CN115507995A - 倒立摆式双分量气流壁面摩擦阻力传感器 - Google Patents

倒立摆式双分量气流壁面摩擦阻力传感器 Download PDF

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CN115507995A CN202211244112.2A CN202211244112A CN115507995A CN 115507995 A CN115507995 A CN 115507995A CN 202211244112 A CN202211244112 A CN 202211244112A CN 115507995 A CN115507995 A CN 115507995A
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Abstract

提供一种倒立摆式双分量气流壁面摩擦阻力传感器，其特征在于，包括非金属外壳(10)、倒立摆(20)、感应电极(30)、电磁铁(40)、永磁环(50)和金属底座(60)。以及该传感器的测量方法。还提供一种倒立摆式双分量气流壁面摩擦阻力传感器控制系统，及由其获得的基于差分电压信号的倒立摆平衡控制方法。本发明传感器适用范围广，对于低速流动和高速流动中均适用；可实现双分量测量；频响高；成本低；测量流程简单，具有很高的实用推广价值。

Description

倒立摆式双分量气流壁面摩擦阻力传感器
技术领域
本发明涉及壁面摩擦阻力传感领域，尤其是一种将微型倒立摆结构和磁力自适应闭环控制结合起来用于双分量气流壁面摩擦阻力测量的传感器。
背景技术
在航空航天领域，壁面摩擦阻力诊断对于飞行器的研发具有重要意义。壁面摩擦阻力反映近壁边界层的状态(层流或者湍流)，决定飞行器的巡航性能，还影响高速飞行器的结构热载荷。现有的壁面摩擦阻力测量方法大致可以分为三类。一是基于近壁速度型的测量方法，依据的物理原理是牛顿粘性定律，采用的主要实验设备有热线、显微PIV和激光多普勒风速仪LDA等(CN105004466A，一种高精度非接触气动摩擦阻力测量方法及测量装置，潘翀、王建杰、申俊琦、王晋军、李志波、李磊)。该方法测量效率较低，一个包含数10个数据点的近壁速度剖面却只能推算出一个摩擦阻力分量值。对于三维机翼流动来说，壁面摩擦阻力存在两个分量，需要布置两个速度测量截面才能得到一个空间位置的总壁面摩擦阻力。此外，受速度测量空间分辨率的限制，在高速、高雷诺数流动中很难得到近壁面粘性底层区域的速度分布(粘性底层厚度量级：1-10um)。因此，基于速度型的测量装置只能适用于低速准二维流动的摩擦阻力测量。第二类摩擦阻力测量装置是MEMS微机电系统(CN108467007A，一种基于视觉对准的MEMS摩阻传感器制作方法，王雄、徐晓斌、朱涛、高扬、陈立国、王南天、邱华诚、史云龙)。该系统与壁面齐平安装，通过将悬浮微平台的位移信号转化为天平的应变信号或者电容信号，来得到壁面摩擦阻力。相比于速度型测量，该方法具有测量效率高，动态特性好的优点。但是，MEMS摩擦阻力传感器需要复杂制备工艺，成本极高。表面的微沟槽特征很容易被气流中的灰尘堵塞，因此，只能适用于干净气流环境中的测量。第三类摩擦阻力测量装置依据的是油膜干涉原理(CN 108007668 A，一种后掠翼三维边界层摩擦阻力测量装置及测量方法)。该装置由单色光源、相机等组成，通过将油膜厚度变化转化为干涉条纹间距，该装置能够实现整个飞行器模型表面的多点同时测量。该方法存在的主要问题是测量准备时间长、精度差，不能够对同一空间位置的动态摩擦阻力变化进行诊断。
发明内容
