CN107543938B

CN107543938B - 适用于火星极低气压下的风速传感器标定系统

Info

Publication number: CN107543938B
Application number: CN201710084891.7A
Authority: CN
Inventors: 李西园; 高庆华; 侯雅琴; 周艳; 王晶; 毕研强; 李天水
Original assignee: Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering
Current assignee: Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering
Priority date: 2017-02-16
Filing date: 2017-02-16
Publication date: 2020-01-03
Anticipated expiration: 2037-02-16
Also published as: CN107543938A

Abstract

本发明提出了一种适用于火星等极低气压下的风速传感器标定系统，其包括待标定风速传感器、真空环模系统、可调速转台系统、悬臂等，真空环模系统具有模拟低气压环境的能力、可调速转台上安装有滑环，可实现信号的传输、悬臂用于固定传感器，实现传感器相对于气体的运动，数据采集与变送系统用于采集传感器系统，编码为数字信号通过滑环供计算机记录，热流控制系统用于对传感器敏感头供电。本发明基于现有设备完成对风速传感器的标定，结构简单，可靠性高，提高试验效率。

Description

适用于火星极低气压下的风速传感器标定系统

技术领域

本发明属于航天器地面热试验技术领域，具体涉及到一种在地面模拟火星表面有风速环境时，通过旋转方式标定风速传感器在低气压下响应的系统。

背景技术

随着我国航天任务的多样化和航天型号的发展，出于航天器对地观测、通信等的要求，越来越多的航天器装备了以展开桁架、大型展开天线、机械臂等为代表的大型展开机构，其上通常具有大量运动部件甚至单机设备，为了对其在极端温度环境下的工作能力进行验证并对早期缺陷进行筛除，通常使用常压热循环设备进行验证。

随着我国航天任务的多样化和成熟化，火星等其他地外行星的探测已经逐步开展，为了达到对着陆器、巡视器等星表航天器的全面验证及模型修正等目的，需要对星表环境进行温度、压力、风速的复合模拟，除常见的压力、温度环境外，一般还需要对气体成分、风速进行模拟。目前常见风速传感器依据原理可分为热式、超声波式、皮托管式、机械式、激光粒子测速等方式，在地面巡视器热试验中，受限于测量点数、传感器大小等限制，使用热式风速仪进行测量具有较大优势。

由于热线、热球、热膜式风速传感器的原理主要是通过对敏感头加热，在平衡状态通过敏感头温度、散失热量(加热热量)即可精确计算来流空气温度，其原理决定了压力、流体温度变化较大时，其输出亦会变化，需要对温度、压力、风速传感器输出进行精确的测量，需要在不同的温度、压力、风速环境下对风速传感器进行标定、测试，获得不同温度、压力环境下传感器输出到风速的函数。

目前NASA、ESA、JAXA等机构均开展了风速传感器在低气压下使用的标定研究，其主要使用低气压风洞，或在热真空容器中搭建风道，使用引射的方式进行标定，其系统较为复杂；清华大学、北京航空航天大学等高校亦曾开展低气压下的风速标定研究，但主要针对于航空领域，压力一般在10000Pa，温度一般在室温左右，缺乏对火星环境(700Pa，-120~30℃左右)的模拟能力。

因此，设计和发明一种可在不同压力、气体温度下对热式风速仪进行标定的设备具有积极的现实意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一个稳定、均匀的压力、温度、风速场，为热式风速传感器的标定提供支撑，同时解决风速传感器弱电压信号在电动转台上的变送、传输问题，满足未来火星探测器试验用风速传感器的标定、测试问题，并兼具一定的扩展能力。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案如下：

适用于火星极低气压下的风速传感器标定系统，该系统包括真空环模系统、设置在真空环模系统内表面上的热沉、压力控制系统、可调速转台系统、转台控制系统、支撑设置风速传感器的悬臂、数据采集与变送系统、热流控制系统，控制计算机，其中真空环模系统具有模拟低气压环境的能力、可调速转台系统包括设置在真空环模系统内的转台和系统外的PLC控制柜，实现转台的定速转动，转台上安装有滑环，用于实现信号的传输；风速传感器相对于气体在悬臂上运动，数据采集与变送系统设置在转台中央并用于采集风速传感器系统的信号，编码为数字的信号通过滑环供计算机记录，热流控制系统用于对风速传感器敏感头供电，压力控制系统和调温热沉用于实现容器内的定压力、温度环境，为标定提供稳定环境，控制计算机分别与PLC控制柜和热流控制系统进行电连接并对其进行控制。

