CN101788360B - 用于叶片和翼型的压力及流分离的测量的接触传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于聚合物的流体动力学接触传感器(100)，其基于不同的环境压力下的横跨传感器的电阻率变化而测量环境压力(103)。该传感器(100)可应用于翼型结构，例如风力涡轮叶片(110)，且不影响叶片结构和流体动力学特征。该传感器(100)还可应用于流体测量。压敏元件(105)可设置在位于压敏元件的第一端(106)的底板(115)和位于第二端(107)的压力传感膜片(125)之间。压敏元件(105)可由传导复合材料形成，该传导复合材料由聚合物和传导填料组成。在该传感器的另一实施例中，压敏元件(105)可由压电材料形成，或者由在其顶部、中间或底部具有压电涂层的元件形成。

Description

用于叶片和翼型的压力及流分离的测量的接触传感器

相关申请 

本申请涉及并要求享有由Danian Zheng等于2008年8月26日提交的美国临时申请61/091,928的权益。本申请还涉及由Danian Zheng等于2008年9月25日提交的案卷233329-3。 

技术领域

本申请通常涉及大型的叶片和翼型，更具体地说，涉及用于叶片性能测量的风力涡轮叶片的传感器和装备。 

背景技术

通常用于翼型，尤其是用于风力涡轮叶片的叶片流体动力学参数的测量大多采用传统的机械压力检测的方法。这种压力检测器包括基于压电/应变的压力传感器，该压力传感器需要膜片以测量由压力引起的应力和应变。在翼型或叶片的结构中需要相当大的管道或通孔以容纳膜片的封装。这阻碍了在风力涡轮的生产中采用压力测量。使用这种装备，典型地需要通过喷嘴和管将压力引入传感器膜片中，导致压力测量的方向性被进一步限制。 

因此，在风力涡轮叶片上需要提供一种用于结合传感器的结构，以提供可用于评估和控制风力涡轮性能的压力测量。传感器在风力涡轮运转的期间必须处于适当位置，所以安装不能对叶片的完整性和流体动力学运转的造成负面影响。此外，还需要提供一种结构，其以不对叶片的完整性和流体动力学运转造成负面影响的方式向数据采集系统提供信号。 

发明内容

本发明涉及一种流体动力学电阻式接触传感器，其用于测量翼型上的流体压力，其中，所测量的压力可以是空气压力或液体压力。本发明还涉及允许流体动力学传感器测量翼型的性能参数的翼型装备布置，该翼型可以是风力涡轮叶片。 

根据本发明的第一方面，提供了一种流体动力学电阻式接触传感器，其适合于测量翼型上的流体压力。该传感器包括导电的压敏元件。导电的底板可操作地连接到压敏元件的一端上。导电的压力传感膜片可操作地连接到压敏元件的第二端上，用于施加预负荷，并感测与环境压力相关的力。电绝缘体将底板和压力传感膜片分离。提供了用于将压力传感膜片接合到底板上的装置。还提供了用于提供穿过压敏元件的电流的装置。 

根据本发明的另一方面，提供了一种用于制造适合于流体压力的测量的流体动力学电阻式接触传感器的方法。该方法包括提供导电的底板，并将压敏元件的一端安装在底板上。该方法还包括将导电的压力传感膜片安装在压敏元件的第二端之上，并将压力传感膜片与底板电隔离。该方法还包括将压力传感膜片与底板接合。 

根据本发明的又一方面，提供了一种用于流体动力学电阻式接触传感器的风力涡轮叶片的装备结构，这种电阻式接触传感器适合于测量与风力涡轮叶片性能相关的流体动力学参数。该结构包括多个流体动力学电阻式接触传感器，该接触传感器包括由聚合物和传导填料形成的压敏传导复合材料，其中，所述多个接触传感器根据预定的形式而分布在风力涡轮叶片的表面上。该结构还包括一种针对位于风力涡轮叶片上的多个流体动力学电阻式接触传感器的安装结构，其适合于在风力涡轮运转的期间将多个流体动力学电阻式接触传感器保持固定在合适的位置上。还提供了装置以用于在位于叶片上的多个流体动力学电阻式接触传感器和数据采集终端之间电气地传送信号。 

附图说明

当参照附图并阅读以下详细描述时，将更好地理解本发明的这些以及其它的特征、方面和优点，其中，在所有附图中，相似的标号表示相似的部件，其中： 

图1A图示了用于测量流体压力的流体动力学压力传感器的一个实施例的等距视图； 

图1B图示了流体动力学电阻式接触压力传感器的一个实施例的横截面； 

图1C图示了流体动力学电阻式接触压力传感器的第二实施例的横截面，该传感器采用了用于将底板和压力传感膜片接合的非金属夹具； 

图1D图示了压敏元件的平坦形状的顶面和压力传感膜片之间的接触基于压敏元件在底板上的定位的变化； 

图1E图示了压敏元件105的凸顶面的冠顶和压力传感膜片之间的接触； 

图1F图示了用于将传感器空腔抽真空的过程； 

图1G图示了来自压力模式下的传感器的压力输出信号的线性度； 

图2图示了安装在翼型上的流体动力学电阻式接触传感器的布置； 

图3图示了针对制造流体动力学电阻式接触压力传感器的方法的流程； 

图4A图示了沿着叶片的全部翼弦分布并捕获围绕翼型的全部压力分布的流体动力学电阻式接触压力传感器； 

图4B图示了沿着前缘压力面分布并可以提供与滞流点和迎角相关的特定信息的流体动力学电阻式接触压力传感器以及沿着后缘分布并可以用于获取翼弦上的失速数据的流体动力学电阻式接触压力传感器； 

