CN111323161A - 集成光学压力的大气数据探针 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于测量大气数据参数的大气数据探针。所述大气数据探针包括：探头；端口，其位于所述探头内，与外部气流流体连通；以及气动压力传感器，其安装在所述端口内。所述气动压力传感器消除了对贯穿大气数据探针的气动导管的需求，并且因此，减少了加热需求，并且提高了性能和可靠性。

Description

集成光学压力的大气数据探针
背景技术
本公开总体涉及大气数据探针，且特别地，涉及大气数据探针的压力传感器。
大气数据探针安装在飞行器上以测量大气数据参数。大气数据参数可以包括皮托压力、气压静压、高度、空气速度、迎角、侧滑角、温度和/或任何其它关注的参数。大气数据探针可以是例如皮托探针、皮托静压探针或静压板。
大气数据探针通过沿探针的一个或多个端口对气压进行采样来收集气动压力，以生成大气数据参数。气压通过气动路径传输到远程压力传感器。气动路径包括贯穿大气数据探针的气动导管。气动导管可能会出问题。
发明内容
大气数据探针包括探头、该探头内与外部气流流体连通的端口以及安装在该端口内的气动压力传感器。
大气数据探针包括主体、该主体内与外部气流流体连通的端口以及安装在端口内的光纤压力传感器。
附图说明
图1是示出包括多个大气数据探针的飞行器的图。
图2是大气数据探针的透视图。
图3是探头的局部截面示意图，其示出了齐平安装在皮托端口处的压力传感器。
图4是探头的局部截面示意图，其示出了安装在皮托端口内的挡水板下游的压力传感器。
图5是探头的局部截面示意图，其示出了齐平安装在静压端口处的压力传感器。
图6是具有压力传感器的大气数据探针的局部截面示意图。
具体实施方式
总的来说，本公开描述了一种气动压力传感器，其安装在大气数据探针的端口内或安装在测量点处，以消除对贯穿大气数据探针的气动导管的需求。因此，减少了加热需求，并且提高了性能和可靠性。例如，可以防止气动延迟，并且不会阻塞端口和通道。
图1和图2
图1是示出包括多个大气数据探针12a-12n的飞行器10的图。大气数据探针12a-12n可以是任何类型的探针，诸如但不限于皮托探针、皮托静压探针、齐平静压板和任何其它适当的大气数据探针。
图2是大气数据探针12a的透视图。虽然被示出为皮托静压探针12a，但是大气数据探针12a可以是任何其它类型的大气数据探针12a-12n。大气数据探针12a包括探头14、支柱16和底板18。探头14包括皮托端口20、静压端口22和排水孔24。
探头14是大气数据探针12a的感测头。探头14可以具有位于探头14中的任意数量的端口。探头14的第一端是探头14的前部。探头14的第二端连接到支柱16的第一端。探头14和支柱16形成大气数据探针12a的主体。支柱16为叶片形。大气数据探针12n的内部部件位于探头14和支柱16内。支柱16的第二端连接到底板18。底板18是大气数据探针12a的安装座。底板18可连接到飞行器。
皮托端口20是探头14第一端处的开口，并延伸探头14的长度。皮托端口20与外部气流流体连通，并面向外部气流。静压端口22是位于探头14一侧的开口。静压端口22从探头14的外表面延伸到探头14的内表面。静压端口22与外部气流流体连通，并垂直于外部气流。探头14可以包括任意数量的静压端口22。排水孔24是位于探头14一侧的开口。排水孔24从探头14的内表面延伸到探头14的外表面。
大气数据探针12a安装在飞行器上。大气数据探针12a可以经由底板18和诸如螺钉或螺栓的紧固件而安装到飞行器的机身上。支柱16保持探头14远离飞行器的机身。探头14暴露于外部气流。皮托端口20和静压端口22对外部气流进行采样。皮托端口20和静止端口22处的气流样本用于测量压力，以产生诸如静压、高度、空气速度、迎角和侧滑角的大气数据参数。排水孔24允许已随外部气流一起进入探头14的水或冰离开探头14，以避免对测量造成干扰。需要大气数据探针12a来保持飞行器性能。
图3-5示出了压力传感器可以不同方式安装在诸如大气数据探针12a-12n的大气数据探针的探头内。图3示出了探头26，图4示出了探头42，图5示出了探头64。
