CN109975574A - 一种小型螺旋桨转速测量装置及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种小型螺旋桨转速测量装置及其测量方法，属于自动检测领域，本测量装置包括伸缩支脚、水平设置的第一测量环、水平设置的第二测量环、激光发射器、激光接收器、支撑架和数据采集计算机，伸缩支脚固定连接在第一测量环的底面，第二测量环位于第一测量环的竖直上方，支撑架的一端与第一测量环固定连接，另一端与第二测量环固定连接，激光发射器固定连接第一测量环上，激光接收器固定连接在第二测量环上，激光接收器与激光发射器相对设置，数据采集计算机与激光接收器电连接。本测量装置的有益效果是整个测量装置完全独立且集成为一体，没有和螺旋桨及其控制系统连接，从而使得安装方便快捷，便于测量。
Description
技术领域
本发明属于自动检测领域，具体涉及一种小型螺旋桨转速测量装置及其测量方法。
背景技术
螺旋桨是能够将电动机转动功率转化为推进力的装置，是飞行器和船舶的重要组成部分。螺旋桨的实时动态转速测量对分析螺旋桨空气动力特性和飞行器系统建模具有重要意义。
目前螺旋桨转速测量方法，可分为：(1)通过测量螺旋桨的驱动电机转速来测量螺旋桨转速，该方法将测量螺旋桨转速问题转变为了测量电机转速问题。电机转速测量方法目前主要有基于光电编码器测速、基于霍尔传感器测速、基于电机反电动势测速。基于光电编码器测速是目前常用的测速方法，在电机转动轴上安装光电编码器，电机带动轴转动同时也带动光电编码器转动从而进行测转速。光电编码器由编码盘和光电对射管组成，在不同的角度，激光对射管的激光被编码盘进行编码后传递至激光接收管从而根据编码的激光得到当前轴的角度，进而计算电机转速。基于霍尔传感器测速的方法往往是将霍尔传感器集成到电机内部，比如无刷直流电机内常常集成三个霍尔开关芯片，对电机内变化的磁场进行测量从而得到电机转速。基于电机反电动势测速方法是在电子调速器中集成电机反电动势测量电路，首先对电机进行建模，同时结合测得反电动势对电机转速进行估计，通过此方法测量螺旋桨的转速时安装测量设备复杂，在安装时容易造成不可避免的误差，使得检测效果不准确；(2)在螺旋桨桨叶上安装传感器来测量转速。在螺旋桨桨叶表面或内部安装高精度加速度MEMS传感器，通过无线射频识别技术将桨叶的速度和加速度传输到计算机上解算出当前螺旋桨转速。该方法主要用于航空发动机、船舶等要求较为高的螺旋桨的转速测量，因此对小型的螺旋桨的转速测量并不适用，使用此方法检测小型螺旋桨转速浪费资源；(3)基于视觉的测量方法。通过高帧率的摄像头采集螺旋桨转动的视频图像，采用一定的计算机视觉算法估计螺旋桨转速。该方法对计算机运输速度、算法实时性、摄像头帧率和快门均有要求，因此测量时不易进行操作，同时测量成本较高。
发明内容
本发明为了解决上述至少一个技术问题提供一种小型螺旋桨转速测量装置及其测量方法，整个测量装置与螺旋桨叶本身相对独立，不产生振动，而测量装置本身集成为一体，没有和螺旋桨及其控制系统连接，从而使得安装方便快捷，便于测量。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种小型螺旋桨转速测量装置，包括伸缩支脚、水平设置的第一测量环、水平设置的第二测量环、激光发射器、激光接收器、支撑架和数据采集计算机，所述伸缩支脚固定连接在所述第一测量环的底面，所述第二测量环位于所述第一测量环的竖直上方，所述支撑架的一端与所述第一测量环固定连接，另一端与所述第二测量环固定连接，所述激光发射器固定连接所述第一测量环上，所述激光接收器固定连接在所述第二测量环上，所述激光接收器与所述激光发射器相对设置，所述数据采集计算机与所述激光接收器电连接。
