CN100356176C - 一种用于微型飞行器的微型低速空速计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的用于微型飞行器的微型低速空速计，包括依次相连的微型空速管、微差压测量单元、数据采集模块、微处理器和显示存储单元；空速管进行微型化设计：包括管头、外管、总压管、静压管四部分，外管上设静压孔，总压管插入管头，外管另一端密封，总压和静压分别由总压管和静压管导出；简化了加工、装配难度；在微差压测量单元的设计中，对低空速下微差压传感器输出信号进行处理，有效的消除了死区，使最小量程范围最小接近于零，提高了空速计的线性度；数据采集模块与微差压测量单元的信号调理电路输出端相连，数据采集模块为A/D转换电路模块，对接受的信号进行A/D转换，之后输入至与之相连的微处理器；微处理器与显示存储单元相连。

Description

一种用于微型飞行器的微型低速空速计

技术领域

本发明涉及一种低空速测量装置，特别是一种体积小、重量轻、高可靠性的用于微型飞行器的微型低速空速计。

背景技术

空速的测量对于飞行器的安全飞行与自动控制有着十分重要的作用。传统的空速计的设计原理主要有热线式、差压式、转轮式等原理。热线式空速计的敏感元件是热敏电阻丝(片)，电流在热敏电阻丝(片)流过，导致电阻发热；当气体从电阻周围流过时，会带走一定的热量；在一定的电流下，电阻丝(片)的温度与气体的流速成一定的函数关系，通过对电阻两端的电压进行测量就可以得到当前的风速。转轮式空速计是利用风的能量驱动一个螺旋桨或风轮，通过对螺旋桨或风轮速度的测量得到风速度大小；压差式空速计的敏感元件是压力传感器，当空气流动时，会在迎风表面形成一个附加在静压上的风压，使用一个差压传感器，将迎风压力引入一个引压孔，将静压引入另一个引压孔，通过测量差压就可以得到相应的风速。

微型飞行器体积小，能量和载荷能力有限，对机载传感器的重量、体积、功耗提出了严格要求。传统的空速计很难满足这一要求。目前已有的微型空速测量装置中以转轮式、热线式居多，但在体积、重量以及测量范围等指标上均难满足微型飞行器的要求。基于差压测量原理的微型低速空速计目前尚未发现相关产品及报道。在这种背景下，设计一种满足微型飞行器要求的微型低速空速测量装置变得十分迫切。热线式、转轮式空速计，由于结构复杂，不利于微型化，因此本发明的微型低速空速计选用差压式原理。

传统差压式空速计由空速管和压力表组成，其主要缺点在于：

1、空速管体积、重量大，必须对其进行微型化；

2、传统差压传感器体积大，结构复杂，不利于微型化；

3、传统空速计对于低空速的测量线性度较差。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种结构简单，易于微型化的适用于微型飞行器的微型低速空速计。

本发明的技术方案如下：

本发明提供的一种用于微型飞行器的微型低速空速计，其特征在于，该微型低速空速计包括依次电连接的微型空速管单元10、微差压测量单元20、数据采集模块30、微处理器40和显示存储单元50；

所述的微型空速管单元10；包括：一总压管3，其同心地插入具有球形弧面的管头1的中心孔中，总压管3之外套装外管2，外管2的一端与管头1密封连接，另一端通过密封塞5与总压管3密封连接，外管2靠近尾部的管壁上垂向安装一与外管2内腔相通的静压管4，位于外管2中部的一径向截面上均布有4-8个静压孔；所述总压管3内腔构成总压腔8，外管2与总压管之间构成静压腔6，由其静压由静压管4内腔引出；

所述的微差压测量单元20；包括：微差压传感器21、电源模块22、信号调理电路23；所述的电源模块22分别与微差压传感器21和信号调理电路23电连接，分别为微差压传感器21提供稳定的电流，为信号调理电路23提供稳定的电压；所述总压腔8的总压P1和静压腔6的静压P2分别通过软管与微差压传感器21的两输入端相连接，微差压传感器21的输出端与信号调理电路23相连，向信号调理电路23输出一与压差P1-P2成正比关系的电压，该电压经信号调理电路23进行偏置放大得到一输出电压u；

所述的数据采集模块30与微差压测量单元20的信号调理电路23输出端相连，数据采集模块30为A/D转换电路模块，对接受的信号进行AD转换，之后输入至与之相连的微处理器40；微处理器40与显示存储单元50相连，以显示存储所测得的空速数据；

所述的微差压传感器21为MEMS微差压传感器；

所述的电源模块22包括一基准电压221，基准电压221连接到电压比较器222的同相输入端，微差压传感器21连接采样电阻，采样电阻一端接地，另一端与电压比较器222反相输出端相连，电压比较器222的输出为微差压传感器21提供恒流电源，基准电压221的输出端连接信号调理电路23的参考电位输入端，为信号调理电路23提供稳定参考电压，对微差压传感器21的输出电压信号进行偏置放大。

