CN104155473A

CN104155473A - 风速风向传感装置

Info

Publication number: CN104155473A
Application number: CN201410394558.2A
Authority: CN
Inventors: 顾蕴松; 李少泽; 程克明; 孙之骏; 李琳恺; 曹永飞
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2014-08-12
Filing date: 2014-08-12
Publication date: 2014-11-19

Abstract

本发明公开了一种风速风向测量装置，属于流体测量技术领域。包括多孔探针和数据采集系统，多孔探针包括探针本体，探针本体的头部设有至少3个且为奇数的引压孔，探针本体内铺设有与引压孔数量对应的引压管，数据采集系统包括多个压力传感器，引压孔通过引压管连接压力传感器。本发明无活动部件、可靠性较高，能够满足一般条件下飞行器或气象测试的使用要求；采用差压传感器，其不需要接引参考压力，在风速较大，迎角或侧滑角较小时，量程小于来流动压的差压传感器即可测出迎角或侧滑角的变化；用于风向测量时，没有机械活动部件，故不存在因转动惯量导致的延迟，对气流偏角响应速度较高。通过探针本体侧面的若干个静压孔，可准确地测量参考静压。

Description

风速风向传感装置

技术领域

本发明涉及一种风速风向测量装置，尤其是一种用于飞行器的空速、迎角、侧滑角或者用于气象的风速风向传感装置，属于流体测量技术领域。

背景技术

目前飞行器通用的空速传感器是空速管，其特点是测量准确、使用方便，但是当飞行器飞行速度较低、飞行姿态角较大时，空速管不能够达到飞行需要的精度；同时现有的空速管需要通过引压管将总压或静压引至飞控计算机中的压力传感器，导致其体积重量较大。此外，现有的航空器一般使用风向标式迎角/侧滑角传感器测量机体相对于气流的姿态，获得迎角/侧滑角数据，但现有的风向标式迎角/侧滑角传感器件包含多个活动机构，动态频响较低，一般使用两个风向标分别测量迎角和侧滑角，无法在同一个传感器上集成迎角和侧滑角功能，并且两个风向标之间存在干扰，难以实现小型化。此外，气象领域使用的风杯式风速计和风向标测量风速和风向，同样其存在多个活动部件，可靠性较差，体积大；同时，风杯式风速计存在转动惯量，响应较慢。

多孔探针是风洞测试领域中的一项现有的技术，但现有的多孔探针无定位基准，只能测量风速风向，且探针本体与传感器分离。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术缺陷提供一种体积小、结构牢固、反应速度快且测量精度高的风速风向传感装置。

为了解决上述技术问题，本发明提供的风速风向传感装置, 包括多孔探针和数据采集系统，所述多孔探针包括探针本体，探针本体的头部设有至少3个且为奇数的引压孔，探针本体内铺设有与引压孔数量对应的引压管，数据采集系统包括多个压力传感器，所述引压孔通过引压管连接压力传感器。

