CN107884598A - 适用于低气压下的风速、风向标定系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种适用于火星等低气压下的风速/风向传感器标定系统，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、步进电机、步进电机控制器等,通过一定速度的旋转实现传感器相对气体的运动，步进电机及联轴器控制传感器角度以实现风向的模拟，以实现二维风向的模拟。本发明基于现有设备实现了对双丝式热线风速传感器的标定，结构简单，可靠性高，有效提高了试验效率。

Description

适用于低气压下的风速、风向标定系统

技术领域

本发明属于航天器、航空器地面试验技术领域，具体涉及到一种在地面模拟低气压风速环境时，通过旋转方式实现在低气压下热式风速传感器的风速、风向标定的系统。

背景技术

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，一般还需要对风速进行模拟预测量。此外，平流层飞艇等航空器亦提出了类似的需求，这就需要在低气压下通过传感器对风速、风向进行精确的测量。

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。

此外，在风向模拟方面，由于目前低气压下的风速测量主要为单丝热线风速仪及热球风速仪，对于风速的模拟需求不大，故现有低气压下的热式风速仪标定系统只具有风速的标定能力，缺乏对风向的模拟能力。

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风速、风向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在低气压、低温条件下提供一个稳定、均匀的风速场，为热式风速传感器的风速、风向标定提供支撑，同时解决风速传感器信号在电动转台上的变送、传输问题，满足未来火星探测器、平流层飞艇等测试、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：

适用于低气压下的风速/风向标定系统，包括真空环境模拟设备、热沉、转台、压力控制系统、悬臂、滑环、转台控制系统、热式风速/风向传感器支撑杆、风速传感器电桥组、数据采集模块、步进电机、联轴器、支撑及轴承以及步进电机驱动器，其中，真空环境模拟设备内设置有转台和热沉，悬臂中间通过电刷滑环支撑在转台上，用于支撑待标定的热式风速/风向传感器的支撑杆经联轴器连接到步进电机上，步进电机通过电刷滑环与真空环境模拟设备外的步进电机驱动器电连接进行驱动，电刷滑环通过风速传感器电桥组与数据采集模块电连接，转台由真空环境模拟设备外的转台控制系统进行控制，转台控制系统、步进电机驱动器和数据采集系统分别与控制器电连接并由其控制，支撑杆底部通过支撑及轴承支撑在悬臂上。在标定试验中，首先确定所需要的标定的传感器线速度，根据传感器距转台中心的距离，计算标定试验所需的转台角速度，通过转台的定速旋转模拟传感器与气体间的相对运动，即传感器的风速数据，在每个风速的标定过程中，通过调整步进电机的姿态，可将传感器旋转至不同角度，模拟不同的风向，通过转台对不同风速、步进电机对不同风向的模拟，可实现风速传感器适用范围内定点风速、风向的标定。所有传感器、步进电机的线缆通过电刷滑环导出，并在电脑端进行记录。

其中，待标定的风速传感器包括但不限于恒温双丝型风速/风向传感器，三丝型传感器、多片式热膜风速传感器，恒热流式传感器。

其中，转台上安装悬臂的长度为1m～1.5左右，通过调整转台的转速，实现0～30m/s左右的风速模拟。

其中，转台上安装有电刷滑环，电刷滑环具有不少于8通道的电信号传输能力。

其中，真空环模设备具有3m以上的试验段直径。

其中，热沉设置在圆筒形的真空环模设备的筒形周边，以维持真空环模设备内的温度。

其中，热沉为调温热沉，

本发明的适用于低气压下的风速/风向标定系统基于对现有热真空容器的扩展，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，同时兼具了风向模拟能力，解决了在低气压、不同温度下稳定标定风速、风向的要求，满足了相关型号的需求。

附图说明

图1是本发明的适用于低气压下的风速/风向标定系统图；

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。201为容器内的转台，202为安装于转台上的悬臂，203为安装于转台上的电刷滑环，204为转台控制系统，205为控制器。301为待标定的热式风速/风向传感器，302为传感器的支撑杆，303为风速传感器电桥组，304为数据采集模块，401为步进电机，402为联轴器，403为支撑及轴承，404为步进电机驱动器；

图2为本发明的适用于低气压下的风速/风向标定系统的电路连接图；图中301为待标定的风速/风向传感器，302为传感器支撑杆，401为步进电机，402为联轴器，203为电刷滑环，303a、303b分别为双丝传感器的两套电桥系统，304为数据采集模块，404为步进电机控制器，205为控制器，501a，501b，501c为四芯电缆，503为气密电连接器，504为容器外电连接器，505为电连接器、506为法兰；304a，304b为电桥，502a、502b、502c为四芯电缆，404为步进电机驱动器；510a、510b为四芯电缆，204为转台控制系统。303a、303b为电桥，507为电缆，304为数据采集模块，509为线缆，205为控制器，404为步进电机驱动器，508为线缆，204为转台控制系统，511为电缆；