图4C图示了沿着全部前缘和全部后缘的至少一个而分布的流体动力学电阻式接触压力传感器； 

图4D图示了可以由分布在前缘吸力面上的流体动力学电阻式接触压力传感器捕获的前缘吸力峰值压力和顶壁压力； 

图5A-5E分别图示了针对全跨度分布；外1/3跨度，叶片尖端的外跨度；内1/3跨度；以及中间跨度而提供的流体动力学电阻式接触压力传感器； 

图6A图示了沿着叶片表面以偏斜安装的形式安装的传感器； 

图6B图示了叶片上的后缘插件； 

图6C图示了用于叶片的后缘插件的放大图； 

图6D图示了针对后缘插件内的通道的局部截面图A-A； 

图6E图示了穿过用于后缘插件的通道空腔入口的局部截面图B-B； 

图7图示了一种用于测试的沿着风力涡轮叶片的翼弦的流体动力学电阻式接触传感器的示范性分布； 

图8A-8C图示了沿着风力涡轮叶片的全部轴向跨度分布的传感器； 

图9图示了永久性地安装在风力涡轮叶片的外表中的传感器； 

图10图示了用于带内的多个流体动力学电阻式接触传感器的封装布置的一个实施例； 

图11图示了用于与流体动力学电阻式接触传感器一起采用的数据传送装置的实施例； 

图12A图示了一种用于将来自安装在叶片或轮叶上的传感器的一个引线连接到后缘插件上的布置； 

图12B图示了从叶片或轮叶上的传感器至数据采集终端的电连接的放大图。 

图13图示了一种用于传感器与穿过叶片的外表的本地通孔的连接的备选布置。 

部件列表： 

100流体动力学电阻式接触传感器；101高度；102直径；103外部压力；104外圆周；105压敏元件；106第一端；107第二端；108平的表面；109顶面；110空腔；115底板；116底板的底面；117底板的顶面；118圆形的接触线；119圆顶接触；120变化的定位；122包含在空腔中的空气；123空腔中的真空；125压力传感膜片；126圆顶的顶面；127圆顶的下侧；128圆顶的外周边部分；130真空腔室；131密封件；132力；133压制装置；133线性度；134复合隔膜；135纸垫圈；136环氧树脂隔膜；145电绝缘体；165预负荷力；175冠顶；176凸顶面；185电绝缘夹具；190电气引线；191底板上的位置；192压力传感膜片上的位置；195电流；198电阻；210流体动力学电阻式接触传感器；220翼型；230入射气流；240上表面；245下表面；250平滑的气流；255流分离；260尾流；400翼型横截面；405全部翼弦；410前缘压力面；415后缘；420全部前缘；425全部后缘；430前缘吸力面；500叶片；510全部跨度；520外1/3跨度；530尖端跨度；540内1/3跨度；550中间跨度；600叶片；601吸力侧；602压力侧；610传感器；620表面；630弦线；640偏斜安装的形式；650角度；660前缘；670后缘；676标定元件；685通道空腔；690束；691通道入口；692传感器引线；694入射角；700传感器；710第一位置；720第二位置；730第三位置；740第四位置；750第五位置；800风力涡轮叶片；810前缘跨度；820后缘跨度；830全部多个跨度；900叶片；910叶片外表；920叶片芯部；930电阻式接触传感器；940来自传感器的导线对；950导线束；1010传感器带；1015带的顶面；1020流体动力学电阻式接触传感器；1025压力传感膜片；1030底板；1040空气动力学电阻式接触传感器；1050带的背面；1060来自传感器的传感导线；1065导线束；1070叶片的表面；1080叶片；1085前缘；1090后缘；1100风力涡轮叶片装备结构；1105传感器；1110叶片；1115后缘；1120数据采集终端(DAT)；1125传感器接线；1130压力信号；1135后缘上的导线束；1150处理器；1160远离叶片的无线传输；1170至处理器的数据信号；1180滑环；1190辅助动力；1210流 体动力学电阻式接触传感器；1215传感器接线；1220叶片；1225叶片表面；1230后缘；1240后缘插件；1250公共引线；1255数据采集系统公共端；1260信号引线；1265通道；1270数据采集系统；1310空气动力学电阻式接触传感器；1320传感器接线；1330叶片通孔；1340叶片。 

具体实施方式

本发明的以下实施例具有许多优点，包括在涡轮叶片上提供作为薄的流线型补缀的压力传感器，其不会对叶片结构和流体动力学特征造成影响。传感器允许消除端口与管道，消除滞后现象，抑制方向性，并提供相对于以前的机械压力测量的增加的频率响应，从而实现一种更精确的测量。此外，薄的传感器补缀可允许结合到叶片表面中，以用于实时的风力涡轮性能测量和实时的涡轮控制能力。另外，出于诊断和确认的目的，可将接触补缀应用到表面上。 