本发明中，所述引压孔呈1个中心引压孔，其余引压孔沿中心引压孔外周向均匀对称分布。

本发明中，所述压力传感器为差压力传感器，所述中心引压孔连接1个差压传感器，其余任意一对对称分布的引压孔共同连接1个差压传感器。

本发明中，所述探针本体的侧面设有若干个静压孔，所述若干个静压孔通过1根引压管与中心引压孔共同连接1个差压传感器。

本发明中，所述数据采集系统包括处理器、信号线，所述压力传感器连接处理器，所述处理器连接信号线。

本发明中，所述数据采集系统包括处理器、无线发射模块，所述压力传感器连接处理器，所述处理器连接无线发射模块。

本发明中，所述数据采集系统包括无线发射模块，所述压力传感器连接无线发射模块。

本发明中，所述数据采集系统包括处理器、存储器，所述压力传感器连接处理器、所述处理器连接存储器。

本发明中，所述数据采集系统包括存储器，所述压力传感器连接存储器。

本发明中，所述数据采集系统设置在外壳内。

本发明的有益效果在于：(1)、与目前用于飞行器的皮托管、风向标式迎角/侧滑角传感器相比，本发明风速风向传感装置无活动部件，可靠性较高，对风速风向变化的响应较快能够满足一般条件下飞行器或气象测试的使用要求；(2)、本发明采用差压传感器，其不需要接引参考压力，在风速较大，迎角或侧滑角较小时，量程小于来流动压的差压传感器即可测出迎角或侧滑角的变化；同时，其节省了传感器数量，减小了装置的体积；(3)、由于采用一体结构，其内部引压管长度较短，减轻了传感系统重量；(4)、在单个器件上集成了风速风向测量的功能，减小了体积；(5)、用于风向测量时，没有机械活动部件，故不存在因转动惯量导致的延迟，对气流偏角响应速度较高；(6)、本发明通过探针本体侧面的若干个静压孔，可准确地测量参考静压；(7)、将数据采集系统设置在外壳内，可以更好地屏蔽外界干扰以及为安装探针提供位置基准；(8)、本发明可以广泛应用于航空器或航天器的姿态测量、气象风速风向测量、风力机流场或叶片性能测试、船舶合成风向及甲板流场、风洞流场校测等领域，具有很高的应用前景。

附图说明

图1为本发明风速风向传感装置外观示意图；

图2中(a)为多孔探针部分结构示意图，(b)为多孔探针头部引压孔分布结构示意图；

图3为本发明风速风向传感装置的嵌入式数据采集系统结构示意图；

图4为本发明风速风向传感装置的嵌入式数据采集系统实施例1结构示意图；

图5为本发明风速风向传感装置的嵌入式数据采集系统实施例2结构示意图；

图6为本发明风速风向传感装置的嵌入式数据采集系统实施例3结构示意图；

图7为本发明风速风向传感装置的嵌入式数据采集系统实施例4结构示意图；

图8为本发明风速风向传感装置的嵌入式数据采集系统实施例5结构示意图；

图中，1-多孔控针，2-嵌入式数据采集系统，3-引压管，4-探针本体，5-静压孔，6-引压孔，7-软管，8-压力传感器，9-外壳，10-处理器，11-信号线，12-无线通信模块，13-存储器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明风速风向传感装置，由多孔探针1和嵌入式数据系统2组成。

如图2所示，多孔探针1包括引压管3、探针本体4、静压孔5和引压孔6，引压孔6设置在探针本体4的头部，引压孔6数量为5个，呈1个中心引压孔和4个引压孔6沿中心引压孔周向均匀对称分布，各孔压力值6的分别反映了多孔探针头部的气流方向；探针头部的形状和引压孔6的数量、分布形式也可以根据实际使用进行增减和改变，通常引压孔6数量应为奇数，其分布形式为以1个中心引压孔，其余沿中心引压孔周向均匀对称分布。引压管3铺设在探针本体4的内，其数量与引压孔6相对应（在探针本体4设有静压孔时需要单独增加用于连接静压孔的引压管），每个引压孔6分别与引压管3连接；在探针本体4的侧面沿周向开有8个静压孔5，8个静压孔5共同连接1根引压管3，用于将测量参考静压数据输送压力传感器8；实际应用过程中静压孔5的数量可与探针直径进行不同数目的增减。探针本体4可以加工成不同形状或者不同的折弯角度，以增加测量风速风向的精度或适用于不同测量场合。

当气流方向与多孔探针1头部成一定夹角时，引压孔6测得不同的压力，各孔压力值与气流方向构成函数关系，该函数由风洞实验校准得到；引压管3与引压孔6连通，将气压引至嵌入式数据采集系统2中的压力传感器8。

如图3所示，嵌入式数据采集系统2由软管7、压力传感器8、外壳9、处理器10和信号线11组成。软管7的数量与引压管3的数量对应，软管7的一端连接引压管3，另一端连接压力传感器8。压力传感器8的数量由多孔探针1上引压孔6的数量决定，本实施例中压力传感器8采用差压传感器，差压传感器设有两路检测信号输入，其中中心引压孔6与8个静压孔共同连接1个差压传感器，位于左右的引压孔6共同连接到1个差压传感器，位于上下的引压孔6共同连接到1个差压传感器，即压力传感器8的数量为3个，采用差压传感器不需要接参考压力，在风速较大，迎角或侧滑角较小时，量程小于来流动压的差压传感器即可测出迎角或侧滑角的变化；此外，采用节省了差压传感器可以节省传感器的数量，减小了装置的体积。压力传感器8连接处理器10，处理器10连接信号线11，处理器10读取压力传感器8的数据，并进行解算，利用已知的各孔压力值与气流方向的函数关系，计算出风速风向值及其他物理量，如动压、静压、气压高度、温度、大气密度等，通过信号线11输出。处理器10可以为单片机、ARM、FPGA、DSP或其他本领域内技术人员所了解的处理器；处理器10计算出的数据输出，其形式可以是RS232、RS485、CAN总线或其他为本领域技术人员所了解的通信接口。嵌入式数据采集系统2可以设置在外壳9内，外壳9的作用为保护传感器，屏蔽外界干扰以及为安装探针提供位置基准，外壳9可以加工成不同的形状以适应不同的安装方式和探针形式，在特殊的应用场合可以省略外壳9。