本发明的有益效果是：本测量装置通过焊接集成为一体，且与螺旋桨及其驱动电机没有直接的接触，使测速实验的安装拆卸十分方便快捷，对螺旋桨的转速测量方便同时测量精度高。同时本测量装置结构简单，制造成本低，减小了测量的成本，适用于大多数小型螺旋桨测量。另外本测量装置的第二测量环与第一测量环之间的测量空间大，方便螺旋桨的安装，也扩大可测螺旋桨的长度。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述激光发射器包括激光发射电路板、激光发射模块和多个激光发射头，所述激光发射电路板固定设置在所述第一测量环内，所述激光发射模块焊接在所述激光发射电路板上并电性连接，多个所述激光发射头绕所述第一测量环的圆心成环状固定连接在所述第一测量环的上表面上，多个所述激光发射头通过导线与所述激光发射电路板电连接。
采用上述进一步方案的有益效果是：通过多个激光发射头同时发射激光，螺旋桨转动时逐个遮挡激光，能够提高测量的精度。
进一步，所述激光接收器包括中央控制电路板和多个激光接收头，所述中央控制电路板固定设置在所述第二测量环内，所述第二测量环上设有多个绕所述第一测量环的圆心成环状分布的放置孔，多个所述激光接收头分别固定连接在所述放置孔内，并与所述中央控制电路板电连接，多个所述激光接收头与多个所述激光发射头一一对应设置。
采用上述进一步方案的有益效果是：通过与激光发射头相对应设置的激光接收头来接收激光，各个激光接收头和各个激光发射头相配合，测量精度更高，测量的数据被激光接收模块统一采集传输。
进一步，还包括用用于固定螺旋桨驱动电机的电机固定器，所述电机固定器位于所述第一测量环内，所述电机固定器的底端与地面接触。
采用上述进一步方案的有益效果是：将驱动电机固定住，避免螺旋桨转动时带动电机转动，影响测量精度。
进一步，所述电机固定器包括固定螺栓和竖直设置的固定圆筒，所述固定圆筒位于所述第一测量环内，所述固定圆筒的底端与地面接触，所述固定螺栓的螺纹端螺纹连接转动穿过所述固定圆筒的顶端环壁置于所述固定圆筒内。
采用上述进一步方案的有益效果是：对驱动电机的固定简单方便。
进一步，所述支撑架包括3个直角U型框架，所述支撑架绕所述转动盘的圆心环绕均匀分布，所述支撑架的一端与所述第一测量环的外环壁固定连接，另一端与所述第二测量环的外环壁固定连接。
采用上述进一步方案的有益效果是：使得第二测量环被牢牢固定在第一测量环的上方，同时不影响螺旋桨的转动，也不影响螺旋桨和驱动电机的安装放入。
进一步，所述伸缩支脚为3根，3根所述伸缩支脚成三角形均匀分布所述第一测量环的下表面上，所述伸缩支脚包括固定杆和转动套管，所述固定杆的一端与所述第一测量环的底面固定连接，另一端螺纹连接在所述转动套管内。
采用上述进一步方案的有益效果是：能够调整第一测量环的平衡性，使得螺旋桨转动保持稳定，避免造成误差。
进一步，所述支撑架的侧边上固定连接有电池，所述电池通过第一导线与所述激光接收器电连接，所述电池通过第二导线与所述激光发射器电连接，所述第一导线和第二导线分别粘接在所述支撑架侧边上，所述第二测量环的上表面还固定连接有蓝牙天线，所述蓝牙天线与所述激光接收器电连接，所述数据采集计算机上连接有蓝牙适配器并电性连接，所述蓝牙适配器与所述蓝牙天线蓝牙连接。
采用上述进一步方案的有益效果是：通过电池进行供电，同时通过蓝牙来将采集到的信号传输到数据采集计算机，传输效率高；同时采用无线蓝牙技术进行数据传输，实现了移动式的在线螺旋桨测速。同时蓝牙技术也方便了与其他测量系统的组网，如同时采用蓝牙芯片对螺旋桨升力测量就可以得到螺旋桨转速-升力模型。因此无线蓝牙技术的采用大大提升了系统的可扩展性。