最近，已经研制出各种接触传感器，该接触传感器包括由聚合物和传导填料形成的传导复合材料。接触传感器的复合材料可具有与聚合物基本相同的物理特征且导电，其电阻作为传感器上的负荷的函数。传感器可提供与涉及负荷的信息相关的实时的动力学信息。由Clark等所描述的先前的申请(U.S.2006/0184067)涉及与接触应力(与感测元件材料的直接物理接触)相关的参数的测量。在由Clark等所描述的接触申请中，应用于传感器的力涉及部件之间的接触，例如发生在人体中的诸如膝关节或髋关节的关节面内的接触。这种接触提供了作用在传感器上的正向力。 

本发明涉及用于测量流体压力的流体动力学传感器，其中，所测量的流体压力可以是气体压力或液体压力。流体压力的测量提供了有利于流体动力学设计和控制的流场信息。可在翼型的表面上测量流体压力，该翼型可以是风力涡轮叶片，但不限于此。所测量的气体压力可以是空气压力。在空气压力的情况下，测量可包括环境空气压力， 包括作为围绕叶片翼型的流场的效应的围绕标准大气压的变化。因此，需要传感器对响应于关于标准大气压的正向和负向的变化。本创造性的的传感器被预加负荷，以将力施加于压敏材料上，从而建立操作点，容许对标准环境压力之上和之下的压力变化的响应。 

为了应用于精确的压力测量以确定被安装传感器的结构的流体动力学性能，传感器和传感器安装方案必须是流体动力学流线型的，从而不干扰沿着表面的气流。 

适合于测量流体压力的流体动力学传感器包括压敏元件；导电的底板，可操作地连接到压敏元件一端上；导电的压力传感膜片，可操作地连接到压敏元件第二端上，并适合于将预负荷和与环境压力相关的力施加于压敏元件上。电绝缘体将底板和压力传感膜片分离。提供了用于将压力传感膜片接合到底板上的装置。还提供了用于提供穿过压敏元件的电流的装置。 

图1A图示了用于测量流体压力的流体动力学电阻式接触传感器100的一个实施例的等距视图。可在翼型的表面上测量流体压力。流体压力可以是空气压力，并且翼型可以是风力涡轮叶片，但不限于此。图1B图示了流体动力学电阻式接触传感器100的一个实施例的横截面图。图1C图示了用于流体动力学电阻式接触传感器100的第二实施例的横截面图。 

压敏元件105可设置在位于压敏元件的第一端106处的底板115和位于第二端107处的压力传感膜片125之间。底板115可配置成诸如不锈钢的导电的高强度材料的平板。底板115足够坚固，以避免响应于环境压力变化而产生的物理变形。底板115还可成形为圆盘形状。用于底板115的材料还可包括其它高强度的导电材料，例如铝。底板115的底面116可以是平的。底板115的底面116还可包括曲率，适合于放置在表面上的特定的测量位置。这里，可设定底面116的曲率，使其相当于即将被安装底板的表面的曲率。底板115的顶面117可以是平的。 

在传感器100的一个实施例中，压敏元件105传导复合材料组成，该传导复合材料由聚合物和传导填料形成。在传感器的另一实施例中，压敏元件105可由压电材料形成，或者为在顶部、中间或底部具有压电涂层的元件。压敏元件105可成形为纽扣或圆盘形状，并且可包括位于第一端106的基本平坦的表面108和位于第二端107的表面109，其分别与底板115和压力传感膜片125相接合。 

压力传感膜片125(也被称为圆顶)可包括薄的金属薄膜。薄的金属薄膜优选由诸如不锈钢的高强度的导电材料组成。用于压力传感膜片125的材料还可包括其它高强度的传导材料，例如铝。压力传感膜片125可安装在压敏元件105的第二端107之上，在底板115之上形成圆顶。由压敏元件105形成的圆顶可在底板115的顶面117之上张开至外周边部分128处，并延伸至与底板115的圆盘半径大致相当的半径处。在圆顶125和底板115之间不被压敏元件105占据的空间中形成了空腔110。 

图1D图示了在压敏元件105的平坦形状的顶面109和压力传感膜片125之间的接触120基于压敏元件105在底板115上的定位的变化。压敏元件105的顶面109可以是平坦的，其与围绕外圆周104的圆顶形状的压力传感膜片125的下侧127构成圆形线接触118。平顶面109的外圆周104与圆顶125之间的接触在某种程度上受到压敏元件在底板115上的改变的定位120的影响，导致因压力测量中的变化而引起的接触区域。 

为了减小因压力测量中的变化而引起的接触区域，压敏元件105的顶面109可包括与圆顶125的下侧127相符的凸起形状。用于压敏元件的顶面的另一方面可包括与圆顶125的下侧127的曲率不相等的凸起形状曲率。在这方面，只有压敏元件105的冠顶175接触圆顶125。冠顶175和圆顶125之间的接触面积保持相对恒定，与压敏元件105在底板115上的定位无关，从而在压敏元件105上获得更恒定的电流通量并因而获得更加能够重复的压力信号。图1E图示了在压敏元件 105的凸顶面176的冠顶175和压力传感膜片125之间的接触。传感器提供了大约+/-4000帕的范围内的大约1％或以下的精度的测量。 