图3
图3是探头26的局部截面示意图，其示出了齐平安装在皮托端口30处的压力传感器28。探头26包括皮托端口30、内表面32和外表面34。压力传感器28包括膜片36、光纤38和空腔39。皮托端口30包括入口40和皮托通道41。
探头26是诸如大气数据探针12a的大气数据探针的探头。因此，探头26形成诸如皮托静压探针的大气数据探针的主体。压力传感器28是气动压力传感器。皮托端口30是位于探头26的第一端处的开口，其穿过探头26延伸至探头26的第二端。皮托端口30与外部气流A流体连通，并与外部气流A平行。皮托端口30由探头26的内表面32限定。探头26具有与内表面32相对的外表面34。外表面34暴露于外部气流A。压力传感器28安装并密封到皮托端口30内的探头26的内表面32。压力传感器28齐平安装到皮托端口30，使得压力传感器28的一端与皮托端口30的一端齐平。这样，压力传感器28的位于该压力传感器28的第一端的膜片36暴露于外部气流A。膜片36由蓝宝石或能够承受恶劣环境的任何其它适当的材料制成。光纤38位于压力传感器28的第二端，并连接到膜片36。光纤38延伸穿过探头26。空腔39是形成在压力传感器28内并由膜片36限定的压力空腔。压力传感器28可以是光纤压力传感器，并可以利用法布里-珀罗(Fabry-Perot)干涉仪或光纤布拉格(Bragg)光栅。压力传感器28可以是任何其它适当的光纤压力传感器。
皮托端口30在该皮托端口30的第一端或探头26的第一端具有入口40。皮托通道41从入口40延伸穿过探头26。压力传感器28在入口40处齐平安装到皮托端口30，使得压力传感器28的一端与入口40齐平。具体地，膜片36的外表面与入口40齐平。光纤38穿过皮托通道41延伸到飞行器内的部件。
压力传感器28测量皮托端口30的入口40处的外部气流A的压力。压力传感器28的膜片36上的外部气流A的压力被测量并通过光纤38传送到飞行计算机。例如，当压力传感器28利用法布里-珀罗干涉仪执行压力测量时，膜片36所限定的压力空腔39的任一侧的表面产生光的部分反射，并且通过光纤38收集它们的相互干涉。监测干涉信号以提供压力测量。例如，当压力传感器28利用光纤布拉格光栅进行压力测量时，光纤38中的光纤布拉格光栅连接到膜片36的一侧，以将指示膜片36运动的应变从膜片36传送到光纤38，以提供压力测量。这种压力测量用于生成与飞行器飞行条件相关的大气数据参数。
传统的大气数据探针具有远离皮托端口的压力传感器，这需要气动导管来使所采样的空气按路径穿过大气数据探针，并且也可能穿过飞行器而传送到压力传感器。将压力传感器28放置在期望压力的位置，从而不需要气动导管和诸如隔板的其它部件。因此，避免了气动滞后，降低了加热大气数据探针的功率要求，简化了制造，消除了冰和湿气的摄入，并且防止了皮托端口的堵塞或阻塞以及因皮托端口的边缘几何形状所引起的误差。
图4
图4是探头42的局部截面示意图，其示出了安装在皮托端口48内的挡水板46下游的压力传感器44。探头42包括挡水板46、皮托端口48、内表面50、外表面52和排水孔54。压力传感器44包括膜片56、光纤58和空腔59。皮托端口48包括入口60和皮托通道62。
探头42是诸如大气数据探针12a的大气数据探针的探头。因此，探头42形成诸如皮托静压探针的大气数据探针的主体。压力传感器44是气动压力传感器。挡水板46位于皮托端口48内。皮托端口48是位于探头42的第一端处的开口，其穿过探头42延伸至探头26的第二端。皮托端口48与外部气流A流体连通，并与外部气流A平行。皮托端口48由探头42的内表面50限定。挡水板46连接到内表面50。挡水板46在皮托端口48内交错排列。可以对内表面50加热。探头42具有与内表面50相对的外表面52。外表面52暴露于外部气流。压力传感器44安装并密封到皮托端口48内的探头42的内表面50。可以对外表面52加热。排水孔54是从内表面50穿过探头42的一侧延伸到外表面52的开口。排水孔54位于挡水板46的上游。