CN101762374A - 沿壁的气流的空气动力学测量探测器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于沿壁的气流的空气动力学测量探测器。本发明明显使得能够确定气流相对于与壁切向的轴线基准的迎角。本发明特别在航空领域是有用的。根据本发明，探测器包括多个发射器(E1、E2、E3、E4)，它们每个发射声波；以及对于不同的声波敏感的接收器(R)。因而，对接收器误差预警，该误差可共用于一个所述发射器(E1、E2、E3、E4)与所述接收器(R)之间的声波的传播时间的所有测量值。

Description

沿壁的气流的空气动力学测量探测器

技术领域

本发明涉及沿壁的气流的空气动力学测量探测器。本发明明显使得能够确定气流相对于与壁成切向的基准轴的迎角。本发明在航空的技术领域中是特别有用的，其中，飞行器周围气流的迎角的了解对于飞行器的飞行而言是关键的。相对于水平平面的迎角是用于确定例如在着陆时飞行器的浮力的重要参数。相对于垂直平面的迎角同样也重要地体现了飞行器的侧滑。为了确定这两种参数——即迎角和侧滑，可以局部地测量气流相对于飞机外皮的取向。这涉及到在飞行器的特定的点上完成的局部迎角测量。还可以在飞行器外皮的一点上测量气流的速度的两个分量，从而确定气流的方向。

背景技术

大多数声学原理是已知的并且通常用于速度或流向的测量。

第一代探测器利用了从飞行器外皮延伸的附属部。该附属部能够被固定。它包括围绕该附属部的气压接口或者测量由气流所施加的力的传感器。该附属部能够是可移动的，形式为沿气流的轴线定向的旗。该旗的方位然后给出了气流的迎角(attack)。第一代探测器还包含通过实现圆柱体下游的旋涡的测量而利用旋涡、例如利用风车测量沿给定方向的流速、利用热丝(hot wire)作为风速计。

该第一代的探测器由于飞行器外皮之外的本体的存在而是易碎的。这些探测器必须被设计成承受气流以及气流所携带的微粒的磨蚀。它们由于产生旗而影响了飞行器的空气动力。在高海拔飞行时，这些探测器必须被除冰并因而消耗了电能。可移动的探测器必须包括位于固定的部件与可移动的部件之间的具有最小摩擦的密封系统。

第二代探测器使得能够消除飞行器外皮之外的任何附属部。出现了在激光器周围安置的光学系统，但是这些光学系统目前是复杂的、昂贵的、体积庞大的。它们仍大体上用作为基准系统。

因此，在多数制造商中更加感兴趣的是超声系统。基本思路是测量彼此相互固定的发射元件与接收元件之间的声波的传播时间，从而沿多个方向根据声的速度以及流体的速度确定声波的速度，并最终确定流向，例如航空应用中的迎角或侧滑。

多种类型的装置目前是已知的。在专利公开文献US 4143548中：发射器朝向两个分别位于上游和下游的接收器产生超声波。与所接收的信号有关的相位表明了朝向上游和朝向下游的沿两个传播方向中的每个的速度差。该装置暗含地假设这些信号并不受到干扰，从而可以测量两个正弦信号之间的相位。此外，该装置相对于发射器与接收器之间的距离而言强制约束频率或波长。最后，各接收器必须在转移函数和固有延迟方面是相同的。

专利公开文献US 4112756和US 4890488提供了类似的思路，利用了根据不同结构的发射器与接收器之间的传播时间测量。

专利公开文献US 5585557提供了一种完全无源装置，换句话说，没有发射器。流中的湍流通过第一接收器被接收并被检测，并且所述湍流向下游传播，在那里它们通过以同一相同距离定位的其它接收器被接收并被检测，而延迟取决于流向和速度特征。传播时间由所述信号之间的互相关计算被计算出。所评估的流向就是由第一接收器以及位于下游的接收器所限定的体现了最短传播时间的流向。系统的精度与传感器的数量有关。

