CN110371320B - 一种测试螺旋桨转速、升力和噪声的装置、方法及应用 - Google Patents

一种测试螺旋桨转速、升力和噪声的装置、方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种测试螺旋桨转速、升力和噪声的装置、方法及应用，它解决了现有技术中无法验证螺旋桨设计合理性的问题，具有操作简单，测试误差低的有益效果，其方案如下：一种测试螺旋桨转速、升力和噪声的装置，包括支架；电机，电机通过支架支撑，且电机能够与待测螺旋桨连接；测力传感器，设于电机与支架之间以测量待测螺旋桨的升力；测速传感器，设于电机或设于支架以测量待测螺旋桨的转速；噪声传感器，设于支架以测量待测螺旋桨转动过程中的噪声大小；控制器，测力传感器、测速传感器和噪声传感器分别与控制器单独连接。

Description

一种测试螺旋桨转速、升力和噪声的装置、方法及应用
技术领域
本发明涉及螺旋桨测控技术领域，特别是涉及一种测试螺旋桨转速、升力和噪声的装置、方法及应用。
背景技术
螺旋桨尤其是无人机螺旋桨的设计过程一般为根据性能指标通过升力公式等相关公式计算螺距、弦长等参数，利用CAD三维软件设计三维模型，导入分析软件，分析不同转速下升力和噪声是否满足要求，根据分析结果优化三维模型。根据优化的三维模型各个参数，制造出无人机螺旋桨。生产制造的螺旋桨各项性能是否与仿真结果一致，需要通过实验进行验证，但发明人发现目前尚未有测试无人机螺旋桨转速、升力及噪声之间关系的装置设备。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种测试螺旋桨转速、升力和噪声的装置，能够用于测试螺旋桨转速、升力和噪声，具有智能化程度高、操作简单，测试误差低的优点，整体可用于验证螺旋桨转速、升力及噪声与设计仿真结果是否一致的问题。
一种测试螺旋桨转速、升力和噪声的装置的具体方案如下：
一种测试螺旋桨转速、升力和噪声的装置，包括：
支架；
电机，电机通过支架支撑，且电机能够与待测螺旋桨连接；
测力传感器，设于电机与支架之间以测量待测螺旋桨的升力；
测速传感器，设于电机或设于支架以测量待测螺旋桨的转速；
噪声传感器，设于支架以测量待测螺旋桨转动过程中的噪声大小；
控制器，测力传感器、测速传感器和噪声传感器分别与控制器单独连接。
通过上述装置的设置，待测螺旋桨能够固定于支架，通过三个传感器分别测量待测螺旋桨的升力、转速和噪声大小，整体设置简单，操作方便，能够实现转速或升力设定的情况下，另两个的测量，从而可以用于验证螺旋桨转速、升力及噪声与设计仿真结果是否一致的问题。
进一步地，所述测速传感器为激光测速传感器，激光测速传感器通过支架进行设置，测速传感器突出于所述支架进行安装，激光测速传感器可以不用安装于螺旋桨或电机本身，通过激光测量待测螺旋桨的运行速度。
进一步地，所述测力传感器为应变片测力传感器，通过粘结在弹性元件上的应变片来测量压力值，因力的作用是相反的，通过测力传感器测量压力的大小来获得待测螺旋桨的升力大小。
进一步地，为了方便测速传感器和噪声传感器的固定，所述支架设有用于安装测速传感器的第一卡槽，支架设有用于安装噪声传感器的第二卡槽，第一卡槽的尺寸与测速传感器尺寸相适应，第二卡槽的尺寸与噪声传感器的尺寸相适应。
进一步地，为了保证升力测量的准确性，所述测力传感器设于所述支架的顶部，支架为立柱，立柱与地面牢固固定。
进一步地，所述电机通过电子调速器与所述控制器连接，测力传感器通过升力信号A/D调理模块与控制器连接，测速传感器通过脉冲信号整形电路模块与控制器连接；噪声传感器通过噪声信号A/D调理模块与控制器连接。
进一步地，所述控制器与计算机监控系统连接，计算机监控系统根据与控制器协商制定的通信协议校验通信数据是否准确，计算机监控系统能够代替转速设定旋钮和升力设定旋钮向控制器输出目标转速和目标升力，起到替代作用，保证装置测试的可靠性。
进一步地，所述控制器与升力设定旋钮、转速设定旋钮分别单独连接。