在可选实施方案中，排水孔54可以处于挡水板46的下游、挡水板46之间或者处于探头42内的任何其它适当的位置。压力传感器44安装到挡水板46下游的皮托端口48。这样，压力传感器44的位于该压力传感器44的第一端的膜片56暴露于流经皮托端口48的外部气流A。膜片56由蓝宝石或能够承受恶劣环境的任何其它适当的材料制成。光纤58位于压力传感器44的第二端，并连接到膜片56。光纤58延伸穿过探头42。空腔59是形成在压力传感器44内并由膜片56限定的压力空腔。压力传感器44可以是光纤压力传感器，并可以利用法布里-珀罗(Fabry-Perot)干涉仪或光纤布拉格(Bragg)光栅。压力传感器44可以是任何其它适当的光纤压力传感器。
皮托端口48在该皮托端口48的第一端或探头42的第一端具有入口60。皮托通道62从入口60延伸穿过探头42。挡水板46位于皮托通道62内。压力传感器44安装到皮托通道62内的皮托端口48。膜片56密封到皮托通道62内的内表面50。光纤58穿过皮托通道62延伸到飞行器内的部件。
因为压力传感器44位于挡水板46的下游或后部，所以气流A中的湿气、雨水、冰晶和其它流体或颗粒将被挡水板46捕获，并在到达压力传感器44之前通过排水孔54排出。可以加热内表面50或外表面52以融化这种冰晶并防止冻结。压力传感器44测量皮托端口48的皮托通道62中的外部气流A的压力。压力传感器44的膜片56上的外部气流A的压力被测量并通过光纤58传送到飞行计算机。例如，当压力传感器44利用法布里-珀罗干涉仪执行压力测量时，膜片56所限定的压力空腔59的任一侧的表面产生光的部分反射，并且通过光纤58收集它们的相互干涉。监测干涉信号以提供压力测量。例如，当压力传感器44利用光纤布拉格光栅进行压力测量时，光纤58中的光纤布拉格光栅连接到膜片56的一侧，以将指示膜片56运动的应变从膜片56传送到光纤58，以提供压力测量。这种压力测量用于生成与飞行器飞行条件相关的大气数据参数。
压力传感器44不太可能因气流A中的冰、湿气或其它颗粒的冲击而冻结或损坏。将压力传感器44放置在皮托端口48内的期望压力的位置，从而不需要气动导管和诸如隔板的其它部件。因此，避免了气动滞后，降低了加热大气数据探针的功率要求，简化了制造，消除了冰和湿气的摄入，并且减少了皮托端口的堵塞或阻塞。
图5
图5是探头64的局部截面示意图，其示出了齐平安装在静压端口68处的压力传感器66。探头64包括静压端口68、内表面70、外表面72和通道74。压力传感器66各自包括膜片76、光纤78和空腔79。
探头64是诸如大气数据探针12a的大气数据探针的探头。因此，探头64形成诸如皮托静压探针的大气数据探针的主体。压力传感器66是气动压力传感器。静压端口68是位于探头64一侧的开口。静压端口68各自从探头64的内表面70延伸到探头64的外表面72。静压端口68与外部气流A流体连通，并垂直于外部气流A。探头64可以包括任意数量的静压端口68。探头64的内表面70限定了探头64内的通道74。通道74从探头64的第一端穿过该探头64延伸到探头64的第二端。探头64的外表面72与内表面70相对，并暴露于外部气流A。通道74可以是皮托通道。压力传感器66均齐平安装在探头64的静压端口68内并密封到探头64的静压端口68，使得每个压力传感器66的一端与外表面72齐平。这样，压力传感器66的位于该压力传感器66的第一端的膜片76暴露于外部气流A。膜片36由蓝宝石或能够承受恶劣环境的任何其它适当的材料制成。每个膜片76的外表面与外表面72齐平。光纤78位于压力传感器66的第二端，并连接到膜片76。光纤78穿过探头64延伸到飞行器内的部件。空腔79是形成在压力传感器66内并由膜片76限定的压力空腔。压力传感器66可以是光纤压力传感器，并且可以利用法布里-珀罗(Fabry-Perot)干涉仪或光纤布拉格(Bragg)光栅。压力传感器66可以是任何其它适当的光纤压力传感器。
