CN102360027A - 差压式空速传感器测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种差压式空速传感器测试系统。该系统包括四个部分：运动平台子系统1、电源子系统2、电机驱动子系统3、中央控制器子系统4。其工作原理可简述为：由中央控制器子系统4向电机驱动子系统3发出运动控制指令，电机驱动子系统3按照指令实现对运动平台子系统1的转速控制，从而在差压式空速传感器1111的两侧产生差压，经差压式空速传感器1111将所述压差转换成电压信号，再由信号调理/采集单元和微处理单元的处理后再由第一无线通信接口单元1114发送到中央控制器子系统4中，完成测试与校正。本发明的差压式空速传感器测试系统可以增加测试速度动态范围，提高测试速度的均匀性，减小测试速度方向的误差。

Description

差压式空速传感器测试系统

技术领域

本发明涉及电子行业电气测量技术领域，尤其涉及一种差压式空速传感器测试系统。

背景技术

空速指飞行器相对于空气的速度，是飞机在飞行过程中需要测量的一项重要的大气参数。由于飞机的升力与动压成正比，而动压又与空速的平方成正比，因此，无论飞机是在指定高度巡航，还是在起飞与着陆阶段，空速测量都是一项非常重要的工作。一般而言，空速测量是通过空速传感器来具体实现的。随着半导体工艺的迅猛发展，单片集成式硅应变片差压传感器体积越来越小，精度越来越高，成本越来越低，其性能又完全能够胜任小型无人机空速测量的要求。因此，基于差压原理的空速传感器得到了越来越多的应用。

目前，空速传感器的测试多采用以下几种方式：模拟气流法、在机测试法、地面模拟法。以上三种方式的主要缺陷在于：①模拟气流法的主要缺陷在于气流的速度和方向难以控制；②在机测试法涉及多个方面，实现起来较为困难；③地面模拟法的主要缺陷在于车辆在地面行驶时，地效紊流容易对空速产生干扰。

此外，申请人意识到现有技术差压式空速传感器测试方式还存在如下技术缺陷：测试速度的动态范围有限、测试速度不均匀、测试速度方向误差较大，导致对空速传感器的测试和校正影响较大。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为解决上述缺陷，本发明提供了一种差压式空速传感器测试系统，以增加测试速度动态范围，提高测试速度的均匀性，减小测试速度方向的误差。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种差压式空速传感器测试系统。该系统包括：电机驱动子系统、运动平台子系统和中央控制器子系统；电机驱动子系统驱动电机按照自中央控制器子系统获取的转速旋转；运动平台子系统包括：转盘、测试盒、总压进气定位单元；转盘固设于电机的电机轴上，其平面与电机轴的中心线垂直；测试盒固设于转盘的中央位置，包含差动式空速传感器的测试电路单元置于测试盒内；总压进气定位单元固设于转盘的边缘位置，包括一进气孔，该进气孔的方向与转盘的半径垂直；总压进气定位单元通过总压导管与差动式空速传感器的一侧相连接，测试盒的顶部或侧壁开有静压孔，测试盒内部的静压作用于差动式空速传感器的另一侧。

优选地，本发明差压式空速传感器测试系统中，静压孔位于测试盒的顶部，且与电机轴的中心线同轴。

优选地，本发明差压式空速传感器测试系统中，电机驱动子系统包括第一通信接口单元、运动控制单元和电机驱动单元；第一通信接口单元从中央控制器子系统获得转速信息ω；运动控制单元与第一通信接口单元相连接，用于由转速信息ω产生转速控制信号；电机驱动单元将转速控制信号放大，驱动电机按照转速ω旋转；测试电路单元还包括：信号调理/采集单元和第一无线通信接口单元，信号调理/采集单元与差动式空速传感器相连接，差动式空速传感器将其两侧的压力差Δp映射至电压值u；该电压值u由信号调理/采集单元进行信号调理、采集和模数转换后，通过第一无线通信接口单元发送至中央控制器子系统；中央控制器子系统由转速ω与电压值u对差动式空速传感器的精度进行测试。

优选地，本发明差压式空速传感器测试系统中，测试电路单元还包括：微处理单元，连接于信号调理/采集单元与第一无线通信接口单元之间，用于对模数转换后的电压值u进行数据纠错与发送方式选择。

优选地，本发明差压式空速传感器测试系统中，测试电路单元还包括：电池，固定于转盘上，用于为差动式空速传感器、信号调理/采集单元、微处理单元和第一无线通信单元供电。

优选地，本发明差压式空速传感器测试系统中，电机驱动子系统还包括：码盘测速单元；码盘测速单元，用于测量电机转动的速度和方向；运动控制单元，还用于根据码盘测速单元测量获取的电机转动速度和方向与从第一通信接口单元获取的转速信息ω，产生转速控制信号。