专利公开文献US 7155969提出了前述方式的改进和简化，利用了较少数量的传感器并且适于通过飞行器的外皮进行操作。这些传感器不仅可以是需要飞行器的外皮内的通道以检测压力波动的话筒型声学传感器，还可以是例如在飞行器的外皮上安装的加速度计、应变仪或其它传感器。由湍流所产生的压力波动的传播借助于可以由诸如有源压电传感器的合适的装置实现的飞行器外皮的机械激励代替。同样可以由不同传感器所检测的信号之间的互相关计算实现传播时间测量。

所有这些专利公开文献描述了包括多个接收信号的传感器的系统，并且所接收的信号之间的偏差被用于回演传播时间、速度以及因此流向。

发射器与接收器之间的传播时间的实验测量值被证明是高于理论计算的值，所高于的值是在一相对恒定的值内。因此，测量传播时间的方法需要接收器的校准，其中每个接收器具有其自己的与响应时间、带宽等有关的特征。接收器的这些校准特别取决于环境状况、温度以及压力。基于超声波的传播时间测量的迎角的精确的测量因而证明是相当复杂的，这是由于不同的接收器的特征。在没有有源激发器的全无源系统的情况中，所接收的声学信号仅仅是声学噪音。接收传感器中的一个的故障很难被检测到，除非可能出现传感器全短路。同样，互相关计算必须进行低电平信号的采样和存储。

最后，所有这些系统暗含地假设声学噪音型的信号本身恒定地传播，这仅仅是初步近似。

发明内容

本发明的目的在于弥补这些不足，这是通过提出一种用于测量两个给定点之间的波的传播时间的更简单的并更加可靠的方法来实现的。

为此目的，本发明的技术主题在于一种沿壁的气流的空气动力学测量探测器，其特征在于，所述探测器包括多个发射器，其中每个发射器发出声波；以及对于不同的声波敏感的接收器。

有利地，所述探测器包括用于测量每个所述发射器与所述接收器之间的传播时间的器具。

还已经清楚的是，发射器与接收器之间的传播时间测量值受到误差影响。申请人注意到该误差主要是由接收器而非发射器造成的。通过利用仅仅单个接收器以及多个发射器，测量值中的误差仍是恒定的并且单个校准仍是必须的。

附图说明

通过阅读示意性实施例的详细说明将更好地理解本发明并将清楚本发明的其它特征，其中说明书参照附图说明，其中：

图1示出了一个接收器与多个发射器的示意性分布；并且

图2a至2e以时序图的方式示出了由发射器所发射的信号以及由接收器所接收的信号。

具体实施方式

为了简化起见，在不同的附图中相同的元件由相同的附图标记表示。

图1示出了根据本发明的装置，其包括四个例如相同的发射器E1、E2、E3、E4以及单独一个信号接收器R。当然，本发明还可以实现成基于两个发射器发射由单个接收器R接收的声波。声波可以是超声波，例如频率为40 kHz的级别。接收器R可以是对于由发射器发射的波敏感的话筒或者说共振型的即对特定频率敏感的话筒。

发射器E1、E2、E3、E4全都在相对于壁表面例如飞行器外皮切向的平面中是大致共平面的。与外皮的表面切向的平面是图1的平面。发射器E1、E2、E3、E4有利地围绕接收器R分布。各所述发射器从接收器R离开相同的距离d，并且各所述发射器绕接收器R间距90°。换句话说，发射器E1至E4全都位于以接收器R为中心的直径为2d的圆中并且在该圆中均匀地分布。为了迎角测量，接收器R大致位于飞行器的水平对称平面中，方向E3-E1是与飞行器的水平对称平面平行的纵向基准10。由轴线11所代表的气流的方向相对于该基准形成角度α，α是将要测量的局部迎角。为了测量飞行器的侧滑，接收器R大致在飞行器的垂直对称平面中定位。

如果我们称c为声速、M为局部马赫数并且V为在接收器R高度的气流的局部速度，则以下公式满足：M＝V/c。示出了由发射器E1发射的并由接收器R1接收的声波的理论传播时间T1由以下公式表示：

$T1=\frac{d}{c}\frac{M.\cos \mathrm{\α}+\sqrt{1-M^2{\sin }^2\mathrm{\α}}}{1-M^2}---\left(1\right)$

