司北京空间飞行器总体设计部合作，使我国热球风速传感器的研制能力向前大大推进了一步。它所研制的第三代产品—HB-3型热球风速传感器(图1)已经能满足我国载人飞船的使用要求，它的综合性能，与国内同类产品相比，有以下优点。

(1)安全可靠，杜绝短路，有很强的自我保护能力，满足航天飞行第一需要。

(2)实行机电一体化设计，将电源线路和信号输出线路合二为一，因而体积小，重量只有200克，满足航天飞行重量轻体积小必要条件。

(3)测量风速的分辨率V≤0.001m/s，能测出风速的下限可延伸至V=0.02m/s，甚至可以更小的超低风速，测量误差能控制在量程范围内任一读数的5%，也就是说，可以精确到V=0.001m/s的水平，相当于压差式传感器的压差△P=0.00025mm水柱的精度。它可以测量半球方向(三维)来流的风速，除子午角φ=60°，180°，300°三个子午角方向的风速，误差达到10%左右外，其余φ=0°～360°的子午角和纬度角γ=0°～±90°方向的来流风速测量误差均小于读数的5%。

(4)通过了飞船从地面发射到轨道飞行，返回地面全过程出现的各种力学环境的鉴定级和验收级试验。HB-3型风速传感器能承受的过载系数K=500g(g-重力加速度)，这意味着，一旦飞船故障着陆坠毁，而传感器仍安全无恙。

(5)它具有电路短路保护，电磁兼容等能力，并通过了鉴定级和验收级抗各种强电磁干扰的EMC试验。

(6)使用方便，在标定中给出了每支传感器输出电压与风速之间的统一标定公式，而每一公式之间的区别，仅仅反映在公式中的系数和指数的差别，而这些系数和指数，都在标定中给出。在飞船上使用时，只要将地面遥测到的每支传感器的输出电压值，代入对应(编号)的公式中，就立即给出了飞船上各地区的风速值，所以应用十分方便。

2.标定设备简介

为了标定这种高精度、高性能的超低速风速传感器，航天七○一所还建造了两座标定设备。一座是BIA-C流场模拟装置，可标定风速的量程为V=0～2m/s，它的灵敏度可显示出V=0.001m/s的风速，同时还具备变压力(P=0.01～0.01MPa)、变温度(T=-20℃～45℃)、变湿度(RH=30%～100%)的功能。另一座是变密度低速风洞，能标定风速V=1～30m/s，标定误差仍可控制在读数的5% 以内，压力变化P=0.1～0.01MPa。这两座标定设备的建立，满足了神舟号载人飞船上使用的高精度高性能风速传感器的标定精度要求，对推进我国风速传感器的近代发展，起了很重要的作用。

3.风速传感器的工作原理

假设单位时间内热线(或热球)传给介质(气流)的热量，等于单位时间内通过热线或热球的电流所做的功。则可以应用热力学、空气动力学和电学之间的关系建立起热线或热球风速传感器工作的参数方程：

式中：A、B是热线电阻，导热系数和Pr数的函数，可以由理论算出，也可以在标定时给出，E是传感器输出电压，它是气流密度ρg和气流温度Tg的函数。有时为了方便，可写出上式的反函数形式：

式中A1=0，B1和n1是能用标定数据给出，这样，只要知道传感器的输出电压，就能用(2)式很简单地算出风速V来。

4.温度对风速的影响

　由方程(1)可知，对于某一给定的风速值V≠0，传感器的输出电压E = f (ρg·Tg)，因此，只要讨论ρg、Tg对于电压E的影响，就能知道对风速V的影响。

由(1)可知

这种影响反映在速度的变化，如图(2)所示，在△T=7.5℃时， >8%。

5. 密度对风速的影响

又由(1)式可知：

密度对风速的影响，往往用压力表示，由状态方程

代入(4)可得：

图3给出了压力从P=0.1Mpa下降到0.0275MPa时， >80%。可见压力的变化对速度的影响很大。

另外，在标定中还做了改变空气的相对湿度(RH=0.3-1.0)后对风速的影响，标定结果表明，湿度影响可以略去不计。

6.对影响风速因素(Tg、Pg)的修正

风速传感器在飞船上应用时，它的环境温度和压力与标定时的环境温度和压力是不一样的，对测出的速度V值，必然有影响，因此必须做出修正。

在温度变化范围不大的情况下，对(1)式中的温度项(Tw-Tg)做线性修正就行了，因此，在应用(5)式的同时可导出：

式中A2，B2和n2对每一支传感器都能在标定中给出，而Rg，Rw，Rgst都能从温度分度表中查出，Pg和Pgst均为已知，只要测出传感器的输出电压，就能从(7)式中很快算出在飞船上各处的风速值。

7. 结论

(一)当V≠0时，在△T=7.5℃时，温度的变化对传感器测出速度的影响，可达到8%左右，因而温度的影响不可以略去。

(二)气体的密度反映在压力变化上，对传感器风速的影响很大。当压力从0.1MPa下降到0.0275MPa时，传感器测出的风速下降80%以上。

(三)相对湿度的变化，反映在气体密度的变化上，相对湿度从30%增加到100%时，密度的变化不到1%，因而相对湿度对风速传感器精度的影响可以略去。