另外本发明还提供一种采用上述的小型螺旋桨转速测量装置的测量方法，包括以下步骤：
S1、将测量装置调整平衡，并将所述激光接收器与所述数据采集计算机电连接；
S2、将用于驱动待测螺旋桨转动的驱动电机固定在所述第一测量环上，将待测螺旋桨安装在所述驱动电机的输出轴上；
S3、启动所述激光发射器、所述激光接收器和所述驱动电机，所述激光发射器产生的激光被所述激光接收器接收，螺旋桨在所述第一测量环和所述第二测量环之间转动时遮挡激光后，所述激光接收器无法接收到激光时会传输信号到所述数据采集计算机；
S4、随着螺旋桨转动间歇遮挡住激光，所述激光接收器发送间歇信号到所述数据采集计算机，所述数据采集计算机根据信号计算得出螺旋桨转速。
本测量方法的有益效果是：通过采集螺旋桨转动时遮挡激光的断点信号，将断点信号收集整理后，能够非常方便计算出螺旋桨转速，不需要配备复杂的设备和传感器，节约了测量成本，使得本测量方便适用范围更广，更利于普及。
附图说明
图1为本发明测量装置立体示意图；
图2为本发明测量装置使用时立体示意图
图3为本发明测量装置使用时正视图；
图4为本发明测量装置使用时俯视图；
图5为本发明第二测量环的仰视图；
图6为本发明电机固定器俯视图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、转动套管，2、固定杆，3、支撑架，4、第一测量环，5、第二测量环，6、电机固定器，7、激光发射器，8、螺旋桨，9、蓝牙天线，10、电池，11、第一导线，12、第二导线，13、数据采集计算机，14、蓝牙适配器，15、激光接收器，16、驱动电机，17、固定圆筒，18、固定螺栓。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例
如图1-6所示，本实施例提供一种小型螺旋桨转速测量装置，包括伸缩支脚、水平设置的第一测量环4、水平设置的第二测量环5、激光发射器8、激光接收器15、支撑架3和数据采集计算机13，伸缩支脚通过焊接固定连接在第一测量环4的底面，通过伸缩支脚将第一测量环4支撑起来，第二测量环5位于第一测量环4的竖直上方，第二测量环5和第一测量环4的圆心位于同轴线上，第二测量环5和第一测量环4均为金属壳状，第二测量环5和第一测量环4的直径为200mm，支撑架3的一端与第一测量环4固定连接，另一端与第二测量环5固定连接，具体的，支撑架3包括3个直角U型框架，支撑架3绕转动盘的圆心环绕均匀分布，两两支撑架3之间的夹角为120°，支撑架3的一端与第一测量环4的外环壁通过焊接固定连接，另一端与第二测量环5的外环壁通过焊接固定连接，通过支撑架3将第二测量环5固定在第一测量环4的竖直上方，支撑架3的宽度长度为200mm，高度为300mm，当对螺旋桨8转速进行测量时，螺旋桨8在3个支撑架3之间形成的空间内转动，使得螺旋桨8可运动直径为600mm，能够测量螺旋桨叶长度小于300mm的螺旋桨8。
激光发射器8固定连接第一测量环4上，激光接收器15固定连接在第二测量环5上，激光接收器15与激光发射器8相对设置，通过激光发射器8产生激光，激光向上照射到第二测量环5上，激光接收器15接收照射而来的激光，当螺旋桨8转动时，螺旋桨叶转动到激光发射器8的上方，将激光遮挡，此时激光接收器15无法接收到激光，激光接收器15自动记录一次信号，数据采集计算机13与激光接收器15电连接，当激光接收器15未接收到激光时，将信号传输到数据采集计算机13，数据采集计算机13接收到信号后，整理记录信号，通过计算得出螺旋桨8转动速率。