图1G图示了来自压力模式下的传感器的压力输出信号的线性度的曲线图。在本发明的又一方面，可将传感器100的位于底板115和压力传感膜片125之间的内部空腔110抽成真空。内部空腔110的除气以两种方式改善了传感器100的性能。传感电流195流过压敏元件105的电阻，产生热量，加热内部空腔中的空气，并造成传感器100内部的压力变化。空腔110内的内部压力的变化影响压敏元件105上的力，并改变传感器的压力信号。此外，将内部空腔110抽真空可将压敏元件105保持在压力模式135下，在该压力模式中，相对于内部空腔110中的压力高于传感器100外的压力的情况，压力信号输出130的线性度133增强。 

压力传感膜片105的外周边部分128可通过电绝缘体145而与底板115保持物理分离和电分离，电绝缘体145可以是绝缘隔膜。电绝缘隔膜可以是环氧树脂隔膜。此外，如图1B的插图中所示，电绝缘体145可包括基于具有环氧树脂隔膜136的纸膜135或其它垫圈的复合隔膜134。在底板115和压力传感膜片125之间要求电绝缘以捕获与压力相关的电信号。对于由聚合物和传导填料形成的传导复合材料，压敏元件105的相对末端之间的电阻值响应于施加在压力传感膜片125上的环境压力而变化。 

压力传感膜片125必须保持与底板115相接合，即使如上所述，其必须保持与底板115电隔离，并因此保持物理隔离。通过上述的环氧树脂隔膜可保持接合，将压力传感膜片125的外周表面128密封至底板115的外周表面，同时提供电绝缘。 

在压力传感膜片125和底板115之间提供没有粘合能力的电绝缘体145的情况下，可提供电绝缘(非金属)的夹具185，以在外缘上将压力传感膜片125和底板115夹在一起，如图1C中所示。 

压力传感膜片和底板115之间的接合将圆顶保持拉紧，将预负荷 力165施加在压敏元件105上。当通过外缘上的环氧树脂隔膜或夹具而与底板接合时圆顶的精确定位确立了预负荷力165的大小。预负荷力165容许即使当接触传感器的环境压力下降到名义环境压力之下时，也会在压敏元件105上保持压缩力(并从而保持与压力相关的电阻输出)。 

平的底板115具有极大的刚性，使其不会在外部压力103变化时发生显著变形。足够薄的压力传感膜片105响应于因变形而施加于顶面126上的外部压力103的变化。增加的外部压力103在压敏元件105上使圆顶125向下变形，利用增加的压力施加更大的力。降低的外部压力103减少了圆顶125的向下变形和在压敏元件105上的力。 

压敏元件105上的力的变化改变了在一端106和第二端107之间的电阻。因为圆顶125和底板115被电绝缘体145物理分离，所以外部电势可应用在位于底板115上的位置191和位于压力传感膜片125上的位置192之间的接线190上，驱动电流(I)195，以响应于环境压力103而感测压敏元件105的电阻198的变化。 

传感器100的整体高度减少了对传感器表面之上的气流的干涉。保持传感器的整体高度(H)(101，图1A)至大约2mm，将限制对可能进行压力测量的表面之上的层流的干涉，例如风力涡轮叶片或轮叶(wing)的表面。此外，用于压力传感膜片的圆顶形状提供了与减少对表面之上的气流干涉相一致的光滑表面。流体动力学传感器的直径(D)(102，图1A)整体上可被限制为大约25mm。 

图2图示了安装在翼型220上的流体动力学电阻式接触传感器210的布置。传感器沿着翼型的翼弦设置在上表面240和下表面245上。入射的气流230撞击在翼型220上。入射的气流230围绕翼型220的上表面240和下表面245流动。图中显示翼型220失速，平滑的气流250沿着下表面240流动，但流分离255在上表面240之上产生尾流260。传感器210的压力测量可提供数据以诊断失速，迎角以及其它关于翼型性能的流体动力学条件。 

本发明的又一方面提供了一种用于制造适合于测量传感器外部的流体压力的流体动力学电阻式接触传感器的方法。图3图示了针对该方法的流程图。在步骤310中，提供了导电的底板115。提供步骤还可包括使底板115的底面116成形，以便于安装在其中一个平坦表面和轮廓面上，例如翼型、叶片或轮叶的表面上。步骤320包括将压敏元件105的第一端106安装到底板115上。 

步骤330提供将导电的压力传感膜片125安装在压敏元件105的第二端107之上。安装步骤还可包括将压力传感膜片125定位在压敏元件105的第二端107之上，以在底板115之上形成圆顶。步骤340包括将压力传感膜片125与底板115物理隔离且电隔离。这种隔离可包括在底板和压敏元件之间插入电绝缘体145。这种插入可更加特定地应用于压力传感膜片125的外周边底部128和底板115的外周表面上。插入电绝缘体145的步骤还可包括插入环氧树脂隔膜，其充当绝缘体。插入步骤还可包括插入环氧树脂136和诸如纸垫圈135的其它材料的复合隔膜134。 