图3为标定各个所需温度、压力下的传感器输出结果。

具体实施方式

以下参照附图对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。

图1是本发明的适用于低气压下的风速/风向标定系统图，包括真空环境模拟设备101、热沉102、转台201、压力控制系统103、悬臂202、电刷滑环203、转台控制系统204、热式风速/风向传感器支撑杆302、风速传感器电桥组303、数据采集模块304、步进电机401、联轴器402、支撑及轴承403以及步进电机驱动器404，其中，真空环境模拟设备101内设置有转台201和调温热沉102，悬臂202中间通过电刷滑环203支撑在转台201上，用于支撑待标定的热式风速/风向传感器的支撑杆302经联轴器402连接到步进电机401上，步进电机401通过电刷滑环203与真空环境模拟设备101外的步进电机驱动器404电连接进行驱动，电刷滑环203通过风速传感器电桥组303与数据采集模块304电连接，转台201由真空环境模拟设备外的转台控制系统204进行控制，转台控制系统204、步进电机驱动器404和数据采集系统304分别与控制器205电连接并由其控制，支撑杆302底部通过支撑及轴承403支撑在悬臂202上，在标定试验中，首先确定所需要的标定的传感器线速度，根据传感器距转台中心的距离，计算标定试验所需的转台角速度，通过转台的定速旋转模拟传感器与气体间的相对运动，即传感器的风速数据。例如，通过2m长悬臂进行标定实验，测得风速、风向传感器探头301距离转台旋转中心距离为1.1m，若需要标定的风速数据为0-20m/s，间隔为0.5m/s，则可由角速度ω＝v/l公式分别计算出每个标定点的转台角速度，在对每个风速标定点的标定中，为了同时对风向数据进行标定，通过调整步进电机的姿态，可将传感器旋转至不同角度，模拟不同的风向，可按照如图3的顺序进行标定。通过转台对不同风速、步进电机对不同风向的模拟，可实现风速传感器适用范围内定点风速、风向的标定。所有传感器、步进电机的线缆通过电刷滑环导出，并在电脑端进行记录、处理；

具体而言，真空环境模拟设备内部的调温热沉102，可设置背景温度，压力控制系统103可在容器外部设置内部压力，压力调节范围可达100Pa至常压；真空环境模拟设备101内的转台，转速可达0-150RPM，转台上安装有旋转编码器，可对当前转速进行反馈，安装于转台上的悬臂，长度为2-3m，通过“角速度╳半径”即可获知当前风速，安装于转台上的电刷滑环103，具有8个通道以上的数据传输能力，且转台控制系统，基于PLC硬件，可在控制器205上对转台201的转速进行设置，由转台控制系统204驱动转台201以设定转速转动，并读取旋转编码器反馈的当前转速传递至控制器205，由其完成的工作包括站台控制与监测，风速传感器数据测量与记录，步进电机角度设置等。待标定的热式风速/风向传感器为双丝型恒温风速传感器，待标定的传感器的支撑杆具有传感器探头的连接、支撑等作用，风速传感器电桥组为现有工业产品，对风速传感器施加电流，测量其响应，并输出0-5v信号至数据采集模块304，数据采集模块304，具备0-5V等信号类型的采集能力，可将传感器信号转换为数字信号并传输至控制器。步进电机401可根据设定旋转至预定角度并锁定，即提供风速探头表面风向的模拟能力，402为联轴器，用于连接风速探头支撑杆和步进电机，403为支撑及轴承，用于支撑传感器探头支撑杆，顶端安装有轴承，可降低传感器支撑杆转动时的阻力，404为步进电机驱动器，用于将电脑信号转换为直接驱动步进电机的电平及脉冲信号，驱动步进电机旋转至预定角度并锁定。

在一具体的实施方式中，待标定的热式风速传感器104为双丝型热线风速仪，其具有两根导线，分为两组分别连接至两根热丝，分别连接至两个BNC插头，风速传感器尾部与联轴器连接，前部安装轴承固定于支撑块上。

参见图2，图2显示了本发明的适用于低气压下的风速/风向标定电路连接图，图中301为待标定的风速/风向传感器，302为传感器支撑杆，401为步进电机，402为步进电机与传感器支撑杆之间的联轴器，203为转台上固定的电刷滑环，具有8通道以上的传输能力，303a、303b分别为双丝传感器的两套电桥系统，为Dantec公司热线风速仪用电桥，输出为0-5v信号，304为数据采集模块，为NI公司±10V信号采集器，404为步进电机控制器，输出为485接口。501a为四芯电缆，包覆材料为聚四氟乙烯，通过BNC插头与风速传感器两组热丝连接，另一端通过滑环与501b连接，501b包覆材料为聚四氟乙烯，另一端焊接至气密电连接器503(Y27-2237TKLW)，504为容器外电连接器(Y27-2237TK1L)，503与505通过穿舱电连接器