为了克服现有技术的不足，本发明还提供了一种测试螺旋桨转速、升力和噪声的装置的控制方法，包括如下内容：
控制器通过调整电机的功率，改变待测螺旋桨的转速；
测速传感器测量待测螺旋桨的转速，并传送数据给控制器，控制器通过采集单位时间的脉冲信号，计算出当前时刻待测螺旋桨的转速；
控制器将当前采集的转速和设定转速比较得出差值，通过自抗扰控制算法，调整输出的PWM信号，使待测螺旋桨的转速稳定在设定转速；
在转速设定的情况下，通过测力传感器测量待测螺旋桨工作时产生的升力，并由噪声传感器测量待测螺旋桨产生的噪声。
进一步地，控制方法还包括如下内容：
控制器通过调整电机的功率，改变待测螺旋桨的升力；
测力传感器测量待测螺旋桨工作时产生的升力，并传送数据给控制器，控制器计算出当前时刻待测螺旋桨的升力；
控制器将当前采集的升力和设定升力比较得出差值，通过自抗扰控制算法，使待测螺旋桨的升力稳定在设定升力；
在升力设定的情况下，通过转速传感器测量待测螺旋桨的转速，并由噪声传感器测量待测螺旋桨产生的噪声。
通过上述控制方法的给出，通过设定螺旋桨的转速，测试设定转速条件下升力和噪声大小；设定螺旋桨的升力，测试设定升力下转速和噪音的大小，根据测试数据来分析螺旋桨的性能与仿真软件计算的性能之间有何差距。
此外，本发明还提供了一种测试螺旋桨转速、升力和噪声的装置的应用，可应用于无人机螺旋桨和船用螺旋桨的设计校验。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)本发明通过整体装置的设置，能够用于测试无人机或船用螺旋桨转速、升力和噪声，具有智能化程度高、操作简单，测试误差低的优点，整体可用于验证无人机螺旋桨转速、升力及噪声与设计仿真结果是否一致的问题。
2)本发明通过激光测速传感器的设置，可以不用安装于螺旋桨本身，通过激光测量待测螺旋桨的运行速度，测量准确度高。
3)本发明通过第一卡槽和第二卡槽的设置，有效方便测速传感器和噪声传感器的各自固定。
4)本发明通过控制器与计算机监控系统的连接，计算机监控系统能够代替转速设定旋钮和升力设定旋钮向控制器输出目标转速和目标升力，起到替代作用，保证装置测试的可靠性。
5)本发明通过控制方法的给出，能够实现在待测螺旋桨转速一定的情况下，获得待测螺旋桨的升力和噪声大小，实现在待测螺旋桨升力一定的情况下，获得待测螺旋桨的转速和噪声大小，以验证螺旋桨转速、升力及噪声与设计仿真结果是否一致的问题。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例1中一种测试螺旋桨转速、升力和噪声的装置的示意图；
图2为本发明实施例1中各个传感器安装位置示意图；
图中：1-待测螺旋桨、2-无刷电机、3-应变片测力传感器、4-电容式噪声传感器、5-激光测速传感器、6-支架、7-电子调速器、8-升力信号A/D调理模块、9-噪声信号A/D调理模块、10-脉冲信号整形电路模块、11-电子控制器、12-转速设定旋钮、13-TTL转USB模块、14-计算机监控系统、15-升力设定旋钮。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在的不足，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种测试螺旋桨转速、升力和噪声的装置，下面结合说明书附图，对本发明做进一步的阐述。
实施例1
本发明的一种典型的实施方式中，如图1和图2所示，一种测试螺旋桨转速、升力和噪声的装置，包括电机如无刷电机2、测力传感器如应变片测力传感器3、测速传感器如激光测速传感器4、噪声传感器如电容式噪声传感器5、支架6、电子调速器7、升力信号A/D调理模块8、噪声信号A/D调理模块9、脉冲信号整形电路模块10、电子控制器11、转速设定旋钮12、TTL转USB模块13、计算机监控系统14、升力设定旋钮15。