步骤350致力于接合压力传感膜片125与底板115。接合压力传感膜片125与底板115的步骤还可包括定位压力传感膜片125，以在压敏元件105上建立指定的预负荷165。定位步骤还可包括根据低于名义环境压力的预期的环境压力范围而建立针对指定的预负荷的最小值。接合步骤还可包括利用环氧树脂隔膜的电绝缘体145或利用电绝缘夹185而使压力传感膜片的外周边底部接合到底板的外周表面上。 

步骤355还可包括将传感器100的内部空腔110抽真空。可通过在接合压力传感膜片125与底板115的期间将传感器保持在真空腔室130中来将内部空腔110抽真空。当进行抽真空时，该步骤可包括提供压制机构，该压制机构通过具有针对压制机构的侧面的密封件的容器而压缩压力传感膜片。图1F图示了用于当接合圆顶125与底板115且封闭压敏元件105时，将底板115和圆顶125之间的空腔110抽真 空的过程。当力132施加于压制机构134上，以指定的预负荷在压敏元件105之上接合圆顶125与底板115时，在具有密封件131的真空腔室130中进行该过程，同时绝缘膜145密封传感器并保持内部空腔110中的真空。 

用于制造流体动力学电阻式接触传感器100的方法还包括根据步骤360，使流体动力学传感器的高度小于叶片上的气流边界层的高度。该方法还包括根据步骤370，通过提供圆顶的表面来成形传感器的外形轮廓，以达到该高度。 

本发明的又一方面是一种用于流体动力学电阻式接触传感器的装备结构，该传感器适合于测量与翼型、叶片和轮叶的性能相关的流体动力学参数。以下实施例致力于用于测量风力涡轮叶片性能的测量的装备方案(scheme)，然而，该装备方案并不局限于风力涡轮叶片。 

该结构包括多个传感器，其优选利用由聚合物和传导填料形成的传导复合材料。接触传感器可根据预定的形式分布在风力涡轮叶片的表面上。风力涡轮叶片上的多个流体动力学电阻式接触传感器的安装结构适合于在风力涡轮运转期间保持传感器固定在合适位置。提供了用于在位于叶片上的多个流体动力学电阻式接触传感器和数据采集终端之间电气地传送信号的装置。 

根据期望获得的流体动力学信息而建立传感器的预定的形式。多个传感器通常可沿着叶片的至少一个翼弦的表面而安装，沿着上表面和下表面分布。在图4A-4D中，显示了可能为风力涡轮叶片的翼型400的横截面图。图4A图示了沿着全部的翼弦405的传感器的分布，该传感器捕获围绕翼型的全部压力分布。图4B图示了沿着前缘压力面410(大约全部翼弦的20％)分布的针对与滞流点和迎角相关的特定信息的传感器以及沿着后缘415(大约全部翼弦的20％)分布的用于获得翼弦处的失速数据的传感器。图4C图示了沿着至少全部前缘420和全部后缘425(各为翼弦的20％)的其中一个而分布的传感器。如图4D中所示，利用分布在前缘吸力面430(大约翼弦的50％)上的传感器 可捕获前缘吸力峰值压力和顶壁压力。 

类似地可沿着在预定的轴向位置选择的叶片的多个翼弦提供多个传感器。图5A-5E图示了叶片500上的传感器分布。可以如图5A中所示，针对全部跨度分布510而提供传感器；可以如图5B中所示，针对外1/3跨度520而提供传感器；可以如图5C中所示，针对叶片尖端外跨度530而提供传感器；可以如图5D中所示，针对内1/3跨度540而提供传感器；以及可以如图5E中所示，针对中间跨度550而提供传感器。 

图6A图示了通常沿着叶片600的至少一个弦线630的表面620而安装的传感器610，该传感器可通常以相对于前缘660和后缘670之间的弦线630偏斜安装的形式640建立。这种偏斜安装的形式减小了一个传感器对叶片600之上的空气流形式的干涉，并从而减小了针对沿着叶片的翼弦的下游传感器的压力。传感器相对于弦线630的偏斜安装的形式640可形成高达约15度的角度650。这种相对于弦线630的有限偏离不在所测量的压力中产生偏离位于弦线本身的相应位置上的压力的显著变化。如果将传感器610安装在叶片的外表面上，那么接线680可沿着叶片表面620延伸至后缘670，随后沿着后缘插件675组成束690，如图6A中所示。将布线特征设计成确保最小的流破坏(flow disruption)，并为传感器接线提供天气和环境保护。 

图6B图示了叶片上的后缘插件。图6C图示了用于叶片的后缘插件的放大图。图6D图示了针对后缘插件内的通道的局部截面图A-A。图6E图示了穿过用于后缘插件的通道空腔入口的局部截面图B-B。 

叶片600包括吸入侧601和压力侧602。针对布线传感器引线692的优选尽可能实际地位于压力侧602。在叶片的后缘670上，可提供后缘插件675。后缘插件675可由金属或复合物质组成。放大图6C显示了后缘插件675，其在后缘670处呈渐缩形，并包括用于将后缘插件675保持在叶片600上的合适位置的标定元件676和677。后缘插件675包括用于传感器引线691延伸的纵向通道空腔685。 