在实际应用过程中针对不同型号的压力传感器其数量可以进行变化。上述，压力传感器8的也可以采用普通的压力传感器，其数量为6个，其中5个引压孔6分别对应连接5个压力传感器8，8个静压孔5共同连接1个压力传感器8。

如图4所示，作为嵌入式数据采集系统2的改进实施例，嵌入式数据采集系统中的压力传感器8可以直接输出压力信号，通过信号线11将该压力信号输出至上位机，从而省略处理器10。

如图5所示，作为嵌入式数据采集系统2的改进实施例，嵌入式数据采集系统中处理器10与无线通信模块12连通，风速风向数据经处理后通过无线通信模块12发射至上位机。

如图6所示，作为嵌入式数据采集系统2的改进实施例，嵌入式数据采集系统中压力传感器8直接与无线通信模块12连通，风速风向数据通过无线通信模块12发射至上位机。

如图7所示，作为嵌入式数据采集系统2的改进实施例，嵌入式数据采集系统中处理器10与存储器13连通，风速风向数据经处理后直接存储在存储器13中。采集完成后，存储器的数据可以通过信号线传至上位机处理，或使用可移动的存储介质，利用计算机读取。

如图8所示，作为嵌入式数据采集系统2的改进实施例，嵌入式数据采集系统中压力传感器8直接与存储器13连通，风速风向数据直接存储在存储器13中。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种风速风向传感装置，其特征在于：包括多孔探针(1)和数据采集系统(2)，所述多孔探针(1)包括探针本体(4)，探针本体(4)的头部设有至少3个且为奇数的引压孔(6)，探针本体(4)内铺设有与引压孔(6)数量对应的引压管(3)，所述数据采集系统(2)包括多个压力传感器(8)，所述引压孔(6)通过引压管(3)连接压力传感器(8)。

2.根据权利要求1所述的风速风向传感装置，其特征在于：所述引压孔(6)呈1个中心引压孔(6)，其余引压孔(6)沿中心引压孔(6)外周向均匀对称分布。

3.根据权利要求2所述的风速风向传感装置，其特征在于：所述压力传感器(8)为差压力传感器，所述中心引压孔(6)连接1个差压传感器，其余任意一对对称分布的引压孔(6)共同连接1个差压传感器。

4.根据权利要求3所述的风速风向传感装置，其特征在于：所述探针本体(4)的侧面设有若干个静压孔(5)，所述若干个静压孔(5)通过1根引压管(3)与中心引压孔(6)共同连接1个差压传感器。

5.根据权利要求1至4任一项所述的风速风向传感装置，其特征在于：所述数据采集系统(2)包括处理器(10)、信号线(11)，所述压力传感器(8)连接处理器(10)，所述处理器(10)连接信号线(11)。

6.根据权利要求1至4任一项所述的风速风向传感装置，其特征在于：所述数据采集系统(2)包括处理器(10)、无线发射模块(12)，所述压力传感器(8)连接处理器(10)，所述处理器(10)连接无线发射模块(12)。

7.根据权利要求1至4任一项所述的风速风向传感装置，其特征在于：所述数据采集系统(2)包括无线发射模块(12)，所述压力传感器(8)连接无线发射模块(12)。

8.根据权利要求1至4任一项所述的风速风向传感装置，其特征在于：所述数据采集系统(2)包括处理器(10)、存储器(13)，所述压力传感器(8)连接处理器(10)、所述处理器(10)连接存储器(13)。

9.根据权利要求1至4任一项所述的风速风向传感装置，其特征在于：所述数据采集系统(2)包括存储器(13)，所述压力传感器(8)连接存储器(13)。

10.根据权利要求6所述的风速风向传感装置，其特征在于：所述数据采集系统(2)设置在外壳(9)内。