压力传感器66测量静压端口68处的外部气流A的压力。压力传感器66的膜片76上的外部气流A的压力被测量并通过光纤78传送到飞行计算机。例如，当压力传感器66利用法布里-珀罗干涉仪执行压力测量时，膜片76所限定的压力腔79的任一侧的表面产生光的部分反射，并且通过光纤78收集它们的相互干涉。监测干涉信号以提供压力测量。例如，当压力传感器66利用光纤布拉格光栅进行压力测量时，光纤78中的光纤布拉格光栅连接到膜片76的一侧，以将指示膜片76运动的应变从膜片76传送到光纤78，以提供压力测量。这种压力测量用于生成与飞行器飞行条件相关的大气数据参数。
传统的大气数据探针具有远离静压端口的压力传感器，这需要气动导管来使所采样的空气按路径穿过大气数据探针，并且也可能穿过飞行器而传送到压力传感器。将压力传感器66放置在期望压力的位置，从而不需要气动导管和诸如隔板的其它部件。因此，避免了气动滞后，降低了加热大气数据探针的功率要求，简化了制造，消除了冰和湿气的摄入，并且防止了静压端口的堵塞或阻塞以及因静压端口的边缘几何形状所引起的误差。
图6示出了安装在诸如大气数据探针12a-12n的大气数据探针的端口内的压力传感器。图6示出了作为齐平静压板的大气数据探针80。
图6
图6是具有压力传感器82的大气数据探针80的局部截面示意图。大气数据探针80包括主体83，该主体包括端口84、内表面86和外表面88。压力传感器82包括膜片90、光纤92和空腔93。
大气数据探针80是齐平静压板，或者包括端口的任何其它的大气数据探针12a-12n。压力传感器82是气动压力传感器。大气数据探针80具有主体83。端口84是从主体83的内表面86延伸到主体83的外表面88的开口。主体83的外表面88与内表面86相对，并暴露于外部气流A。这样，端口84与外部气流A流体连通。端口84是静压端口。端口84垂直于外部气流A。主体83可以包括任意数量的端口84。压力传感器82齐平安装在端口84内并密封到端口84，使得压力传感器82的一端与端口84的一端齐平。这样，压力传感器82的位于该压力传感器82的第一端的膜片90暴露于外部气流A。膜片90由蓝宝石或能够承受恶劣环境的任何其它适当的材料制成。每个膜片90的外表面与外表面88齐平。光纤92位于压力传感器82的第二端，并连接到膜片90。光纤92延伸到飞行器内的部件。空腔93是形成在压力传感器82内并由膜片90限定的压力空腔。压力传感器82可以是光纤压力传感器，并可以利用法布里-珀罗(Fabry-Perot)干涉仪或光纤布拉格(Bragg)光栅。压力传感器82可以是任何其它适当的光纤压力传感器。
压力传感器82测量端口84处的外部气流A的压力。压力传感器82的膜片90上的外部气流A的压力被测量并通过光纤92传送到飞行计算机。例如，当压力传感器82利用法布里-珀罗干涉仪执行压力测量时，膜片90所限定的压力腔93的任一侧的表面产生光的部分反射，并且通过光纤92收集它们的相互干涉。监测干涉信号以提供压力测量。例如，当压力传感器82利用光纤布拉格光栅进行压力测量时，光纤92中的光纤布拉格光栅连接到膜片90的一侧，以将指示膜片90运动的应变从膜片90传送到光纤92，以提供压力测量。这种压力测量用于生成与飞行器飞行条件相关的大气数据参数。
传统的大气数据探针具有远离端口的压力传感器，这需要气动导管来使所采样的空气按路径穿过大气数据探针，并且可能穿过飞行器而传送到压力传感器。将压力传感器82放置在期望压力的位置，从而不需要气动导管和诸如隔板的其它部件。因此，避免了气动滞后，降低了加热大气数据探针的功率要求，简化了制造，消除了冰和湿气的摄入，并且防止了端口的堵塞或阻塞以及因端口的边缘几何形状所引起的误差。
大气数据探针可以包括任意数量的压力传感器，包括压力传感器28、44、66和82。虽然已经参考光纤压力传感器(包括膜片和光纤)描述了压力传感器，但是诸如MEMS压力传感器(包括代替光纤的电线)的任何适当的压力传感器都可以安装在端口内以实现上面列出的益处。然而，使用光纤的光纤压力传感器具有额外的优点，即(1)比使用电线的压力传感器承受更高的温度，以及(2)消除了可能与使用电线的压力传感器相关联的诸如电磁干扰和绝缘电阻的电气问题或顾虑。
可行实施方案讨论
以下是对本发明的可能的实施方案的非排他性描述。
