张 妍 张亚波 李 萌 李万利

（首都航天机械有限公司，北京 100076）

压力测量是航天测控中的关键环节，在跟踪测量系统、遥测系统及遥控系统中都会涉及到压力测量。压力参数的测量通过压力传感器来实现。为准确取得压力测量参数，压力传感器必须具备结构可靠性与检测可靠性。其中：结构可靠性指压力传感器自身具有的抗压能力，在极端环境中也能保证正常工作；检测可靠性指压力传感器能够在航天环境中获得准确的压力参数。此外，根据航天测控系统的不同特性，可能还需要压力传感器满足抗干扰、小型化、轻质量、低功耗等要求。

随着航天事业的发展，压力测量技术也在不断进步，具体表现是不同压力传感器在航天测控中的应用。压力传感器的类型有电阻式、压电式、电感式及电容式等[1]。

1 航天测控中压力测量技术发展过程

1.1 航天测控中早期的压力测量技术

20世纪50年代，我国在航天测控中的压力测试主要运用电位器式压力传感器。其工作原理为压力推动电刷在电位器上的位置，将压力信号通过机电转换元件转化为电压信号输出。这种压力传感器的优点为输出信号大，免去了信号调节环节，但其体积较大，质量较重，环境适应力有限，难以满足越来越复杂的航天环境。

20世纪70年代，我国在航天测控中的压力测试主要运用应变片式压力传感器。这种传感器使压力测量在力学环境中的适应性增强，并且提高了测量结果的准确性。但它在体积、质量方面相较于之前的电位器式压力传感器仍没有明显提高，且需要信号调理电路。

1.2 航天测控中近期的压力测量技术

20世纪80年代之后，随着固态半导体技术的发展，压力测试技术也有了明显的发展，出现了薄膜应变式压力传感器、硅压阻式压力传感器等。同时，根据在航天器测控中的不同环节，应用了不同的压力测量技术，如脉动压力测量技术运用于气体脉动压力测量、低温脉动压力测量等。除此之外，相关的测量技术还有差压测量技术、微压测量技术、高温压力测量技术、宽温区压力测量技术、数字化压力测量技术以及高精度压力测量技术。

1.2.1 脉动压力测量技术

脉动压力测量技术主要用于气体脉动压力测量与低温脉动压力测量。气体脉动压力测量主要应用于飞行器表面。飞行器在空间中活动时会面临湍流、分离流等情况，及时准确测量出飞行器所处空间的压力参数是飞行器能够安全飞行的重要环节。测量飞行器表面的气体脉动压力主要用的是硅压阻式压力传感器。以硅材料主体的真空膜盒受到压力时，真空膜盒上的电桥会产生电信号，经过放大、滤波后输出，其原理结构图如图1所示。

图1 硅压阻式压力传感器原理结构图

低温脉动压力测量主要应用于测量液氧、液氢的脉动压力，主要运用薄膜应变式压力传感器，工作时需要在宽频带和超低温环境下完成压力测量任务。运用离子束溅射沉积技术将介质压力注入压力仓，此时平膜片会根据压力的大小发生弹性变化，使电桥发生失衡，产生的信号经放大、滤波后输出。

1.2.2 差压测量技术

火箭伺服系统的压力测量特点为压差较大，并且准确性要求较高，常采用变气隙电感式压力传感器。这种传感器的体积较小，其膜片的位置会随着压力的变化而变化，且随着膜片与电感器件之间的间隙改变。压力小的一边间隙小，压力大的一边间隙大。

1.2.3 微压测量技术

航天器在高空时微小压力的变化都会对其产生影响，微压测量技术就是测量微小压力变化的技术，经常使用的传感器类型为金属薄膜电容式压力传感器。

1.2.4 高温压力测量技术

航天器发动机对航天器至关重要，而发动机燃烧室内的压力是衡量其工作状态的重要参数。燃烧室内压力测量面临着高温、高压及排放气体的腐蚀等恶劣条件，而且需传感器体积小、可靠性高。因此，高温压力测量技术主要运用高温薄膜应变式压力传感器，其具有绝缘介质层，能够保证在高温腐蚀性环境中具有稳定性和可靠性。