本发明提出一种倒立摆式双分量气流壁面摩擦阻力传感器，包括非金属外壳10、倒立摆20、感应电极30、电磁铁40、永磁环50和金属底座60；其中
非金属外壳10整体呈阶梯圆柱状，下粗上细，为两级圆柱结构；非金属外壳10为中空结构，内部包括两个相互连接的腔体：位于上部的细长形圆柱腔103和位于下部的方腔104，其高度和位置分别对应上半部分圆柱和下半部分圆柱；细长形圆柱腔103和位于下部的方腔104的轴线均与非金属外壳10的轴线重合；方腔104为长方体结构，其高度由非金属外壳10下半部分圆柱的高度决定；在下半部分圆柱外壁面设置四个螺纹孔101和四个电磁铁安装孔102，分别用于感应电极30和电磁铁40的装配；螺纹孔101沿下半部分圆柱外壁面周向均匀分布，相邻孔位夹角90度；电磁铁安装孔102同样沿下半部分圆柱外壁面周向均匀分布，夹角90度；每个螺纹孔101在相应电磁铁安装孔102的正上方，因此可以将四个螺纹孔101和四个电磁铁安装孔102分为四组，孔的深度由下半部分圆柱外壁面垂直贯穿至方腔104的内壁面；
倒立摆20整体呈长钉状，由导电材料制成，包括圆顶201、支撑圆柱体204、受力感应区202和支撑尖锥203；圆顶201为倒立摆20顶部的一个倒置圆台，上表面圆的直径大于下表面圆的直径；圆顶201上表面直径略小于圆柱腔103的直径，保证嵌套后两者之间的缝隙存在；过大的缝隙将会导致测量过程中气体从缝隙流入传感器内部，引起倒立摆20左右压力不均衡，增大测量误差；支撑圆柱体204与圆顶201固定连接并位于其下；受力感应区202为长方体结构，与支撑圆柱体204固定连接并位于其下；支撑尖锥203为四棱锥体结构，与受力感应区202固定连接并位于其下；圆顶201、支撑圆柱体204、受力感应区202和支撑尖锥203在竖直方向上的轴线与非金属外壳10的轴线重合；圆顶201的圆台横截面积自上而下急剧收缩；受力感应区202上半部分四个侧面与四个感应电极30位置相对；受力感应区202的下半部分嵌套了方形永磁环50，也就是受力感应区202的下半部分被紧嵌套到永磁环50内；永磁环50为方形围墙结构，其水平截面为方形环，永磁环50的内环边长与受力感应区202的侧面边长相等，当受力感应区202下半部分插入永磁环50内，二者之间为紧配合结构；永磁环50的垂向安装位置应与电磁铁安装孔103等高，使得永磁环50和四个电磁铁40位置对应；支撑尖锥203呈倒立的金字塔形，即倒置的四棱锥，四棱锥底面边长与受力感应区202底面边长一致；感应电极30呈阶梯圆柱型，包括细长圆柱和短粗圆柱两部分，二者轴线重合；在感应电极30的细长圆柱表面刻有螺纹，感应电极30与外壳10之间通过螺纹孔101装配在一起；电磁铁40呈圆柱型，由铁芯和螺旋导电线圈组成；将电磁铁40固定在圆柱型的电磁铁安装孔102内部，其插入部分的内部端面距永磁环50保持一定距离；金属底座60整体呈薄圆片状，包括凸台601和位于其下的圆柱底座603两部分；圆柱底座603直径与外壳10下半圆柱的直径相同；凸台601的边长与方腔104的边长相同，通过将凸台601自下而上嵌入方腔104，使金属底座60与外壳10紧密配合在一起；此外，在凸台601的中心处，设置一个圆锥形的凹坑602；凹坑602底部锥角的角度大于支撑尖锥203的锥角角度；传感器装配完成后，凹坑602的顶点与尖锥203的顶点相接触，形成倒立摆20的运动支点。
在本发明的一个实施例中，非金属外壳10的总高度为30-40mm，上半部分圆柱的直径范围为4-8mm，下半部分圆柱的直径范围为10-20mm；
上下部分圆柱的高度为15-20mm；
方腔104底面为正方形或长方形，最大边长为10-12mm；
螺纹孔101孔径为1.5-3mm；
电磁铁安装孔102孔径为2-4mm。