在进行空速测量时，将微型飞行器的微型空速管单元10安装在待测流场中合适位置，正对来流方向；微型空速管10同时输出总压P₁和静压P₂，流场中测量点附近空速表示为V_A，流场气体密度为ρ，q表示P₁与P₂的压力差，则有 $q=\frac{\mathrm{\ρ}}{2}{V}_A^2,$ 将总压P₁和静压P₂分别接入微差压测量单元20的两个输入端，通过微差压测量单元20中的微差压传感器21和信号条理电路23，得到与差压q成正比的电压u，k为比例系数，其大小由所选用具体传感器和信号条理电路决定，三者之间的关系可表示为：u＝kq。微差压测量单元20的输出电压u，经过数据采集模块30对电压u进行A/D转换，结果输入微处理器40，在微处理器40中对数据进行运算，得到空速V_A，其计算公式为： $V_A=\sqrt{\frac{2u}{\mathrm{k\ρ}}}.$ 将测量结果送到显示存储单元50进行存储并显示。

本发明提供的用于微型飞行器的微型低速空速计具有以下优点：

其空速管与传统空速管工作原理类似，不同之处在于采用了易于微型化的结构，管头1与外管2的分开设计降低了加工难度，总压管3直接插入管头1正中，便于装配，外管2与总压管3之间形成静压腔，在外管2尾部对静压腔6进行密封，静压和总压分别由静压管4和总压管3导出；在各个连接处，均由粘结济进行连接，同时起到密封的作用，此结构很好的实现了空速管的微型化；

微压差测量单元选用微差压传感器，特别是选用MEMS微差压传感器，并对信号进行偏置放大，具有体积小、重量轻、可靠性高和能测量极低空速的特点。

附图说明

附图1为本发明的微型低速空速计的结构示意图(也是原理图)；

附图2为微型低速空速管装配图；

附图3为微压差测量单元2的结构示意图；

其中：微型空速管10                   管头1                     外管2

      总压管3                        静压管4                   密封塞5

      静压腔6                        静压孔7                   总压腔8

      微压差测量单元20               微差压传感器21            电源模块22、

      信号调理电路23                 数据采集模块30            处理器40

      微处理器40                     总压腔8的总压P₁           静压腔6的静压P₂

      空速V_A                         流场气体密度ρ            压力差q

      系数k                          显示存储单元50

      标准空速管校正系数Φ₀          标准空速管测得的动压值Δp

      为待测定空速管测得的动压值Δp′

      微差压传感器21                 电源模块22                信号调理电路23

      基准电压221                    电压比较器222

      输出电压u

具体实施方式

下面结合附图及实施例进一步描述本发明：

参看附图1，本发明的微型低速空速计是基于差压测量原理的设计的，主要包括微型空速管单元10、微差压测量单元20、数据采集模块30、处理器40、显示存储单元50组成；其工作原理简述如下：

将微型空速管单元10安装在待测流场中合适位置，正对来流方向。微型空速管10同时输出总压P₁和静压P₂，流场中测量点附近空速表示为V_A，流场气体密度为ρ，q表示P₁与P₂的压力差，则有 $q=\frac{\mathrm{\ρ}}{2}{V}_A^2,$ 将总压P₁和静压P₂分别接入微差压测量单元20的两个输入端，通过微差压测量单元20中的微差压传感器21和信号条理电路23，得到与差压q成正比的电压u，k为比例系数其大小由所选用具体传感器和信号条理电路有关，三者之间的关系可表示为：u＝kq。微差压测量单元20的输出电压u，经过数据采集模块30对电压u进行采样，采样值进入微处理器40，在微处理器40中对数据进行运算，得到空速V_A，其计算公式为： $V_A=\sqrt{\frac{2u}{\mathrm{k\ρ}}};$ 将测量结果送到显示存储单元50进行存储或显示。

对于图中30、40、50三个模块，无需专门说明，本专业人士即可根据需要自行设计完成。另外对于30、40、50三个模块，应该理解为根据需要可以将其与其他系统相结合或者作相应修改。

下面描述微型空速管单元10和微差压测量单元20：

1、微型空速管单元10设计中所要解决的一个主要技术问题是设计一种简单的空速管结构，减小体积和重量，以达到微型化的目的，同时使其结构满足低空速的测量的要求。

如附图2所示，测量时，管头1正对气流方向，总压管3插入管头1正中心，另一端通过软管与微差压传感器一个进气口连接，气流进入总压腔8后，因不能继续流动而被阻滞，从而感受到管口处的局部总压P1；静压孔7开在外管2中部，感受平行于外管壁方向气流的静压P2，由于静压孔7开孔方向与气流方向垂直，此静压与流速大小无关；外管2与总压管3之间形成静压腔6，静压由静压管4导出，通过软管连接到微差压传感器21的另一个输入端；为了减小迎角对测量结果的影响，消除误差，在外管2同一截面上均布4-8个静压孔；静压孔处的气流静压会受到头部和后支杆的影响：气流流过半球形管头时，流速增加静压下降，使测量静压低于实际静压，带来负误差；后支杆对气流有减速作用，使静压增大，产生正误差。因此应根据实验结果合理选择静压孔的位置；管头1形状采用半球形结构，有利于低马赫数的空速测量。