该公式考虑到了这样的事实，即接收器R的位置在声波由发射器E1发射的时刻与其由接收器R接收的时刻之间变化。

分别针对发射器E2、E3和E4的传播时间T2、T3和T4通过分别将α由(α+π/2)、(α+π)、(α+3π/2)代替的类似的公式获得。

迎角α然而由以下公式得到：

Tangent(α)＝(T2-T4)/(T3-T1)(2)

在实际中，由误差所影响的传播时间被测量。分别在每个发射器E1至E4与接收器R之间的测量的传播时间由T′1、T′2、T′3和T′4表示。如前所示，测量误差e对于接收器R而言是恒定的。因此，以下公式满足：

T’1＝T1+e    (3)

T’2＝T2+e    (4)

T’3＝T3+e    (5)

T’4＝T4+e    (6)

通过将传播时间测量值两两相减，因此可以消除该误差e，甚至无需知道误差的确切值。因此，以下公式满足：

T3-T1＝T’3-T’1        (7)

以及T4-T2＝T’4-T’2    (8)

因此，用于从传播时间T′1、T′2、T′3和T′4的测量值计算迎角α的公式变成：

Tangent(α)＝(T’2-T’4)/(T’3-T’1)    (9)

在已经确定了气流的局部迎角之后，可以确定由马赫数所表示的气流的速度。还可以确定更传统地以国际系统单位表示的或以基于气流温度及其压力的在航空领域中传统应用的节表示的气流的速度。

有利地，优选连续地测量传播时间T′1、T′2、T′3和T′4，这是通过依次启动各发射器实现的，从而能够容易地区别这些传播时间。然而，如果由发射器所发出的波形足够不同从而能够区别传播时间T′1、T′2、T′3和T′4的话，则可以想到同步测量。由接收器R接收的各信号的使用然后是更加复杂的。

探测器可以包括这样的器具，该器具用于检测由接收器R接收的信号相对于其中一个发射器E1、E2、E3和E4发出的信号的相移。在这种情况中，所发出的声波可以是频率调制的(调制的)波。这种调制的实施例也称为“线性调频(Chirp)”。例如，这是频率关于中心频率在时间上线性改变的正弦信号。然后，该装置包括用于对由接收器R接收的信号的频率调制进行解码的器具。

图2a至2e以简化时序图的方式示出了根据本发明的被发射和被接收的信号的实施例。图2a至2d示出了分别由每个发射器E1至E4发出的信号的作为时间t的函数的幅度。图2e示出了作为同样的时间比例的函数的由接收器R接收的信号的幅度。四个发射器E1至E4通过在此以Dirac型短脉冲形式(分别为21至24)表示的信号被接连启动。这种脉冲的好处在于它包括在其建立时的沿。

在两个连贯的脉冲之间流逝的时间有利地被选择成，它总是大于任何一个发射器E1至E4与接收器R之间的可能最大的传播时间，从而接收器R不会错过接收。在这种情况中，相同的持续时间T0被选择成分开两个连贯的脉冲。当然，可以减小持续时间T0，提供区别由接收器R所接收的不同的信号的器具。为此，由不同的发射器E1至E4发出的声波可以是频率调制的波。然后，该装置包括用于对由接收器R接收的信号的频率调制进行解码的器具。

脉冲31至34接连通过接收器R被检测。所表示的信号的形式仅仅是一种实际的近似。脉冲31至34分别对应于由每个发射器E1至E4发射的脉冲21至24的接收器R的检测量。

所测量的传播时间T′1、T′2、T′3和T′4通过发射的信号21至24的上升沿与相应接收的信号31至34的上升沿之间的偏差被确定。发射的信号21至24的上升沿通过激发发射器E1至E4的电信号被非常好地识别出。

所接收的信号由于空气中的声波的传播可能并不清楚地以上升沿表示。为了克服这种困难，探测器有利地包括用于处理由接收器R所接收的信号的器具，该处理器具包括用于形成所接收信号的包络信号的器具以及用于产生二进制信号(binary signal)的器具，其中在所述包络信号超过第一阈值时，所述二进制信号的上升沿出现，并且在所述包络信号低于第二阈值时，所述二进制信号的下降沿出现，其中所述第一阈值大于所述第二阈值。用于产生二进制信号的器具可以包括Schmitt触发器。