在本发明的一个具体实施例中，圆顶201与圆柱腔103的缝隙小于0.1mm，圆顶201自上而下的收缩角大于120度。
在本发明的另一个实施例中，支撑尖锥203高度范围为5-10mm，塔顶全锥角范围为30-60度。
在本发明的另一个具体实施例中，感应电极30在螺纹孔101中的旋进距离不小于5mm，传感器装配后受力感应区202的四个侧面与感应电极30端面之间的距离小于1mm。
在本发明的又一个实施例中，金属底座60厚度范围为2-4mm；凹坑602的深度范围为1-2mm，底部锥角的角度范围为90-120度。
在本发明的又一个具体实施例中，
非金属外壳10的上半部分圆柱的直径范围为6mm，下半部分圆柱的直径范围为16mm；
上下部分圆柱的高度相等；
方腔104底面为正方形，正方形边长为10mm；
圆柱腔103的侧壁面厚度不小于1mm，方腔104开孔位置处的壁面厚度不小于3mm；
螺纹孔101孔径为2mm，数量为4个，相邻孔位夹角90度；
电磁铁安装孔102孔径下限2mm，数量为4个，夹角90度；
永磁环50的高度为3mm，厚度为1mm；
电磁铁40插入电磁铁安装孔102内部部分的内部端面距永磁环50的距离为1mm；
金属底座60厚度为2mm；凸台601和圆柱底座603一体化形成；凹坑602的深度为1mm，底部锥角的角度为90度。
还提供一种倒立摆式双分量气流壁面摩擦阻力传感器的测量方法，具体为：
对于二维平板边界层流动而言：
传感器顶部与壁面70平齐安装，在理想二维情况下，倒立摆20在垂直于平面方向上不受力，因此可以只使用两个电磁铁便可保持倒立摆的平衡，假定左侧为L1，右侧为L2；当平板表面边界层从左至右流过倒立摆20的圆顶时，由于粘性摩擦作用，会对倒立摆20的圆顶产生一个向右的摩擦阻力Ff；在该摩擦阻力的作用下，倒立摆20偏离中心位置，开始向右侧倾斜；为使倒立摆恢复到中立状态，需要通过自动控制系统增大右侧电磁铁L2的排斥力F2，同时减小左侧电磁铁L1的排斥力F1；当重新达到受力平衡时，所有力关于倒立摆20运动支点的力矩应等于0，用公式表示如下：
Ff·(s1+s2)+(F1-F2)·s2＝0 (1)
其中，s1和s2分别表示电磁铁中心与壁面和支点之间的垂直距离；进一步简化，得到摩擦阻力的表达式如下：
Figure BSA0000286038310000051
因为电磁铁40对磁环50的作用力与施加在电磁铁两端的直流电压呈正比，因此可将磁力F1和F2写成L1和L2两端电压的线性表达式，即
Figure BSA0000286038310000052
其中，k为比例系数；Ude和Ufg分别表示电磁铁L1和L2两端的电压；将公式(3)代入公式(2)中，得到摩擦阻力与平衡状态下电磁铁供电电压的关系：
Figure BSA0000286038310000053
此外，还提供一种倒立摆式双分量气流壁面摩擦阻力传感器控制系统，该系统电气连接如下：直流电源的正极接左侧感应电极引出的端子a，负极接右侧感应电极引出的端子c；从金属底座上引出端子b，该端子通过指支点这一电气触点与倒立摆20相连；由于感应电极30和倒立摆20均为金属材料、且两者之间有一定的空气间隙，因此，端子a和b之间可以等效为一个电容，电容值Cab的大小与气体间隙呈反比；同理，端子c和b之间也可以等效为一个电容，电容值Cbc的大小与倒立摆20和右侧感应电极之间的气体间隙呈反比；直流电源的正极和负极之间还串联了两个电阻R1和R2；这两个电阻阻值相等，目的是在中点h处提供一个1/2倍的直流电源参考电压。
另外，还提供一种基于差分电压信号的倒立摆平衡控制方法，具体为：
基于公式(4)
Figure BSA0000286038310000061