本发明采用的空速管与传统空速管工作原理类似，不同之处在于其易于微型化的结构，管头1与外管2的分开设计降低了加工难度，总压管3直接插入管头1正中，便于装配，外管2与总压管3之间形成静压腔，在外管2尾部对静压腔6进行密封，静压和总压分别由静压管4和总压管3导出。在各个连接处，均由粘结济进行连接，同时起到密封的作用。此结构很好的实现了空速管的微型化。

2、微差压测量单元20

首先根据空速测量范围计算并选定合适量程的微差压传感器21，一般的微型微差压传感器在本发明中均可适用，但以MEMS微差压传感器这一类的微差压传感器为效果较佳；可根据微压差传感器的输出范围及A/D转换电路的要求，合理选择信号调理电路的量程，在信号放大电路23中采用偏置放大，以达到能够测量较低空速的要求；根据微差压传感器21以及信号调理电路23对电源和性能的要求设计电源模块22。

下面介绍一最佳实施例。本实施例选用SM5651型MEMS微差压传感器作为敏感元件，该传感器具有体积小、灵敏度高、可靠性高的特点。其内部应用电阻激光修正技术对传感器进行温度补偿、漂移修正，采用高稳定芯片粘合在陶瓷基的结构，保证了高可靠性。在恒流供电方式下，内设一个增益系数调整电阻，可以配合外部差分放大器，增强了互换性。

请见图4，提供稳定的恒流源是保证传感器高精度的首要条件。由MAX6061(基准电压221提供基准电压，采样电阻对MEMS微差压传感器工作电流采样，接到电压比较器222反向输入端，与接入电压比较器同相输入端的基准电压进行比较，通过负反馈电路保证MEMS微差压传感器21工作在恒流状态。需要注意的是，在选择采样电阻时应保证工作电流使运放工作在线性范围，避免饱和。

微差压传感器21的输出连接到仪表放大器23，根据测量范围选择放大器增益。由于空速计工作在低速范围，空速很低时，微差压传感器21输出信号非常微弱，会造成在低速时测量时不能线性放大。为了提高空速计的线性度，达到极低空速测量的目的，将基准电压221的输出端接到仪表放大器23的参考电位输入端，对微差压传感器信号进行偏置放大，这样能够有效消除死区，使空速计能测量的最小空速接近于零。

仪表放大器23的输出端与AD转换电路6相连，经AD转换输入到微处理器40，在微处理器40中进行处理，将测量结果保存在存储器50中。

Claims (3)

1、一种用于微型飞行器的微型低速空速计，其特征在于，该微型低速空速计包括依次电连接的微型空速管单元(10)、微差压测量单元(20)、数据采集模块(30)、微处理器(40)和显示存储单元(50)；

所述的微型空速管单元(10)；包括：一总压管(3)，其同心地插入具有球形弧面的管头(1)的中心孔中，总压管(3)之外套装外管(2)，外管(2)的一端与管头(1)密封连接，另一端通过密封塞(5)与总压管(3)密封连接，外管(2)靠近尾部的管壁上垂向安装一与外管(2)内腔相通的静压管(4)，位于外管(2)中部的一径向截面上均布有4-8个静压孔；所述总压管(3)内腔构成总压腔(8)，外管(2)与总压管之间构成静压腔(6)，其静压由静压管(4)内腔引出；

所述的微差压测量单元(20)；包括：微差压传感器(21)、电源模块(22)、信号调理电路(23)；所述的电源模块(22)分别与微差压传感器(21)和信号调理电路(23)电连接，为微差压传感器(21)提供稳定的电流，为信号调理电路(23)提供稳定的电压；所述总压腔(8)的总压P1和静压腔(6)的静压P2分别通过软管与微差压传感器(21)的两输入端相连接，微差压传感器(21)的输出端与信号调理电路(23)相连，向信号调理电路(23)输出一与压差P1-P2成正比关系的电压，该电压经信号调理电路(23)进行偏置放大得到一输出电压u；

所述的数据采集模块(30)与微差压测量单元(20)的信号调理电路(23)输出端相连，数据采集模块(30)为A/D转换电路模块，对接受的信号进行A/D转换，之后输入至与之相连的微处理器(40)；微处理器(40)与显示存储单元(50)相连，以显示存储所测得的空速数据。

2、按权利要求1所述的用于微型飞行器的微型低速空速计，其特征在于，所述的微差压传感器(21)为MEMS微差压传感器。

3、按权利要求1所述的用于微型飞行器的微型低速空速计，其特征在于，所述的电源模块(22)包括一基准电压(221)，基准电压(221)连接到电压比较器(222)的同相输入端，微差压传感器(21)连接采样电阻，采样电阻一端接地，另一端与电压比较器(222)反相输入端相连，电压比较器(222)的输出为微差压传感器(21)提供恒流电源，基准电压(221)的输出端连接信号调理电路(23)的参考电位输入端，为信号调理电路(23)提供稳定参考电压，对微差压传感器(21)的输出电压信号进行偏置放大。