优选地，本发明差压式空速传感器测试系统中，运动控制单元，用于由码盘测速单元测量获取的电机转动速度和方向与从第一通信接口单元获取的转速信息ω比较获取误差信息，根据该误差信息采用PID算法计算转速控制信号。

优选地，本发明差压式空速传感器测试系统中，中央控制器子系统包括：第二通信接口单元、微控制单元，第二无线通信接口单元、人机交互单元；人机交互单元，用于接收转速信息ω输入和显示差动式空速传感器的精度信息；第二无线通信接口单元，与第一无线通信接口单元通过无线方式相连接，用于接收经模数转换后的电压值u；微控制单元，与人机交互单元与第二无线通信接口单元相连接，用于将转速信息ω通过第二通信接口单元发送至第一通信接口单元；并根据转速信息ω和电压值u，获取差动式空速传感器的精度信息，将精度信息发送至人机交互单元。

优选地，本发明差压式空速传感器测试系统中，微控制单元，用于按照公式一计算差动式空速传感器的相对精度：

$\mathrm{\δ}=\frac{V_1-V_2}{V_2}\×100\%$ …………………………………………………公式一

其中，V₂＝ω·l，l为总压进气定位单元的进气孔距离转盘中心点的距离；

ρ表示当前大气密度，电压u与差压值Δp之间的函数关系Δp＝f(u)。

优选地，本发明差压式空速传感器测试系统中，微控制单元，还用于通过由ω变化而获取的多组差压Δp和输出电压u的对应关系，采用多项式拟合法或查表插值法对差动式空速传感器进行校准。

优选地，本发明差压式空速传感器测试系统中，差压式空速传感器以夹持式或插座式安装于测试电路单元上。

优选地，本发明差压式空速传感器测试系统还包括：电源子系统，与电机驱动子系统、运动平台子系统、中央控制系统相连接，用于为电机驱动子系统、运动平台子系统、中央控制系统供电。

(三)有益效果

本发明差压式空速传感器测试校正系统具有下列有益效果：

①能够高精度、大范围控制电机的转速，从而增加了测试速度动态范围和精度，提高了测试速度的均匀性，减小了测试速度方向的误差；

②系统结构简单、造价低廉，容易制造，以很高的精度制造相关机械部件，可以精确控制运动平台子系统的姿态，譬如转盘水平放置；

③运行及维护成本低廉，实际上运行时仅需要消耗少量电能，成熟的机电技术使得该装置基本不需要维护，可以长期工作。

附图说明

图1是本发明实施例差压式空速传感器测试系统的总体结构图；

图2是本发明实施例差压式空速传感器测试系统中运动平台子系统的结构示意图；

图3是本发明实施例差压式空速传感器测试系统中测试电路单元的原理框图；

图4是本发明实施例差压式空速传感器测试系统中电机驱动子系统的原理框图；

图5是本发明实施例差压式空速传感器测试系统中中央控制器子系统原理框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

图1是本发明实施例差压式空速传感器测试系统的总体结构图。如图1所示，本系统包括四个部分：运动平台子系统1、电源子系统2、电机驱动子系统3、中央控制器子系统4。其工作原理可简述为：由中央控制器子系统4向电机驱动子系统3发出运动控制指令，电机驱动子系统3按照指令实现对运动平台子系统1的转速控制，从而在差压式空速传感器1111的两侧产生差压，经差压式空速传感器1111将所述压差转换成电压信号，再由信号调理/采集单元和微处理单元的处理后再由第一无线通信接口单元1114发送到中央控制器子系统4中，完成测试与校正。所述电源子系统2的主要功能是给运动平台子系统1、电机驱动子系统3、中央控制器子系统4供电。无需专门说明，专业人士可根据实际系统的需要自行选择电压等级、功率大小，或者可以理解为根据需要作相应的修改。

图2是本发明实施例差压式空速传感器测试系统中运动平台子系统的结构示意图。如图2所示，运动平台子系统1包括：总压软导管101、总压进气定位模块102、转盘103、定位模块固定螺丝104、测试盒固定螺丝105、转盘固定销106、电机轴107、码盘定位螺丝108、测试盒静压孔109、测试盒110、测试电路单元111、电机固定螺丝112、电机固定平台113、电机114、码盘115。