当倒立摆20严格处于中立位置时，受力感应区202与左侧感应电极和右侧感应电极之间的距离相等，因此，电容Cab＝Cbc，端子b和h之间的电压差Ubh为0；当倒立摆受到摩擦阻力作用而向右偏离平衡位置时，右侧气体间隙变小，电容值增大；左侧气体间隙变大，电容值减小，即Cab＜Cbc；由电容分压原理知，此时端子b的电压高压直流电源电压的一半，Ubh＞0；该电压差值作为自动控制系统的输入信号，进入到PID控制器内部，PID控制器输出一个控制电压Uo；基于该电压Uo和基准无摩擦阻力状态下的电磁铁两端电压输出U1，即可得到电磁铁L1和L2的实时供电电压，如下式：
Figure BSA0000286038310000062
其中Ude、Ufg分别为左侧和右侧两个电磁铁的供电电压，即端子d、e之间的输入电压和端子f、g之间的输入电压；
由于自动控制系统增大了右侧电磁铁L2的供电电压、减小了左侧电磁铁L1的供电电压，因此，右侧的排斥力F2增大，左侧的排斥力F1减小，倒立摆20向左摆动、逐渐恢复到中立位置；到达中立位置后，自动控制系统的输入电压Ubh为0，控制系统的输出电压Uo与倒立摆20圆顶所受的摩擦阻力呈正比；将公式(5)代入公式(3)得：
Figure BSA0000286038310000071
本发明能够解决传统摩擦阻力测量系统复杂、成本高、只能测量单一摩擦阻力分量的缺点。此外，所发明的传感器在测量效率、动态特性也有优势，适用范围宽广，既能应用于低速流动、也能应用于高速流动。
附图说明
图1示出摩擦阻力传感器，其中图1(a)示出组装图，图1(b)示出爆炸图，图1(c)示出中心剖视图；
图2示出外壳10，其中图2(a)示出中心剖视图，图2(b)示出三维视图，图2(c)示出透视图；
图3示出金属底座60，其中图3(a)示出三维视图，图3(b)示出中心剖视图；
图4示出传感器受力平衡分析图；
图5示出传感器接线端子，其中图5(a)示出传感器接线端子的结构标注图，图5(b)示出电气连接图；
图6示出倒立摆自动平衡控制框图。
附图标注说明：
10非金属外壳 101螺纹孔 102电磁铁安装孔 103圆柱腔 104方腔
20倒立摆 201圆顶 202受力感应区 203支撑尖锥
30感应电极
40电磁铁
50永磁环
60金属底座 601凸台 602凹坑
70壁面
具体实施方式
下面结合附图详细描述本发明。
如图1-3所示，所发明的倒立摆式双分量气流壁面摩擦阻力传感器由非金属外壳10、倒立摆20、感应电极30、电磁铁40、永磁环50和金属底座60组成。
非金属外壳10可由尼龙、电木或者陶瓷等绝缘材料制成，整体呈阶梯圆柱状，下粗上细，为两级圆柱结构。非金属外壳10的总高度约为30-40mm，上半部分圆柱的直径范围为4-8mm(优选6mm)，下半部分圆柱的直径范围为10-20mm(优选：16mm)。在本发明的一个实施例中，上下部分圆柱的高度大致相等，均为非金属外壳10总高度的一半，即15-20mm(优选20mm)。非金属外壳10为中空结构，内部包括两个相互连接的腔体：位于上部的细长形圆柱腔103和位于下部的方腔104，其高度和位置分别对应上半部分圆柱和下半部分圆柱；细长形圆柱腔103和位于下部的方腔104的轴线均与非金属外壳10的轴线重合。方腔104为长方体结构，主要作用是提供永磁环50的安装空间。方腔104底面可为正方形或长方形，优选正方形，在本发明一个实施例中，正方形边长为10-12mm(优选10mm)，高度由非金属外壳10下半部分圆柱的高度决定。