具体的，激光发射器8包括激光发射电路板、激光发射模块和多个激光发射头，通过多个激光发射头发射直线激光，激光发射电路板固定设置在第一测量环4内，第一测量环4为内空的金属壳体，激光发射模块焊接在激光发射电路板上并电性连接，多个激光发射头绕第一测量环4的圆心成环状固定连接在第一测量环4的上表面上，多个激光发射头通过导线与激光发射电路板电连接，通过激光发射模块来控制激光发射头产生持续性激光，并发射出去，激光发射模块、激光发射电路板和激光发射头均为现有技术。具体的，激光发射头设有8-12个，均匀的绕第一测量环4的圆心成环状分别，同时产生激光射向第二测量环5，使得螺旋桨8转动时逐个遮挡各个激光发射头将激光遮挡，从而通过遮挡的数据解算出螺旋桨8转速。
具体的，激光接收器15包括中央控制电路板和多个激光接收头，激光接收头用于将照射来的激光接收并转换为电信号传输中央控制电路板，中央控制电路板上集成有单片机，用于实时数据采集并将数据传输到数据采集计算机13，单片机的型号为TI Cortex M3CC2640，为现有技术，中央控制电路板板集成有激光检测电路和电压比较电路，激光检测电路和电压比较电路为现有技术，中央控制电路板固定设置在第二测量环5内，第二测量环5为环状金属壳体，第二测量环5上设有多个绕第一测量环4的圆心成环状设有多个放置孔，多个激光接收头分别固定连接在放置孔内，并焊接在中央控制电路板上与中央控制电路板电连接，使得激光接收头接收到激光后，转换成电信号传输到中央控制电路板，将数据采集，当激光被遮挡时，单个激光接收头未接收到激光后，输送到中央控制电路板的信号出现断点，控制器将此断点信号采集并传输到数据采集计算机13。具体的，激光接收头的数量为8-12个，多个激光接收头与多个激光发射头一一对应设置，一个激光发射头发射产生的激光被一个激光接收头接收。
优选地，本实施例还包括用于固定螺旋桨8的驱动电机16的电机固定器6。电机固定器6位于第一测量环4内，电机固定器6的底端与地面接触，将驱动电机16放入到电机固定器6内，电机固定器6将驱动电机16固定住，螺旋桨8在多个支撑架3之间的空间内转动，便于稳定固定住电机。
具体的，电机固定器6包括竖直设置的固定圆筒17和固定螺栓18，固定圆筒17位于第一测量环4内，固定圆筒17的底端与地面接触，固定螺栓18的螺纹端螺纹连接转动穿过固定圆筒17的顶端环壁置于固定圆筒17内，当驱动电机16置于固定圆筒17内时，转动固定螺栓18，使得固定螺栓18的螺纹端与驱动电机16的外壳抵接，从而将驱动电机16锁紧固定。
优选地，伸缩支脚为3根，3根伸缩支脚成三角形均匀分布第一测量环4的下表面上，通过3根伸缩支脚将第一测量环4支撑住；具体的，伸缩支脚包括固定杆2和转动套管1，固定杆2的一端与第一测量环4的底面固定连接，另一端螺纹连接在转动套管1内，固定杆2靠近转动套管1的一端上设有外螺纹，转动套管1内设有与外螺纹相配合的内螺纹，通过旋转转动套管1，使得转动套管1相对固定杆2移动，通过协调调整3根转动套管1，从而调整使得第一测量环4保持水平状态，以便保持螺旋转动的平衡性，提高测量精度。
