CN113156159B - 一种应用于飞行器的无空速管的空速计 - Google Patents
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Abstract
本发明属于流体检测技术领域，具体为一种应用于飞行器的无空速管的空速计。本发明空速计包括风速计传感器（温度传感器）和功率放大器，风速计传感器电路包括谐振网络和交叉耦合的晶体管，功率放大器电路包括输入匹配、中间级匹配和输出匹配。本发明可用于飞行器的空速计，相比于传统空速管空速计，本发明提出的空速计无需使用空速管，并且所占空间很小，结合外接无源天线，可以直接传输空速信号，同时又能保证空速测量的精度。
Description
技术领域
本发明属于流体检测技术领域，具体涉及一种应用于飞行器的无空速管的空速计。
背景技术
空速是飞行器空气动力的必要参数，也是飞行器航程推算的重要依据。
一种测量空速的方法是通过收发声波脉冲的方法来实现直接测量，基于多普勒频移原理。但当飞行高度超过5km时，随着空气密度的下降，收发声波脉冲将受到传播介质的限制，精度将严重降低。
当今主流的测量空速的方法是空速管。与多普勒原理不同，它基于流体力学的方法。空速管（也称作皮托管）是一种重要的大气数据传感器，通过探测飞行器在飞行条件下周围大气环境的静压和总压。进而将测量的压强数据转化成转换成飞行器的飞行马赫数、气压高度以及升降速度等飞行参数信息。但飞行器在亚声速或超声速飞行时，空气因受机体的扰动作用，在其周围形成了一个飞行器绕流场，影响空速管的测量精度；同时，在空速低于40km/h时，由于压差不明显，空速管测量精度将有所下降；另外，空速管越长，探测到的静压就越接近真实的大气静压，但越长的空速管就越难保证其刚度要求，而且还会遮盖飞行员对地的一部分重要视场，在精度和尺寸上难以做出取舍。
若不利用空速管作为压力传感方式，则有转轮式，压力式，热式等。转轮式利用空气气流的能量驱动一个螺旋桨或风轮，通过对螺旋桨或风轮速度的测量得到空速大小，但其在低风速情况下机械系统爬行现象严重，启动风速大，可靠性差，不利于低风速测量；压力式的敏感元件是压力传感器。通过对全压、静压的测量，可以解算出空速。但在低风速下，输出信号微弱，灵敏度不高，精度差。
本发明所设计的空速计为热式改进性，它既可以满足精度需求，在尺寸上也大大小于空速管。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提供一种测量精度高、体积小的应用于飞行器的无空速管的空速计。
本发明提供的应用于飞行器的无空速管的空速计，其电路结构参见图1所示，包括：风速计传感器（即温度传感器）和功率放大器，其中：
所述风速计传感器，包含LC谐振网络和CMOS晶体管构成的负电阻；具体地，包括两个片上无源电感L1与L2，16个NMOS管M1-M16。两个电感一端共接电源电压VDD，另一端与两个不同的NMOS管栅极相连，这两个NMOS管源极相连，漏极共接偏置电压，从而组成一个电容；这样由两个NMOS管组成的电容一共有七个，它们以并联的方式连接，从而组成电容阵列；上述两个电感L1与L2，以及14个电容组成耦合网络；最后两个NMOS管交叉耦合，即一NMOS的漏极与另一个NMOS的栅极相连，同时两个源极共接地；参见图2所示。
所述功率放大器，包括三级功率放大器，以及在放大器的输入、输出端与各个级联的放大器之间的一共四个变压器匹配网络；所述匹配网络由并联电容和四个片上无源电感组成。（各级）放大器部分由一组两个NMOS差分对管和两个电容组成，电容由两个NMOS晶体管各自漏极交叉连接到另一晶体管的体端；放大器的晶体管栅压直流偏压由前一级的匹配网络的变压器的次级线圈的抽头处引入；信号从风速计传感器输出后，进行功率放大，以便于以电磁信号在空间中进行无线传播，从而传输给远程信息处理端进行进一步的处理分析。参见图3所示。
本发明提供的一种应用于飞行器的无空速管的空速计，其原理为：芯片在环境中的温度由芯片表面流体流速直接决定，随着风速的变化，芯片的温度也发生相应变化，从而使得芯片内的电容值发生变化，不同的电容值可以使风速计传感器输出不同频率的信号，将芯片区域温度变化对CMOS电容阵列的容值大小的影响转换为输出信号的频率，因此，风速信息都包含在信号频率中。
附图说明
图1为应用于飞行器的无空速管的空速计结构示意图。
图2为风速计传感器电原理图。
图3为功率放大器电原理图。
具体实施方式
下面结合附图对所发明的应用于飞行器的无空速管的空速计做进一步说明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，在图中可能未表示出某些公知的部分。