图6D图示了从吸力面601看时的叶片局部截面图，其图示了从叶片的吸力面601进入通道空腔685中的针对传感器引线的通道入口691。图6E图示了针对通道入口691贯穿后缘插件675而进入纵向通道空腔685中的局部截面图B-B。传感器引线692穿过通道入口691而进入纵向通道空腔685中。根据材料、通道宽度、通道壁厚以及传感器导线的尺寸选择，入口691可形成约15度至约30度的入射角694。 

图7图示了一种用于测试方案的沿着风力涡轮叶片的翼弦的流体动力学电阻式接触传感器700的示范性分布。每组20个传感器的多个组沿着叶片的五个翼弦设置在约r＝47m的第一位置710、约r＝25m的第二位置720、约r＝16.5m的第三位置730、约r＝11.5m的第四位置740以及约r＝11m的第五位置750，所有位置均相对于叶片根部而言。 

传感器还可沿着风力涡轮叶片800的全部轴向跨度分布。图8A图示了沿着全部前缘段810的传感器分布，其中，作为一个示例，传感器可分布在约1/3至内侧部分，1/3至中间部分，1/3至外侧部分，以及顶端处的4％。图8B图示了沿着全部后缘段820的传感器分布，其中，作为一个示例，传感器可分布在约1/3至内侧部分，1/3至中间部分，1/3至外侧部分，以及顶端处的4％。图8C图示了沿着前缘和后缘之间的全部多个跨度830的传感器分布。 

多个传感器还可以以集中的形式安装在风力涡轮叶片的特定的表面部分上，以提供更全面的压力信息，并从中提供用于相关联的表面部分的流体动力学性能。此外，应该认识到以前描述的传感器形式是示范性的，并且可被用于适合于特定的测量或控制方案的不同的组合和布置。 

风力涡轮叶片的装备结构可包括用于传感器的安装结构，其中流体动力学电阻式接触传感器永久性地固定在叶片的表面中。利用在叶片粘合过程中建立的粘合，可提供在叶片表面内的合适位置处的永久安装。图9图示了永久性地安装在叶片外表的层压层910中的传感器。用于永久性地安装的传感器的传感器引线可穿过层压层910和叶片的 芯部920而延伸至叶片900内的导线束950。 

备选地，风力涡轮叶片装备结构可包括将流体动力学电阻式接触传感器安装到叶片的外表面上。根据所期望的预定形式用胶水或环氧树脂将单独的传感器粘合到叶片的外表面上可提供这种安装。可提供这种安装以用于监视连续的风力涡轮叶片性能，但还可更频繁地用于将在初始安装测试、周期性的性能测量以及故障查找中所使用的临时测试装备，如图7中所示。 

作为用于安装在外表面上的又一备选，可提供传感器的封装布置。这种封装布置可包括以预定形式布置的多个传感器，其中该封装附连到外表面上。该封装布置还可包括用于封装内的传感器的接线。这种封装还可在背面提供胶水或粘合物质，用于连接到叶片的外表面上。 

图10显示了封装布置的一个实施例，该封装布置可包括沿着带1010的长度而布置的多个流体动力学电阻式接触传感器1020。带1010可由塑料、布或类似的柔性材料形成，耐水、风以及风力涡轮叶片环境中的其它因素。传感器1020可根据预定的形式而安装在带1010中。压力传感膜片1025可在带1010的顶面1015上暴露于外部压力，而底板1030被保持在带1010内。可以用胶水和环氧树脂来将传感器1020粘合到带1010上，或者可将其封闭在带材料中，只有压力传感膜片1025暴露于外部空气。 

虽然可提供沿顺翼展方向的布置，但例如可将带1010布置成沿着叶片1080的翼弦或叶片的翼弦的一部分延伸。带1010的背部1050可配备有胶水或其它粘合剂，以用于附连到叶片1080的外表面1070上。 

带1010还可包括内置的导线对1060，其来自针对安装在带1010上的各个单独传感器1020的传感连接。带1010中的内置导线1060可在束1065中延伸至叶片的后缘1090或延伸至穿过叶片1090的通孔(未显示)，如以上针对安装在外表面上的其它传感器所述。 

考虑到当在针对风力涡轮叶片的物理高度和风力/天气条件下工作时将传感器应用于叶片外表面上的相关困难，这种封装可极大地有利于将多个传感器应用于叶片的外表面上。虽然该封装显示为带，但应该意识到，在本发明的范围内还可以以不同形状、方式和布置提供其它的实施例。 