运动平台子系统1的主要装配关系如下：差压式空速传感器1111安装在测试电路单元111上(可采用夹持式或插座式安装方式，具体方式取决于空速传感器的封装)，将测试电路单元111固定在测试盒110中，并通过总压软导管101将差压式空速传感器1111与总压进气定位模块102密封连接，再用定位模块固定螺丝104将总压进气定位模块102固定在转盘103上，并保证其进气孔的方向与转盘半径垂直，从而使得进气孔正对来流方向。静压孔位于测试盒的顶部，且与电机轴的中心线同轴，总压进气定位单元通过总压导管与差动式空速传感器的一侧相连接，测试盒内部的静压作用于差动式空速传感器的另一侧。然后，由电机驱动子系统3控制电机114按照给定的速度旋转，由码盘115测量电机转速。

图3是本发明实施例差压式空速传感器测试系统中测试电路单元的原理框图。如图3所示，测试电路单元又由差压式空速传感器1111、信号调理/采集单元1112、微处理单元1113、第一无线通信接口单元1114、电池1115五个部分组成。由于测试电路单元随转盘103一起转动，所以由随板携带的电池1115供电。

运动平台子系统1的工作过程为：当电机114带动转盘103旋转时，在总压进气定位模块102的进气口产生总压P1，而测试盒内部存在静压P2，两者之差即为差压Δp，由于总压和静压分别作用于差压式空速传感器的两侧，使得差压式空速传感器产生与差压值大小呈一定映射关系的电压值u，此电压值经由信号调理/采集单元1112送入微处理单元1113中，经过微处理单元1113的初步处理后再由第一无线通信接口单元1114发送出去，最后利用上文所述方法完成对空速传感器的测试和校正工作。此处，微处理单元1113的初步处理包括数据的纠错与数据发送方式的选择(所有数据均发送或多个数据的均值发送)。

图4是本发明实施例差压式空速传感器测试系统中电机驱动子系统的原理框图；如图4所示，电机驱动子系统3主要包括：第一通信接口单元31、运动控制单元32、码盘测速单元33、电机驱动电单元34。所述码盘测速单元33的功能是测量电机旋转的速度和方向。电机驱动子系统的工作流程为：第一通信接口单元31与中央控制器子系统4连接，从中央控制器子系统4获得给定转速信号，并与码盘测速单元33测量得到的实际转速信号与方向进行比较，运动控制单元32根据此误差采用PID算法计算出电机控制信号，电机控制信号再由电机驱动电单元34进行功率放大，直接驱动电机114按照给定转速旋转，第一通信接口单元31将控制结果反馈回去至中央控制器子系统4。

图5是本发明实施例差压式空速传感器测试系统中中央控制器子系统原理框图。如图5所示，中央控制器子系统4主要包括：第二通信接口单元41、微控制单元42、人机交互单元43、第二无线通信接口单元44。第二通信接口单元41与电机驱动子系统3连接，发送给定运动控制信号并获取控制结果；微控制单元42是中央控制器子系统4的核心，全面协调数据通信(差压电压值u、当前转速ω)、数据存储及人机交互(设定输入，数据显示输出)；人机交互单元43负责设定值的输入和数据显示；第二无线通信接口单元44的与运动平台子系统1的测试电路单元111实现无线通信，获得测量电压。

在进行空速传感器测试时，首先将差压式空速传感器安装到测试电路单元上，由中央控制器子系统给定运动控制指令，再由电机驱动子系统驱动电机按照给定转速ω旋转，测试电路单元采集电压u并将其该值由无线通信电路发送到中央控制器子系统。此时已知差压式空速传感器所输出的电压u与差压值Δp之间的函数关系(式1)，

Δp＝f(u)    (1)

则可由电压值u求得差压值Δp，又由于差压值Δp与空速传感器所测量的空速V₁存在以下关系(式2)

$V_1=\sqrt{\frac{2\·\mathrm{\Δp}}{\mathrm{\ρ}}}---\left(2\right)$

其中ρ表示当前大气密度，为已知量(可精确测量)。另外，总压进气定位模块的进气孔距离电机的距离为l，当电机以给定转速ω旋转时，此时总压进气定位模块的进气孔的线速度为(式3)

V₂＝ω·l    (3)

通过中央控制器子系统的人机界面实时显示V₁、V₂，即可知道当前测试的空速传感器的好坏，亦可以定量测定其精度，其相对精度为(式4)