以这种方式产生的上升沿然后由于它们的格式化而被延迟，但是针对与不同的发射器E1至E4对应的所有接收脉冲延迟相同的量。增加至接收器R本身的响应时间的该延迟因而并不影响传播时间差的测量，其仅仅对于测量迎角而言是有用的。

本发明具有这样的优点，即容易检测任何一个发射器E1至E4的或者接收器R的失效。脉冲31至34的缺失使得能够确定相应的发射器已经失效。所有脉冲的缺失使得能够确定接收器R已经失效或者确定全部探测器已经失效。

改型的探测器实施例使得能够基于三个发射器以及一个接收器来确定气流的迎角。待解的各公式是更加复杂的，并且还必须计算声速c以及流速。然而，该改型具有减少发射器的数量的优点。

Claims (13)

1.一种沿壁的气流的空气动力学测量探测器，其特征在于，所述探测器包括多个发射器(E1、E2、E3、E4)，其中每个发射器能够发射声波；以及接收器(R)，所述接收器感应不同的声波。

2.根据权利要求1所述的探测器，其特征在于，所述探测器包括用于测量所述发射器(E1、E2、E3、E4)中的每个发射器与所述接收器(R)之间的传播时间(T′1、T′2、T′3、T′4)的器具。

3.根据前述权利要求任一所述的探测器，其特征在于，各所述发射器(E1、E2、E3、E4)绕所述接收器(R)分布。

4.根据前述权利要求任一所述的探测器，其特征在于，各所述探测器(E1、E2、E3、E4)自所述接收器(R)以相同的距离(d)设置。

5.根据前述权利要求任一所述的探测器，其特征在于，所述探测器包括四个绕所述接收器(R)以间距90°设置的发射器(E1、E2、E3、E4)。

6.根据权利要求2或5所述的探测器，其特征在于，所述探测器包括用于基于公式Tangent(α)＝(T′2-T′4)/(T′3-T′1)而确定气流相对于经过两个所述发射器(E1、E3)的轴线的迎角α的器具，在所述公式中，T′1至T′4代表所述发射器(E1、E2、E3、E4)中的每个发射器与所述接收器(R)之间的传播时间。

7.根据前述权利要求任一所述的探测器，其特征在于，所述探测器包括用于朝向每个所述发射器(E1、E2、E3、E4)产生包含沿的声波的器具。

8.根据权利要求2至7任一所述的、作为权利要求2的从属权利要求的探测器，其特征在于，所述探测器包括用于依次激发所述发射器(E1、E2、E3、E4)的器具，从而连续地测量所述传播时间(T′1、T′2、T′3和T′4)。

9.根据权利要求8所述的探测器，其特征在于，所述探测器包括用于朝向每个所述发射器(E1、E2、E3、E4)产生声波的器具，并且各所述声波在时间上的偏差至少为所述发射器(E1、E2、E3、E4)中的一个发射器与所述接收器(R)之间的最大传播时间(T0)。

10.根据前述权利要求任一所述的探测器，其特征在于，所述接收器(R)是共振型接收器。

11.根据前述权利要求任一所述的探测器，其特征在于，所述探测器包括用于处理由所述接收器(R)所接收的信号的处理器具，所述处理器具包括用于形成所接收的信号的包络信号的器具以及用于产生二进制信号的器具，其中在所述包络信号超过第一阈值时，所述二进制信号的上升沿出现，在所述包络信号在第二阈值之下经过时，所述二进制信号的下降沿出现，并且所述第一阈值大于所述第二阈值。

12.根据权利要求1至9任一所述的探测器，其特征在于，所述探测器包括用于检测由所述接收器(R)接收的信号相对于由所述发射器(E1、E2、E3、E4)中的一个发射器所发射的信号的相移的器具。

13.根据权利要求10所述的探测器，其特征在于，所发射的声波是频率调制的波，并且所述装置包括用于对由所述接收器(R)接收的信号的频率调制进行解码的器具。

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