一种大气数据探针包括探头、探头内与外部气流流体连通的端口以及安装在端口内的气动压力传感器。
另外地和/或可选地，前述段落中的大气数据探针可选择性地包括以下特征、构造和/或附加部件中的任意一个或多个：
气动压力传感器齐平安装在端口内。
该端口是静压端口。
该端口是皮托端口。
该端口是皮托端口，并且气动压力传感器安装在挡水板的下游。
气动压力传感器是光纤压力传感器。
光纤压力传感器利用光纤布拉格光栅进行压力测量。
光纤压力传感器利用法布里-珀罗干涉仪进行压力测量。
气动压力传感器包括膜片和连接到该膜片的光纤，使得光纤延伸穿过探头。
膜片由蓝宝石制成。
一种大气数据探针包括主体、主体内与外部气流流体连通的端口以及安装在端口内的光纤压力传感器。
另外地和/或可选地，前述段落中的大气数据探针可选择性地包括以下特征、构造和/或附加部件中的任意一个或多个：
大气数据探针是齐平静压板。
光纤压力传感器齐平安装在端口内。
该端口是静压端口。
该端口是皮托端口。
该主体是探头。
该端口是皮托端口，并且光纤压力传感器安装在挡水板的下游。
光纤压力传感器利用光纤布拉格光栅进行压力测量。
光纤压力传感器利用法布里-珀罗干涉仪进行压力测量。
光纤压力传感器包括膜片和连接到该膜片的光纤，其中膜片由蓝宝石制成。
虽然已经参考(多个)示例性实施方案描述了本发明，但本领域技术人员应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可进行各种改变并可用等效物替代本发明的元件。另外，在不脱离本发明的基本范围的情况下，可以进行许多修改以使特定情况或材料适于本发明的教导。因此，目的在于本发明不限于所公开的(多个)特定实施方案，而是本发明将包括落入所附权利要求范围内的所有实施方案。

Claims (20)

1.一种大气数据探针，其包括：
探头；
端口，其位于所述探头内，与外部气流流体连通；以及
气动压力传感器，其安装在所述端口内。
2.根据权利要求1所述的大气数据探针，其中所述气动压力传感器齐平安装在所述端口内。
3.根据权利要求1所述的大气数据探针，其中所述端口是静压端口。
4.根据权利要求1所述的大气数据探针，其中所述端口是皮托端口。
5.根据权利要求1所述的大气数据探针，其中所述端口是皮托端口，并且所述气动压力传感器安装在挡水板的下游。
6.根据权利要求1所述的大气数据探针，其中所述气动压力传感器是光纤压力传感器。
7.根据权利要求6所述的大气数据探针，其中所述光纤压力传感器利用光纤布拉格光栅来进行压力测量。
8.根据权利要求6所述的大气数据探针，其中所述光纤压力传感器利用法布里-珀罗干涉仪来进行压力测量。
9.根据权利要求1所述的大气数据探针，其中所述气动压力传感器包括膜片和连接到所述膜片的光纤，使得所述光纤延伸穿过所述探头。
10.根据权利要求9所述的大气数据探针，其中所述膜片由蓝宝石制成。
11.一种大气数据探针，其包括：
主体；
端口，其位于所述主体内，与外部气流流体连通；以及
光纤压力传感器，其安装在所述端口内。
12.根据权利要求11所述的大气数据探针，其中所述大气数据探针是齐平静压板。
13.根据权利要求11所述的大气数据探针，其中所述光纤压力传感器齐平安装在所述端口内。
14.根据权利要求11所述的大气数据探针，其中所述端口是静压端口。
15.根据权利要求11所述的大气数据探针，其中所述端口是皮托端口。
16.根据权利要求11所述的大气数据探针，其中所述主体是探头。
17.根据权利要求11所述的大气数据探针，其中所述端口是皮托端口，并且所述光纤压力传感器安装在挡水板的下游。
18.根据权利要求11所述的大气数据探针，其中所述光纤压力传感器利用光纤布拉格光栅来进行压力测量。
19.根据权利要求11所述的大气数据探针，其中所述光纤压力传感器利用法布里-珀罗干涉仪来进行压力测量。
20.根据权利要求11所述的大气数据探针，其中所述光纤压力传感器包括膜片和连接到所述膜片的光纤，其中所述膜片由蓝宝石制成。
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