$\mathrm{\δ}=\frac{V_1-V_2}{V_2}\×100\%---\left(4\right)$

通过电机驱动电单元子系统的运动控制单元，电机转速ω可以以很高的精度在大动态范围内变化，所以通过这种方法可以在空速传感器的整个测量范围内进行测试。

在进行空速传感器校正时，亦将差压式空速传感器安装到测试电路单元上，由中央控制器子系统给定运动控制指令，再由电机驱动子系统驱动电机按照给定转速ω旋转，测试电路单元采集电压u并将其该值由无线通信电路发送到中央控制器子系统中。此时总压进气定位模块的进气孔的线速度为式3所示，又由于差压值Δp与空速传感器所测量的真空速V₁存在以下关系

$\mathrm{\Δp}=\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}\·{V_1}^2---\left(5\right)$

而此时有V₁＝V₂，因此，用下式可求出Δp

$\mathrm{\Δp}=\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}\·{V_2}^2---\left(6\right)$

而该差压值Δp所对应的电压为u，这样就可以测出该空速传感器的一组差压与输出电压的对应关系，通过调整ω，即可实现该空速传感器在整个量程范围内的校正。校正的具体方法采用多项式拟合法或查表插值等方法，即采用下式

Δp＝a_n·uⁿ+a_n-1·u^n-1+a_n-2·u^n-2+…+a₁·u¹+a₀    (7)

式7的阶数取决于空速传感器的精度要求，通过在空速传感器整个量程范围内多次测量，再利用最小二乘法求得a₀到a_n各个权值。

以上对本发明差压式空速传感器测试系统的测试原理进行了说明。对于实际的系统而言，在用于测试时，该系统在人机界面上实时地显示V₁、V₂，或将相对精度一并给出；而在用于校对时，该系统根据有限次的转速ω调整所获得的数据运用解方程的方法求得而计算的式(7)多项式的各个权值，从而得到以电压为自变量，差压值Δp为因变量的函数，或者直接得到数据对照表，并以图形的方式显示出来。

在本发明优选的实施例中，选用MPXV5010差压式传感器作为空速传感器的敏感元件，该传感器具有体积小、灵敏度高、可靠性高的特点。其内部应用激光修正技术对传感器进行温度补偿(0～85℃)、漂移修正。其典型输出电压0.2-4.7伏特，通过单电源供电运放LM358作初步信号调理后，直接由微处理单元1113(在此采用STM32F103VCT6)的片上12位ADC(数模转换器)采集，在STM32F103VCT6中做初步数字滤波后，由测试电路单元111的无线通信电路1114(采用CC2420无线通信专用芯片，Zigbee通信协议)将电压信号传回中央控制器子系统4中。

电机驱动子系统3运动控制单元32亦采用STM32F103VCT6单片机实现，配合电平转换芯片MAX3232、74ALVC164245具体实现第一通信接口单元31，码盘测速单元33。与中央控制器子系统4的通信采用RS232方式。

电机114采用24V供电的电机，其自带码盘，码盘型号为E400500C31。

中央控制器子系统4中的微控制单元42亦采用STM32F103VCT6单片机，通信接口电路41采用MAX3232实现电平转换，通信方式为RS232。人机界面采用按键输入，液晶显示，其无线通信电路44亦采用CC2420芯片，Zigbee通信协议来实现。

本实施例中电源子系统2输出的电压等级有24V、5V、3.3V三种。可采用明纬开关电源S-50-24V输出24V，由LM2596-5.0芯片转换得到5.0V，由LM2596-3.3芯片得到3.3V。上述实施例中各个部分按照上文所述工作流程工作，即可实现本发明的全部功能。

以上对本发明差压式空速传感器测试系统进行了详细说明。从上述的结构特征及工作流程设计可以看出，本发明差压式空速传感器测试系统具有下列有益效果：

①能够高精度、大范围控制电机的转速，从而增加了测试速度动态范围和精度，提高了测试速度的均匀性，减小了测试速度方向的误差；

②系统结构简单、造价低廉，容易制造，以很高的精度制造相关机械部件，可以精确控制运动平台子系统的姿态，譬如转盘水平放置；

③运行及维护成本低廉，实际上运行时仅需要消耗少量电能，成熟的机电技术使得该装置基本不需要维护，可以长期工作。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种差压式空速传感器测试系统，其特征在于，该系统包括：电机驱动子系统、运动平台子系统和中央控制器子系统；所述电机驱动子系统驱动电机按照自所述中央控制器子系统获取的转速信息旋转；所述运动平台子系统包括：转盘、测试盒、总压进气定位单元；其中：