支架6为固定架，支架6顶部设有待测螺旋桨1，待测螺旋桨1通过无刷电机2带动实现转动，无刷电机与支架6之间设置应变片测力传感器3，支架6还安装有激光测速传感器4、和电容式噪声传感器5，其中，激光测速传感器4安装于支架6的侧部用于测定螺旋桨的转速，无刷电机2与电子调试器7电连接实现对无刷电机2转速的调节，应变片测力传感器3与升力信号A/D调理模块8电连接，电容式噪声传感器5与噪声信号A/D调理模块9电连接，激光测速传感器4与脉冲信号整形电路模块10电连接；电子调速器7、升力信号A/D调理模块8、噪声信号A/D调理模块9、脉冲信号整形电路模块10、转速设定旋钮12、升力设定旋钮15分别与电子控制器11电连接；TTL转USB模块13一端与电子控制器11电连接，另一端与计算机监控系统14电连接。
为了方便测速传感器和噪声传感器的固定，支架6设有用于安装测速传感器的第一卡槽，支架6设有用于安装噪声传感器的第二卡槽，第一卡槽的尺寸与测速传感器尺寸相适应，测速传感器突出于支架6即从第一卡槽中突出进行安装，以便测速传感器位于螺旋桨叶片的下方，第二卡槽的尺寸与噪声传感器的尺寸相适应，且第二卡槽的高度低于第一卡槽设置。
其中，在测速传感器和噪声传感器的周侧包绕橡胶条以便于测速传感器设于第一卡槽中，噪声传感器设于第二卡槽中，降低因振动对二者卡位的影响。
为了保证升力测量的准确性，应变片测力传感器3设于支架6的顶部，支架6优选为立柱，立柱与地面牢固固定。
需要注意的是，应变片测力传感器3、激光测速传感器4、电容式噪声传感器5还可以选择其他类型的相应传感器。
电子控制器11优选PLC可编程的控制器，电子控制器11与转速设定旋钮12、升力设定旋钮15分别单独连接。
需要说明的是，上述无刷电机2、应变片测力传感器3、激光测速传感器4、电容式噪声传感器5、电子调速器7、升力信号A/D调理模块8、噪声信号A/D调理模块9、脉冲信号整形电路模块10、电子控制器11、转速设定旋钮12、TTL转USB模块13均为现有技术，不再赘述。
实施例2
本实施例提供了一种测试螺旋桨转速、升力和噪声的装置的控制方法，包括如下内容：
转速设定旋钮12通过旋转操作可输出某一固定的电压模拟信号(对应某一固定转速)，经电子控制器11处理后转变为PWM信号，通过电子调速器7调节无刷电机2的功率，从而改变待测螺旋桨1的转速；激光测速传感器4测量待测螺旋桨1的转速，经脉冲信号整形电路模块10处理后，输入电子控制器11，电子控制器11采集单位时间的脉冲信号，计算出当前时刻的转速；电子控制器11将当前采集的转速和设定转速比较得出差值，通过自抗扰控制算法，调整输出的PWM信号，使待测螺旋桨1的转速稳定在设定转速；同时电子控制器11将当前采集的转速通过TTL转USB模块13传送给计算机监控系统14，计算机监控系统14将转速数据存储并且利用曲线显示采集的转速数据。
升力设定旋钮15通过旋转操作可输出某一固定的电压模拟信号(对应某一固定升力)，经电子控制器11处理后转变为PWM信号，通过电子调速器7调节无刷电机2的功率，从而改变待测螺旋桨1的升力；应变片测力传感器3测量待测螺旋桨1工作时产生的升力，经升力信号A/D调理模块8处理后，输入电子控制器11，电子控制器11将升力信号A/D调理模块转换得到的升力数字值通过计算得出升力，电子控制器11将当前采集的升力和设定升力比较得出差值，通过自抗扰控制算法，调整输出的PWM信号，使待测螺旋桨1的升力稳定在设定升力；同时电子控制器11将当前采集的升力通过TTL转USB模块13传送给计算机监控系统14，计算机监控系统14将升力数据存储并且利用曲线显示采集的升力数据。
电容式噪声传感器5测量待测螺旋桨1工作时产生的噪声，经噪声信号A/D调理模块9处理后，输入电子控制器11，电子控制器11将A/D转换得到的噪声数字值通过计算得出分贝值，通过TTL转USB模块13传送给计算机监控系统14，计算机监控系统14将噪声分贝数据存储并且利用曲线显示采集的噪声分贝数据。