图11图示了可与流体动力学电阻式接触传感器一起采用的用于传送数据的装置的一个实施例。风力涡轮叶片装备结构1100包括用于在叶片1110上的多个流体动力学电阻式接触传感器1105和数据采集终端(DAT)1120之间电气地传送信号的装置。针对将DAT 1120放置在叶片上或叶片内，可提供若干备选方案。DAT 1120可以出于测试目的而表面安装于叶片上，并进行传送至远离叶片的存储处或处理位置1150的无线数据传送1140。来自传感器接线1125的数据可通过叶片1110中的导线束1130或表面导线束1135，例如沿着叶片1110的后缘1115而被供给至DAT 1120处。DAT 1120可更加永久性地安装在叶片内，其中，这种DAT可通过滑环1180或类似的机构而提供远离叶片的无线传输1160或远离叶片的有线传输1170。DAT还可通过滑环1180来接收动力1190。此外，DAT 1120可储存用于随后下载的数据。 

各个流体动力学电阻式接触传感器1105包括一对引线1125。一个引线连接到压力传感膜片上，而第二引线连接到底板上(见图1)。用于在叶片1110上的流体动力学电阻式接触传感器1105和数据采集终端1120之间电气地传送信号的装置可包括在叶片粘合的期间安装于叶片的表面内的传感器，这对引线1125还可穿过叶片的外表和叶片的芯部而延伸至叶片内部。一旦进入叶片内，则来自单独的传感器的这对引线可组入导线束1130中。 

还可提供一种布置，以利用叶片或轮叶中的现存结构或备选结构，从而充当用于来自传感器的输出的公共电气路径。图12A图示了一种用于将来自安装在叶片或轮叶上的传感器的一个引线连接到后 缘插件上的布置。图12B图示了从叶片或轮叶上的传感器至数据采集终端的电连接的放大图。传感器1210沿着叶片或轮叶1220设置。传感器接线1215布置在叶片或轮叶1220的表面1225之上，延伸至后缘1230。在后缘1230处，用于传感器接线的这对引线的公共引线1250可连接到后缘插件1240上。后缘插件1240可由导电材料组成。用于传感器1210的公共引线1250可通过后缘插件而连接到数据采集系统的公共端或接地端1255上。来自各个传感器1210的较高侧或信号引线1260可连接到数据采集系统1270的单独的通道1265上。后缘插件的使用极大地减少了叶片中的接线。信号引线1260的至数据采集系统的纵向布线可与图6A-E一致。应该意识到，还可以以备选的传感器布置和数量、传感器的位置以及传感器的接线来提供本发明的其它实施例。 

在备选的布置中，叶片可以不具有导电的后缘插件。相反，本发明将使用防雷电缆或其它类型的导体，其典型地沿着叶片的内部从尖端布置至根部。公共引线可作为防雷保护系统的一部分而接地，或者可设计成主要防雷保护系统。用于将传感器连接到防雷电缆或其它导体上的方法大致相似。 

在一种备选的风力涡轮叶片装备结构中，用于在具有沿着叶片的表面设置的接线的传感器和DAT之间电气地传送的装置，来自各个单独的传感器的成对引线可沿着叶片的表面而延伸至后缘，并沿着后缘而进行布线。在后缘处，来自多个传感器的多对引线可加入一个或多个导线束。 

在风力涡轮叶片装备结构的另一备选方案中，用于电气地传送的装置可包括在多个传感器区域附近穿过叶片的外表和芯部而设置的通孔。例如在以上所述的其中一种布置中，多个传感器的区域可沿着叶片表面而形成。来自形成于叶片1340的区域中的各个单独的流体动力学电阻式接触传感器1310的成对引线(接线)1320可穿过叶片中的通孔1330。在叶片内可提供导线束，其适合于接受来自单独的表面 安装的传感器的成对引线。叶片内的导线束可连接到叶片内的无线DAT上，或如上所述远离叶片。 

来自各个传感器的成对引线的公共引线可连接到可能已经存在于叶片内的公共电气路径上。例如，防雷保护系统可包括耐用的导线，其沿着叶片的跨度在内部延伸，并包括延伸至叶片的表面上的传导元件。可以将传感器的一个导线连接到内部跨度或防雷保护系统的表面传导路径上。备选地，可采用在某些叶片系统中所使用的传导的后缘插件作为公共连接路径，如图13中所示。借助于通过上述公共路径而连接的公共引线，用于各个传感器的成对引线的仅一个信号引线需要在导线束内延伸。 

在风力涡轮叶片装备结构的另一方面中，数据采集终端可将电阻值从转换器传送至处理器装置，该处理器装置适合于将电阻值转换成压力值。由沿着叶片的翼弦的接触传感器所提供的压力值还可被诸如图11中的1150的处理器装置处理，以确定叶片的空气动力学性能特征。更具体地说，沿着叶片的翼弦的压力测量可用于图2中所示的流分离的确定。来自图4A-4D、图5A-5E以及图8A-8C中所示的各种配置以及其它集中形式中的传感器的压力测量还可用来检测流分离、滞流点、迎角、升力和阻力以及风速。此外，借助应用于压力分布的后处理技术，可确定风切变(wind shear)、上升流(up flow)以及偏航误差(yaw error)。 

虽然在本文中描述了各种实施例，但是从说明书中应该意识到，在本发明的范围内可进行元件的各种组合、变化或改良。 

Claims (20)