504(Y27-2237ZJB4H)连接，504安装于法兰506表面，实现了容器内的气密性。501c从舱外电连接器505连接至电桥304a与304b，即501a、501b、503c形成完整的通路。同理，502a、502b、502c形成了完整通路，将步进电机401连接至了步进电机控制器404；510a、510b形成了完整的链路，将转台201连接至转台控制系统204。电桥303a、303b通过电缆507连接至数据采集模块304，数据采集模块304通过USB线缆509连接至计算机205，实现上位机的传感器输出采集，步进电机驱动器404通过RS-485A线缆508连接至电脑205，实现步进电机401的远程角度调节，转台控制系统204通过电缆511连接至计算机，实现转速的上位机远程控制。

试验标定流程一般如下：

1)系统安装，在转台上安装悬臂，悬臂一侧靠近边缘位置安装支撑快，顶部安装轴承，将风速传感器及支撑杆穿过轴承，保证风速传感器边缘伸出悬臂100mm以上，安装联轴器、步进电机，步进电机与悬臂固定，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～1.5左右，通过调整转台的转速，可以实现0～30m/s左右的风速模拟；

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)开始标定风速1，调整转台转速＝风速/悬臂半径；

5)开始标定风速1下的各个风向，依次调整步进电机旋转至预定角度，电脑记录各个热丝输出；

6)切换至下一风速、依次标定各个风向下的传感器输出，并依次标定各个所需温度、压力下的传感器输出，可参照如图3所示的顺序，图中的标定速度、角度范围均为示意，具体实施中可能更广；

7)关闭调温热沉；

8)关闭真空系统；

9)数据处理，形成的函数，其中为风速矢量，u1为热丝1输出，u2为热丝2输出，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，不同传感器响应到风速矢量的函数，即在低气压航空器、航天器试验中，即可根据标定数据计算当前的风速、风向数据。

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 (7)

1.适用于低气压下的风速/风向标定系统，包括真空环境模拟设备、热沉、转台、压力控制系统、悬臂、滑环、转台控制系统、热式风速/风向传感器支撑杆、风速传感器电桥组、数据采集模块、步进电机、联轴器、支撑及轴承以及步进电机驱动器，其中，真空环境模拟设备内设置有转台和热沉，悬臂中间通过电刷滑环支撑在转台上，用于支撑待标定的热式风速/风向传感器的支撑杆经联轴器连接到步进电机上，步进电机通过电刷滑环与真空环境模拟设备外的步进电机驱动器电连接进行驱动，电刷滑环通过风速传感器电桥组与数据采集模块电连接，转台由真空环境模拟设备外的转台控制系统进行控制，转台控制系统、步进电机驱动器和数据采集系统分别与控制器电连接并由其控制，支撑杆底部通过支撑及轴承支撑在悬臂上；在标定试验中，首先确定所需要的标定的传感器线速度，根据传感器距转台中心的距离，计算标定试验所需的转台角速度，通过转台的定速旋转模拟待标定传感器与气体间的相对运动，即传感器的风速数据，在每个风速的标定过程中，通过调整步进电机的姿态，将传感器旋转至不同角度，模拟不同的风向，通过转台对不同风速、步进电机对不同风向的模拟，实现风速传感器适用范围内定点风速、风向的标定，所有传感器、步进电机的线缆通过电刷滑环导出，并在电脑端进行记录。

2.如权利要求1所述的风速/风向标定系统，其中，待标定的风速传感器包括但不限于恒温双丝型风速/风向传感器，三丝型传感器、多片式热膜风速传感器，恒热流式传感器。

3.如权利要求1所述的风速/风向标定系统，其中，转台上安装悬臂的长度为1m～1.5左右，通过调整转台的转速，实现0～30m/s左右的风速模拟。

4.如权利要求1所述的风速/风向标定系统，其中，转台上安装有电刷滑环，电刷滑环具有不少于8通道的电信号传输能力。

5.如权利要求1所述的风速/风向标定系统，其中，真空环模设备具有3m以上的试验段直径。

6.如权利要求1所述的风速/风向标定系统，其中，热沉设置在圆筒形的真空环模设备的筒形周边，以维持真空环模设备内的温度。

7.如权利要求1-6任一项所述的风速/风向标定系统，其中，热沉为调温热沉。