其中，待标定的风速传感器为热式风速传感器。

其中，热式风速传感器包括热线、热球、热膜式的风速传感器。

其中，转台上安装悬臂的长度为1m~1.5m，通过调整转台的转速，实现0~20m/s的风速模拟。

其中，真空环模设备具有3m以上的试验段直径。

本发明的适用于火星等极低气压下的风速传感器标定系统对现有热真空容器进行扩展，相对于传统低气压风洞式标定方案具有成本低、实施便捷等特点，解决了在低气压、不同温度下稳定标定风速的要求，满足了相关型号的需求。

附图说明

图1是本发明的适用于火星极低气压下的风速传感器标定系统图，图中101为具有热沉系统的真空环模设备(或热真空容器)，102为调温热沉，103为压力控制系统，104为待标定的热式风速传感器，105为数据采集与变送器，106为电动转台，107为转台控制系统，108为热流控制系统，109为控制计算机。

如图2为本发明的适用于火星极低气压下的风速传感器标定系统电路连接图，图中201为待标定风速传感器的热电偶输出端，202为供电输入端，203为毫伏信号变送器，204为变送器供电接口，205为RS-485信号线，206为6路以上的滑环，207-209为一组穿墙插头，210为环模设备容器壁，211为12V开关电源，212为电脑用RS-485转换器，213为程控电源。

具体实施方式

以下参照附图对本发明的一种适用于火星等极低气压下的风速传感器标定系统进行详细说明，但该描述仅仅示例性的，并不旨在对本发明的保护范围进行任何限制。

如图1为适用于火星极低气压下的风速传感器标定系统示意图，其中包括真空环模系统101、设置在真空环模系统内表面上的热沉102、压力控制系统103、可调速转台系统106、转台控制系统107、支撑设置风速传感器的悬臂、数据采集与变送系统105、热流控制系统108，控制计算机109，其中真空环模系统101具有模拟低气压环境的能力，一般需要具有3m以上的试验段直径，主要为试验提供压力隔绝的环境，在其内表面上设置有调温热沉102，内部通过调整气氮温度可根据需要调整至-120~30℃的范围，可以模拟不同的环境温度；压力控制系统103与真空环模设备101进行连通，包括容器内的真空规，容器外的真空泵、管路、PLC设备等，可根据设定精确调整容器内的压力范围；可调速转台系统包括设置在真空环模系统内的电动转台106和系统外的PLC控制柜（转台控制系统）107，实现转台的定速转动，转台上安装有滑环，用于实现信号的传输，其内部具有PLC，用于与转台内部的伺服电机通信，设定并传输转速信息，并反馈给电脑进行显示；风速传感器相对于气体在悬臂上运动，数据采集与变送系统105设置在转台中央并用于采集风速传感器系统的信号，编码为数字的信号通过滑环供计算机记录，数据采集与变送系统105为工业现有产品，主要解决微弱毫伏信号无法经由滑环传输的问题，具有0~50mv信号的采集能力，数据交换物理接口为RS-485，协议为Modbus协议，内部所有电子器件已经更换为固体器件，发热量仅0.5W，无真空适应性问题，可在700Pa下长时间持续工作，其输出信号为485信号，可以经过滑环传输至电脑；热流控制系统108为一台安捷伦5750型程控电源，设定为恒流模式，为风速传感器敏感头施加恒定的热流；用于对风速传感器敏感头供电，压力控制系统103和调温热沉用于实现容器内的定压力、温度环境，为标定提供稳定环境，控制计算机109分别与PLC控制柜和热流控制系统进行电连接并对其进行控制，主要用于与毫伏信号变送器、程控电源、电动转台控制系统通信，用于显示实时数据，并传输控制信号等。

在一具体的实施方式中，待标定的热式风速传感器104，可以为热球、热线、热膜式的风速仪，以远大仪表的QDF-6风速仪为例，其中共有四根引线，其中两根为热电偶毫伏信号，两根为供电信号，需要安装于悬臂上，通过悬臂与转台固定；