1.一种流体动力学电阻式接触传感器，适合于测量翼型上的流体压力，所述传感器包括：

压敏元件，包括由聚合物和传导填料形成的传导复合材料；

导电的底板，可操作地连接到所述压敏元件的一端上；

导电的压力传感膜片，可操作地连接到所述压敏元件的第二端上，用于向所述压敏元件施加预负荷和与环境压力相关的力；

电绝缘体，将所述底板和所述压力传感膜片分离；

用于将所述压力传感膜片接合到所述底板上的装置；以及

用于提供穿过所述压敏元件的电流的装置。

2.根据权利要求1所述的流体动力学电阻式接触传感器，其特征在于，所述传导复合材料根据所述压力传感膜片的外表面上的环境压力而呈现在所述底板和所述压力传感膜片之间变化的电阻。

3.根据权利要求1所述的流体动力学电阻式接触传感器，其特征在于，所述压敏元件包括：圆盘形元件。

4.根据权利要求1所述的流体动力学电阻式接触传感器，其特征在于，所述导电的压力传感膜片包括：在所述压敏元件的第二端之上拉伸而形成圆顶的金属薄膜。

5.根据权利要求4所述的流体动力学电阻式接触传感器，其特征在于，所述电绝缘体包括：位于所述压力传感膜片的外周边底部和所述底板的外周边表面之间的环氧树脂隔膜，以及包括位于所述压力传感膜片的外周边底部和所述底板的外周边表面之间的纸垫圈的环氧树脂隔膜中的至少一个。

6.根据权利要求5所述的流体动力学电阻式接触传感器，其特征在于，用于将所述压力传感膜片接合到所述底板上的装置包括：位于所述压力传感膜片的外周边底部和所述底板的外周边表面之间的环氧树脂隔膜，该环氧树脂隔膜将所述压力传感膜片结合到所述底板上。

7.根据权利要求5所述的流体动力学电阻式接触传感器，其特征在于，用于将所述压力传感膜片接合到所述底板上的装置包括：应用于所述压力传感膜片的外周边底部的外缘和所述底板的外周边表面的外缘之间的电绝缘夹具，该电绝缘夹具将所述压力传感膜片结合到所述底板上。

8.根据权利要求1所述的流体动力学电阻式接触传感器，其特征在于，用于将所述压力传感膜片接合到所述底板上的装置包括：所述压力传感膜片向所述压敏元件施加预负荷。

9.根据权利要求8所述的流体动力学电阻式接触传感器，其特征在于，向所述压敏元件施加的预负荷的大小通过将所述压力传感膜片定位在所述压敏元件之上和将所述压力传感膜片接合到所述底板上而确立。

10.根据权利要求9所述的流体动力学电阻式接触传感器，其特征在于，还包括在内部建立了真空的内部空腔。

11.根据权利要求10所述的流体动力学电阻式接触传感器，其特征在于，所述压敏元件包括凸顶面和平顶面中的至少一个，该凸顶面包括冠顶，其中，该冠顶与所述压力传感膜片的下侧接合，该平顶面与所述压力传感膜片的下侧接合。

12.一种用于制造根据权利要求1所述的流体动力学电阻式接触传感器的方法，还包括：

将所述流体动力学电阻式接触传感器的高度保持为小于叶片上的气流边界层的高度；以及

提供所述传感器的外形轮廓，以达到该高度。

13.一种用于制造适合于流体压力的测量的流体动力学电阻式接触传感器的方法，包括：

提供导电的底板；

将包括由聚合物和传导填料形成的传导复合材料的压敏元件的一端安装在所述导电的底板上；

将导电的压力传感膜片安装在所述压敏元件的第二端之上；

将所述导电的压力传感膜片与所述导电的底板电隔离；以及

将所述导电的压力传感膜片与所述导电的底板接合。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，将导电的压力传感膜片安装的步骤包括：

将所述压力传感膜片定位在导电的所述压敏元件的第二端之上，以在所述导电的底板之上形成圆顶。

15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，电隔离的步骤包括：将电绝缘体插入所述导电的压力传感膜片的外周边底部和所述导电的底板的外周边表面之间，其中，所述电绝缘体包括环氧树脂隔膜或基于具有环氧树脂的纸膜或其它垫圈的复合隔膜中的至少一个。

16.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，将所述压力传感膜片与所述底板接合的步骤还包括：定位所述压力传感膜片以在所述压敏元件上建立指定的预负荷。

17.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，将所述压力传感膜片与所述底板接合的步骤还包括：将所述压力传感膜片和所述压敏元件之间的内部空腔抽真空。

18.根据权利要求13所述的方法，其中，将所述压力传感膜片与所述底板接合的步骤还包括：利用隔膜将所述压力传感膜片的外周边底部接合至所述底板的外周边表面，该隔膜包括环氧树脂隔膜与环氧树脂和纸垫圈的复合隔膜中的至少一个。

19.根据权利要求13所述的方法，其中，将所述压力传感膜片与所述底板接合的步骤还包括：利用电绝缘夹具将所述压力传感膜片的外周边底部接合至所述底板的外周边表面。

20.根据权利要求16所述的方法，其中，定位所述压力传感膜片以在所述压敏元件上建立指定的预负荷的步骤包括：根据低于名义环境压力的预期的环境压力范围而建立针对指定的预负荷的最小值。

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