优选地，支撑架3的侧边上通过焊接固定连接有电池10，电池10为12V锂电池10，电池10通过第一导线11与中央控制电路板电连接，对激光接收器15供电，电池10通过第二导线12与激光发射电路板电连接，对激光发射器8供电；具体的，第一导线11和第二导线12通过T插头与电池10可拆卸连接，同时电池10上设有开关，用于打开或关闭对激光发射器8和激光接收器15的供电；第一导线11和第二导线12分别粘接在支撑架3侧边上，第二测量环5的上表面还固定连接有蓝牙天线9，蓝牙天线9与激光接收模块电连接，激光接收模块接收到的电信号通过蓝牙天线9传输到数据采集计算机13上，数据采集计算机13上通过USB插口连接有蓝牙适配器14并电性连接，蓝牙适配器14与蓝牙天线9蓝牙连接，数据采集计算机13将通过蓝牙传输过来的信号整理收集，经过解算得到螺旋桨8的转速；具体的，蓝牙天线9和蓝牙适配器14采用BLE 4.1通信协议，传输效率高，其中蓝牙天线9和蓝牙适配器14为现有技术。
本实施例还提供一种采用上述小型螺旋桨转速测量装置的测量方法，包括以下步骤：
S1、通过旋转转动套管1，使得伸缩支脚的高度改变，使得第一测量环4的高度合适同时将第一测量环4调整到水平平衡状态，并将蓝牙天线9与数据采集计算机13上的蓝牙适配器14建立蓝牙连接，使得激光接收器15采集到的电信号经过蓝牙天线9传输到数据采集计算机13中；
S2、将待测螺旋桨8及其驱动电机16放入在第一测量环4和第二测量环5之间，将驱动电机16置于固定圆筒17内，通过转动固定螺栓18将驱动电机16固定在固定圆筒17内，驱动电机16的输出端朝上，将待测螺旋桨安装在驱动电机16的输出轴上，螺旋桨8在多个支撑架3之间形成的空间内能够转动；
S3、通过开关启动激光发射器8和激光接收器15，此时激光发射器8产生的激光被激光接收器15接收，将驱动电机16与外部电源连通，使得驱动电机16驱动螺旋桨8转动，螺旋桨8在第一测量环4和第二测量环5之间转动时，当转动至其中一个激光发射头时，会遮挡该激光发射头发射的激光，此时对应的激光接收头无法接收到激光，中央控制电路板板集成有激光检测电路和电压比较电路，当螺旋桨叶片挡住激光时，激光检测电路输出低电压，触发电压比较电路从而中央控制电路板上单片机检测到该信号，触发单片机内定时器中断程序，记录下该时间断点信号，中央控制电路板上集成的单片机采集到断点信号，并将断点信号输送到蓝牙天线9，并通过蓝牙传输到数据采集计算机13；
S4、随着螺旋桨8持续转动，会间歇遮挡住各个激光发射头产生的激光，使得激光接收头持续间断的接收到激光，中央控制电路板持续采集到各个激光接收头的断点信号，形成均匀的时间间歇信号，然后将一系列断点信号形成的时间间歇信号通过UART传递至蓝牙天线9，数据采集计算机13通过蓝牙适配器14接收到这些时间间歇信号，数据采集计算机13接收到间歇信号后，将间歇信号收集整理，计算机由相连两个时间间歇信号求解出螺旋桨角速度，并显示螺旋桨速度信息。
以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种小型螺旋桨转速测量装置，其特征在于，包括伸缩支脚、水平设置的第一测量环(4)、水平设置的第二测量环(5)、激光发射器(7)、激光接收器(15)、支撑架(3)和数据采集计算机(13)，所述伸缩支脚固定连接在所述第一测量环(4)的底面，所述第二测量环(5)位于所述第一测量环(4)的竖直上方，所述支撑架(3)的一端与所述第一测量环(4)固定连接，另一端与所述第二测量环(5)固定连接，所述激光发射器(7)固定连接在所述第一测量环(4)上，所述激光接收器(15)固定连接在所述第二测量环(5)上，所述激光接收器(15)与所述激光发射器(7)相对设置，所述数据采集计算机(13)与所述激光接收器(15)电连接。