在下文中描述了本发明的许多特定的细节，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。
图1示出根据现有技术的应用于飞行器的无空速管的空速计的示意图。
如图1所示，电路结构包括如下模块：风速计传感器101，功率放大器102，风速经过风速计传感器101后，转化为频率信号，之后经过功率放大器后输出放大的频率信号。
图2为风速计传感器（温度传感器）的电原理图。
如图2所示，风速计传感器包括两个片上无源电感L1与L2，16个NMOS管M1-M16。两个电感一端共接电源电压VDD，另一端与两个不同的NMOS管栅极相连，这两个NMOS管源极相连，漏极共接偏置电压，从而组成一个电容对，例如M15与M16，即组成一个电容对。这样由两个NMOS管组成的电容一共有七个，从M16,M15电容对到M2,M1电容对。它们以并联的方式连接，从而组成电容阵列，电感电容组成耦合网络，电路有两个交叉耦合的NMOS管，即NMOS的漏极与另一个NMOS的栅极相连，同时两个源极共接地。芯片在环境中的温度由芯片表面流体流速直接决定，随着风速的变化，芯片的温度也发生相应变化，从而使得芯片内的电容值发生变化，不同的电容值可以使风速计传感器输出不同频率的信号，将芯片区域温度变化对CMOS电容阵列的容值大小的影响转换为输出信号的频率，因此，风速信息都包含在信号频率中。
图3为功率放大器的电原理图。
如图3所示，功率放大器对风速计传感器输出的信号进行功率放大便于以电磁信号在空间中进行无线传播，从而传输给远程信息处理端进行进一步的处理分析。其包括三级功率放大器和输入、输出端与各个级联的放大器之间一共四个变压器匹配网络。匹配网络由并联电容C1、C4、C7、C10和四个片上无源电感K1、K2、K3、K4组成。放大器部分由一对差分相连的晶体管M1-M6对和各自漏极交叉连接到对管体端的电容C2和C3、C5和C6、C8和C9组成。
在本文中，术语"包括"、"包含"或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得所述包括的一系列要素（如过程、方法、物品或者设备）不仅包括那些要素，还包括没有明确列出的其他要素。在没有更多限制的情况下，由语句"包括一个……"限定的要素，并不排除在包括所述要素外还存在另外的相同要素。
本发明中，实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。根据以上描述，可作很多的变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (3)
1.一种应用于飞行器的无空速管的空速计，其特征在于，包括：风速计传感器和功率放大器，其中：
所述风速计传感器，包括两个片上无源电感L1与L2，16个NMOS管M1-M16；两个电感L1与L2的一端共接电源电压VDD，另一端与两个不同的NMOS管栅极相连，这两个NMOS管源极相连，漏极共接偏置电压，从而组成一个电容；这样由两个NMOS管组成的电容一共有七个，它们以并联的方式连接，从而组成电容阵列；上述两个电感L1与L2，以及七个电容组成耦合网络；最后两个NMOS管交叉耦合，即一NMOS的漏极与另一个NMOS的栅极相连，同时两个源极共接地；
所述功率放大器，包括三级功率放大器，以及在放大器的输入、输出端与各个级联的放大器之间的一共四个变压器匹配网络；所述匹配网络由并联电容和四个片上无源电感组成；放大器部分由一组两个NMOS差分对管和两个电容组成，电容由两个NMOS晶体管各自漏极交叉连接到另一晶体管的体端；放大器的晶体管栅压直流偏压由前一级的匹配网络的变压器的次级线圈的抽头处引入；信号从风速计传感器输出后，进行功率放大，以便于以电磁信号在空间中进行无线传播，从而传输给远程信息处理端进行进一步的处理分析。
2.根据权利要求1所述的应用于飞行器的无空速管的空速计，其特征在于，其工作流程为：风速计传感器芯片在环境中的温度由芯片表面流体流速直接决定，随着风速的变化，芯片的温度也发生相应变化，从而使得芯片内的电容值发生变化，不同的电容值使风速计传感器输出不同频率的信号，将芯片区域温度变化对CMOS电容阵列的容值大小的影响转换为输出信号的频率。
3.根据权利要求1所述的应用于飞行器的无空速管的空速计，其特征在于，所述晶体管均为场效应晶体管。
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