参见图2，图2显示了为本发明的适用于火星极低气压下的风速传感器标定系统电路连接图，其中201为热球风速仪热电偶线，连接至数据采集与变送系统203,203引线包括供电引线204、485引线205，202为热球风速传感器供电线路，202、204、205分别连接至滑环206，可保证转台转动时信号不间断传输，滑环对应引出三组引线204a、205a、202a，分别与密封容器内插头207相连(型号Y27-2237TKLW)，207与容器上密封穿墙插头208相连(型号Y27-2237ZJB4H)，容器外侧为插头209相连(型号Y27-2237TK1L)，插头209引出三根对应导线204b、205b、202b，其中204b连接至开关电源211，输出为12V，供数据采集与变送系统203使用，205b连接至485适配器212，由采集计算机通过MODBUS协议采集数据采集与变送系统203的数据，202b连接至程控电源213，可由计算机控制热球风速仪表面热流。

试验标定流程一般如下：

1、系统安装，在转台上安装悬臂，悬臂一侧安装风速传感器，另一侧安装配重，保证系统的动平衡，焊接并安装所有导线，连接容器内滑环等，实现整电路的连通，其中，转台上安装悬臂的长度需要兼顾标定范围与系统能力，与热真空容器内部热沉距离至少保证0.5m左右，避免形成紊流，亦需要考虑角速度*悬臂半径>待标定速度，一般悬臂可以为1m~1.5m，通过调整转台的转速，可以实现0~20m/s的风速模拟；

2、真空环模设备开机，一般需要关闭系统大门，打开相应阀门，开启真空泵，由程序控制至预定压力，以火星压力为例，一般需要控制至600~1000Pa，容器需要时刻对压力进行控制，防止标定过程中压力随时间而上升；

3、建立所需温度背景，根据标定温度不同，控制调温热沉系统调整容器内多个分区热沉温度及气体温度达至预定值；

4、开始标定，调整转台转速=风速/悬臂半径；

5、系统稳定后记录测量毫伏信号、对应转速、背景温度、环境压力，进行下一工况标定，由于风速、温度、压力对输出的影响各不相同，且调整时间各不相同(转台系统稳定速度较快，压力次之，热沉背景温度稳定较慢)，可选择首先在一定环境温度下，标定定压下风速影响，其后变换环境压力标定，最后切换环境温度，形成数据矩阵；

1. 关闭调温热沉；

2. 关闭真空系统；

3. 数据处理，形成V=f(mv,p,t)的函数，其中V为风速，mv为热球风速仪输出毫伏值，p为环境压力，t为环境温度。

通过上述步骤即可建立在恒定压力、温度下，不同毫伏信号到风速的函数，即V=f(mv,p,t)，在火星着陆器试验中，即可根据测量的毫伏信号，压力、温度得到相应的风速值。

尽管上文对本发明的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本发明的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围之内。

Claims

1.适用于火星极低气压下的风速传感器标定系统，该系统包括真空环模系统、设置在真空环模系统内表面上的热沉、压力控制系统、可调速转台系统、转台控制系统、支撑设置风速传感器的悬臂、数据采集与变送系统、热流控制系统，控制计算机，其中真空环模系统具有模拟低气压环境的能力、可调速转台系统包括设置在真空环模系统内的转台和系统外的PLC控制柜，实现转台的定速转动，转台上安装有滑环，用于实现信号的传输；风速传感器相对于气体在悬臂上运动，数据采集与变送系统设置在转台中央并用于采集风速传感器系统的信号，编码为数字的信号通过滑环供计算机记录，具有0~50mv信号的采集能力，数据交换物理接口为RS-485，内部所有电子器件已更换为固体器件；热流控制系统用于对风速传感器敏感头供电，压力控制系统和调温热沉用于实现容器内的定压力、温度环境，为标定提供稳定环境，控制计算机分别与PLC控制柜和热流控制系统进行电连接并对其进行控制，实现0~20m/s的风速模拟。

2.如权利要求1所述的风速传感器标定系统，其中，待标定的风速传感器为热式风速传感器。

3.如权利要求1所述的风速传感器标定系统，其中，热式风速传感器包括热线、热球、热膜式的风速传感器。

4.如权利要求1所述的风速传感器标定系统，其中，转台上安装悬臂的长度为1m~1.5m，通过调整转台的转速，实现0~20m/s的风速模拟。

5.如权利要求1所述的风速传感器标定系统，其中，数据采集与变送系统对风速传感器内热电偶的毫伏信号进行采集，并以RS-485形式发送至控制计算机。

6.如权利要求1所述的风速传感器标定系统，其中，标定系统中使用程控电源对热式风速传感器进行供电，具有恒电流模式和程控模式，实现对恒热流或恒温式两种风速传感器的标定。