所述转盘固设于所述电机的电机轴上，其平面与所述电机轴的中心线垂直；所述测试盒固设于所述转盘的中央位置，包含所述差动式空速传感器的测试电路单元置于所述测试盒内；所述总压进气定位单元固设于所述转盘的边缘位置，包括一进气孔，该进气孔的方向与所述转盘的半径垂直；所述总压进气定位单元通过总压导管与所述差动式空速传感器的一侧相连接，所述测试盒的顶部或侧壁开有静压孔，所述测试盒内部的静压作用于所述差动式空速传感器的另一侧。

2.根据权利要求1所述的差压式空速传感器测试系统，其特征在于，所述静压孔位于测试盒的顶部，且与电机轴的中心线同轴。

3.根据权利要求1所述的差压式空速传感器测试系统，其特征在于，

所述电机驱动子系统包括第一通信接口单元、运动控制单元和电机驱动单元；所述第一通信接口单元从所述中央控制器子系统获得转速信息ω；所述运动控制单元与所述第一通信接口单元相连接，用于由所述转速信息ω产生转速控制信号；所述电机驱动单元将所述转速控制信号放大，驱动所述电机按照所述转速ω旋转；

所述测试电路单元还包括：信号调理/采集单元和第一无线通信接口单元，所述信号调理/采集单元与所述差动式空速传感器相连接，所述差动式空速传感器将其两侧的压力差Δp映射至电压值u；该电压值u由所述信号调理/采集单元进行信号调理、采集和模数转换后，通过所述第一无线通信接口单元发送至所述中央控制器子系统；

所述中央控制器子系统由所述转速ω与所述电压值u对所述差动式空速传感器的精度进行测试。

4.根据权利要求3所述的差压式空速传感器测试系统，其特征在于，所述测试电路单元还包括：

微处理单元，连接于所述信号调理/采集单元与所述第一无线通信接口单元之间，用于对模数转换后的电压值u进行数据纠错与发送方式选择。

5.根据权利要求4所述的差压式空速传感器测试系统，其特征在于，所述测试电路单元还包括：

电池，固定于所述转盘上，用于为所述差动式空速传感器、信号调理/采集单元、微处理单元和第一无线通信单元供电。

6.根据权利要求3所述的差压式空速传感器测试系统，其特征在于，所述电机驱动子系统还包括：码盘测速单元；

所述码盘测速单元，用于测量所述电机转动的速度和方向；

所述运动控制单元，与所述码盘测速单元相连接，还用于根据所述码盘测速单元测量获取的电机转动速度和方向与所述从第一通信接口单元获取的转速信息ω，产生所述转速控制信号。

7.根据权利要求6所述的差压式空速传感器测试系统，其特征在于，

所述运动控制单元，用于由所述码盘测速单元测量获取的电机转动速度和方向与所述从第一通信接口单元获取的转速信息ω比较获取误差信息，根据该误差信息采用PID算法计算所述转速控制信号。

8.根据权利要求3所述的差压式空速传感器测试系统，其特征在于，所述中央控制器子系统包括：第二通信接口单元、微控制单元，第二无线通信接口单元、人机交互单元；

所述人机交互单元，用于接收转速信息ω输入和显示所述差动式空速传感器的精度信息；

所述第二无线通信接口单元，与所述第一无线通信接口单元通过无线方式相连接，用于接收经模数转换后的电压值u；

所述微控制单元，与所述人机交互单元与所述第二无线通信接口单元相连接，用于将所述转速信息ω通过所述第二通信接口单元发送至所述第一通信接口单元；并根据转速信息ω和所述电压值u，获取所述差动式空速传感器的精度信息，将所述精度信息发送至所述人机交互单元。

9.根据权利要求8所述的差压式空速传感器测试系统，其特征在于，所述微控制单元，用于按照公式一计算所述差动式空速传感器的相对精度：

$\mathrm{\δ}=\frac{V_1-V_2}{V_2}\×100\%$ …………………………………………………公式一

其中，所述V₂＝ω·l，所述l为所述总压进气定位单元的进气孔距离转盘中心点的距离；

所述ρ表示当前大气密度，电压u与差压值Δp之间的函数关系Δp＝f(u)。

10.根据权利要求8所述的差压式空速传感器测试系统，其特征在于，所述微控制单元，还用于通过由ω变化而获取的多组差压Δp和输出电压u的对应关系，采用多项式拟合法或查表插值法对差动式空速传感器进行校准。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的差压式空速传感器测试系统，其特征在于，所述差压式空速传感器以夹持式或插座式安装于所述测试电路单元上。

12.根据权利要求1至10中任一项所述的差压式空速传感器测试系统，其特征在于，该系统还包括：

电源子系统，与所述电机驱动子系统、运动平台子系统、中央控制系统相连接，用于为所述电机驱动子系统、运动平台子系统、中央控制系统供电。

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