计算机监控系统14能同时接收转速数据、升力数据和噪声分贝数据，并且根据与电子控制器11协商制定的通信协议校验通信数据是否准确；计算机监控系统14能够代替转速设定旋钮12和升力设定旋钮15输出目标转速和目标升力，所不同的是转速设定旋钮12和升力设定旋钮15输出的是电压模拟信号，计算机监控系统14输出的是十六进制数字信号；计算机监控系统14的转速、升力设定模块与转速设定旋钮12、升力设定旋钮15形成互补关系，在一方出现故障时，另一方可以替代；计算机监控系统14输出转速、升力的十六进制数字信号通过TTL转USB模块13传送给电子控制器11，作为目标转速、目标升力。
实施例3
实施例1所述的一种测试螺旋桨转速、升力和噪声的装置，不仅能够用于无人机螺旋桨的设计校验，还可以用于其它类似于螺旋桨通过旋转产生动力的测量装置，例如船用螺旋桨。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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)

1.一种测试螺旋桨转速、升力和噪声的装置的控制方法，其特征在于，包括：
支架；
电机，电机通过支架支撑，且电机能够与待测螺旋桨连接；
测力传感器，设于电机与支架之间以测量待测螺旋桨的升力；
测速传感器，设于电机或设于支架以测量待测螺旋桨的转速；
噪声传感器，设于支架以测量待测螺旋桨转动过程中的噪声大小；
控制器，测力传感器、测速传感器和噪声传感器分别与控制器单独连接；
控制器通过调整电机的功率，改变待测螺旋桨的转速；
测速传感器测量待测螺旋桨的转速，并传送数据给控制器，控制器通过采集单位时间的脉冲信号，计算出当前时刻待测螺旋桨的转速；
控制器将当前采集的转速和设定转速比较得出差值，通过自抗扰控制算法，调整输出的PWM信号，使待测螺旋桨的转速稳定在设定转速；
在转速设定的情况下，通过测力传感器测量待测螺旋桨工作时产生的升力，并由噪声传感器测量待测螺旋桨产生的噪声；
通过控制器与计算机监控系统的连接，计算机监控系统能够代替转速设定旋钮和升力设定旋钮向控制器输出目标转速和目标升力。
2.根据权利要求1所述的一种测试螺旋桨转速、升力和噪声的装置的控制方法，其特征在于，所述测速传感器为激光测速传感器，测速传感器突出于所述支架进行安装。
3.根据权利要求1所述的一种测试螺旋桨转速、升力和噪声的装置的控制方法，其特征在于，所述测力传感器为应变片测力传感器。
4.根据权利要求1所述的一种测试螺旋桨转速、升力和噪声的装置的控制方法，其特征在于，所述支架设有用于安装测速传感器的第一卡槽，支架设有用于安装噪声传感器的第二卡槽。
5.根据权利要求1所述的一种测试螺旋桨转速、升力和噪声的装置的控制方法，其特征在于，所述测力传感器设于所述支架的顶部，支架为立柱。
6.根据权利要求1所述的一种测试螺旋桨转速、升力和噪声的装置的控制方法，其特征在于，所述电机通过电子调速器与所述控制器连接，测力传感器通过升力信号A/D调理模块与控制器连接，测速传感器通过脉冲信号整形电路模块与控制器连接；噪声传感器通过噪声信号A/D调理模块与控制器连接。
7.根据权利要求1所述的一种测试螺旋桨转速、升力和噪声的装置的控制方法，其特征在于，所述控制器与计算机监控系统连接；
所述控制器与升力设定旋钮、转速设定旋钮分别单独连接。
8.根据权利要求1所述的一种测试螺旋桨转速、升力和噪声的装置的控制方法，其特征在于，还包括如下内容：
控制器通过调整电机的功率，改变待测螺旋桨的升力；
测力传感器测量待测螺旋桨工作时产生的升力，并传送数据给控制器，控制器计算出当前时刻待测螺旋桨的升力；
控制器将当前采集的升力和设定升力比较得出差值，通过自抗扰控制算法，使待测螺旋桨的升力稳定在设定升力；
在升力设定的情况下，通过转速传感器测量待测螺旋桨的转速，并由噪声传感器测量待测螺旋桨产生的噪声。
9.根据权利要求1-8任一所述的一种测试螺旋桨转速、升力和噪声的装置的控制方法，其特征在于，可应用于无人机螺旋桨和船用螺旋桨的设计校验。
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