1.2.5 宽温区压力测量技术

火箭发射过程中还需对高压气瓶进行压力测试，因此常运用宽温区薄膜应变式压力传感器，以达到宽温区、小体积、高可靠性的要求。

1.2.6 数字化压力测量技术

提高数字化压力测量技术的水平是实现总线技术的基础，目前在这方面使用较多的是控制器局域网络（Controller Area Network，CAN）总线压力传感器。与传统传感器相比，其精度高、误差小、管理难度低，且具有自我诊断能力。未来的压力测量技术可能在此方面有进一步的发展。

2 航天测控中压力测量技术未来展望

2.1 微型传感器

由于航天器的空间限制，传感器的微型化一直是航天领域的发展目标。微电子机械系统（Micro Electro Mechanical Systems，MEMS）是在微电子技术的基础上发展起来的多学科交叉的前沿研究领域，如今也拓展到了航天业。硅材料具有极佳的可加工性，随着纳米技术的发展，可以实现在极小空间上加工尽可能多的元件，如以MEMS技术为基础的微硅传感器可实现微型化、低功耗要求。目前，世界技术前沿国家已经将MEMS技术为基础的微硅传感器广泛应用于航天产业[2]。

2.2 智能化传感器网络化发展

智能传感器与传统传感器的区别在于其具备微处理器，能够在输出信息前对信息进行放大、调理等处理，并转化为标准化数字格式输出[3]。智能化传感器的网络化发展也可以运用于航天测试中的压力测量技术，以达到与其他测控系统相协调的目的。智能传感器的功能图如图2所示。

图2 能传感器的功能图

传感器的网络化是指将多个智能传感器组成一个测控网络，以形成一个统一控制、相互关联、功能强大、高精度、低功耗、小体积的测控系统，从而有利于降低成本、提高管理维护便利性。传感器的网络化主要需要注意以下3个问题。

2.2.1 基于Internet/Ethernet的分布式传感器网络

分布式测控系统能够更好地实现实时性与灵活性。航天测试中压力测量在不同位置或系统有着不同的需求，运用分布式传感器更为合适。但如果是基于测控系统专用的平台，则需要对每个测控子系统配套相应的专用程序，这样必然会增加建设成本。基于Internet或Ethernet的开放系统可以减少对测控系统专用系统的研发，以降低成本，同时保证分布式测控系统的实时性与灵活性等优点。Ethernet是一种经济的通信媒体，具有开放性、通用性的优点，但也存在时间迟滞问题，且效率较低。Internet具有较强的广泛性与开放性，但在运用时需要注重保密性与安全性。

2.2.2 复杂恶劣环境下多传感器信息融合算法的准确性

当传感器处于高温、高压、高电磁干扰等恶劣环境下时，传感器的可靠性会有所影响。但在智能传感器网络化系统中，多个传感器之间合理、容错性良好的融合算法可以保证其准确性。

2.2.3 无线传感器

有线传感器涉及到复杂的电缆网络，其成本较高。在特定空间下，有线传感器甚至难以实现检测目标。美国Crossbow公司开发出基于蓝牙技术的无线传感器[4]，但其可靠性、抗干扰性、低功耗性方面的表现都有待提高[5]。

3 结语

压力测量是航天测控中的关键环节，广泛应用于跟踪测量系统、遥测系统及遥控系统。压力参数的测量需要通过压力传感器来实现。在早期航天测试中，压力测量主要运用电位器式压力传感器和应变片式压力传感器。在近期发展中，根据航天器在测控中的不同环节，应用了不同的压力测量技术，如脉动压力测量技术运用于气体脉动压力测量、低温脉动压力测量等。在未来的发展趋势方面，航天测控中压力测量技术正朝着微型化、智能化、网络化发展。