2.根据权利要求1所述的一种小型螺旋桨转速测量装置，其特征在于，所述激光发射器(7)包括激光发射电路板、激光发射模块和多个激光发射头，所述激光发射电路板固定设置在所述第一测量环(4)内，所述激光发射模块焊接在所述激光发射电路板上并电性连接，多个所述激光发射头绕所述第一测量环(4)的圆心成环状固定连接在所述第一测量环(4)的上表面上，多个所述激光发射头通过导线与所述激光发射电路板电连接。
3.根据权利要求2所述的一种小型螺旋桨转速测量装置，其特征在于，所述激光接收器(15)包括中央控制电路板和多个激光接收头，所述中央控制电路板固定设置在所述第二测量环(5)内，所述第二测量环(5)上设有多个绕所述第一测量环(4)的圆心成环状分布的放置孔，多个所述激光接收头分别固定连接在所述放置孔内，并与所述中央控制电路板电连接，多个所述激光接收头与多个所述激光发射头一一对应设置。
4.根据权利要求1所述的一种小型螺旋桨转速测量装置，其特征在于，还包括用于固定螺旋桨驱动电机的电机固定器(6)，所述电机固定器(6)位于所述第一测量环(4)内，所述电机固定器(6)的底端与地面接触。
5.根据权利要求4所述的一种小型螺旋桨转速测量装置，其特征在于，所述电机固定器(6)包括固定螺栓(18)和竖直设置的固定圆筒(17)，所述固定圆筒(17)位于所述第一测量环(4)内，所述固定圆筒(17)的底端与地面接触，所述固定螺栓(18)的螺纹端螺纹连接转动穿过所述固定圆筒(17)的顶端环壁置于所述固定圆筒(17)内。
6.根据权利要求1所述的一种小型螺旋桨转速测量装置，其特征在于，所述支撑架(3)包括3个直角U型框架，所述支撑架(3)绕所述转动盘的圆心环绕均匀分布，所述支撑架(3)的一端与所述第一测量环(4)的外环壁固定连接，另一端与所述第二测量环(5)的外环壁固定连接。
7.根据权利要求1所述的一种小型螺旋桨转速测量装置，其特征在于，所述伸缩支脚为3根，3根所述伸缩支脚成三角形均匀分布所述第一测量环(4)的下表面上，所述伸缩支脚包括固定杆(2)和转动套管(1)，所述固定杆(2)的一端与所述第一测量环(4)的底面固定连接，另一端螺纹连接在所述转动套管(1)内。
8.根据权利要求1-7任一项所述的一种小型螺旋桨转速测量装置，其特征在于，所述支撑架(3)的侧边上固定连接有电池(10)，所述电池(10)通过第一导线(11)与所述激光接收器(15)电连接，所述电池(10)通过第二导线(12)与所述激光发射器(7)电连接，所述第一导线(11)和第二导线(12)分别粘接在所述支撑架(3)侧边上，所述第二测量环(5)的上表面还固定连接有蓝牙天线(9)，所述蓝牙天线(9)与所述激光接收器(15)电连接，所述数据采集计算机(13)上连接有蓝牙适配器(14)并电性连接，所述蓝牙适配器(14)与所述蓝牙天线(9)蓝牙连接。
9.一种如权利要求1-8任一项所述的一种小型螺旋桨转速测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将测量装置调整平衡，并将所述激光接收器与所述数据采集计算机电连接；
S2、将用于驱动待测螺旋桨转动的驱动电机放置在所述第一测量环内，将待测螺旋桨安装在所述驱动电机的输出轴上；
S3、启动所述激光发射器、所述激光接收器和所述驱动电机，所述激光发射器产生的激光被所述激光接收器接收，螺旋桨在所述第一测量环和所述第二测量环之间转动时遮挡激光后，所述激光接收器无法接收到激光时会传输信号到所述数据采集计算机；
S4、随着螺旋桨转动间歇遮挡住激光，所述激光接收器发送间歇信号到所述数据采集计算机，所述数据采集计算机根据信号计算得出螺旋桨转速。
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