从结构强度角度考虑，圆柱腔103的侧壁面厚度不小于1mm，方腔104开孔位置处的壁面厚度不小于3mm。在下半部分圆柱外壁面设置四个螺纹孔101和四个电磁铁安装孔102，分别用于感应电极30和电磁铁40的装配。四个螺纹孔101沿下半部分圆柱外壁面周向均匀分布，其孔径为1.5-3mm(优选2mm)，相邻孔位夹角90度。四个电磁铁安装孔102同样沿下半部分圆柱外壁面周向均匀分布，孔径为2-4mm(出于整体尺寸紧凑考虑，优选下限2mm)，夹角90度。每个螺纹孔101在相应电磁铁安装孔102的正上方，因此可以将四个螺纹孔101和四个电磁铁安装孔102分为四组，孔的深度由下半部分圆柱外壁面垂直贯穿至方腔104的内壁面。
倒立摆20整体呈长钉状，由导电的金属材料(如钢、铁、铜、铝)制成，优选密度小、结构强度高的铝合金材料。倒立摆20包括圆顶201、支撑圆柱体204、受力感应区202和支撑尖锥203。圆顶201为倒立摆20顶部的一个倒置圆台，上表面圆的直径大于下表面圆的直径。同时，为保证倒立摆20在直立状态下不接触外壳10，圆顶201上表面直径应略小于圆柱腔103的直径，保证嵌套后两者之间的缝隙存在但控制在0.1mm以下。过大的缝隙将会导致测量过程中气体从缝隙流入传感器内部，引起倒立摆20左右压力不均衡，增大测量误差。支撑圆柱体204与圆顶201固定连接并位于其下。受力感应区202为长方体结构，与支撑圆柱体204固定连接并位于其下。支撑尖锥203为四棱锥体结构，与受力感应区202固定连接并位于其下。圆顶201、支撑圆柱体204、受力感应区202和支撑尖锥203在竖直方向上的轴线与非金属外壳10的轴线重合。圆顶201的圆台横截面积自上而下急剧收缩，收缩角大于120度。这种锥形设计，一方面可以增大气流通过倒立摆20顶部缝隙的压力损失；另一方面，圆台下部的支撑圆柱体204直径小于圆台下表面圆的直径，倒立摆20的上半部分重量变轻、整体质心下移，提高了倒立过程的稳定性。受力感应区202上半部分四个侧面与四个感应电极30位置相对，通过感应电极的电容的变化来反映倒立摆20的姿态角。受力感应区202的下半部分嵌套了方形永磁环50，也就是受力感应区202的下半部分被紧嵌套到永磁环50内。
永磁环50为方形围墙结构，其水平截面为方形环，该方形环内环的尺寸与受力感应区202下半部分的外部尺寸相适应(即永磁环50的内环边长与受力感应区202的侧面边长相等)，当受力感应区202下半部分插入永磁环50内，二者之间为紧配合结构；永磁环50的高度范围为2-4mm(优选3mm)，厚度范围为1-2mm(优选1mm)。永磁环50的垂向安装位置应与电磁铁安装孔103等高，使得永磁环50和四个电磁铁40位置对应，保证电磁铁40与永磁环50之间的作用力始终沿着水平方向，永磁环50和四个电磁铁40之间的互斥磁力即为倒立摆20失稳后的恢复力。本发明对永磁环50所采用的磁性材料和极性配置不做限制，只要和电磁铁相向时能够产生互斥力即可。
支撑尖锥203呈倒立的金字塔形，即倒置的四棱锥，四棱锥底面(即支撑尖锥203上表面)边长与受力感应区202底面边长一致，支撑尖锥203高度范围为5-10mm，塔顶全锥角范围为30-60度。
感应电极30呈阶梯圆柱型，包括细长圆柱和短粗圆柱两部分，二者轴线重合，整体由金属材料加工而成，材料优选导电性能良好的铜。在感应电极30的细长圆柱表面刻有螺纹，感应电极30与外壳10之间通过螺纹孔101装配在一起。感应电极30在螺纹孔101中的旋进距离应不小于5mm，保证传感器装配后受力感应区202的四个侧面与感应电极30端面之间的距离小于1mm。
电磁铁40呈圆柱型，由铁芯和螺旋导电线圈组成，其具体结构和使用方法为本领域内技术人员所熟知，在此不再赘述。装配过程中，电磁铁40通过热熔胶或者其他类型胶水固定在圆柱型的电磁铁安装孔102内部，其插入部分的内部端面距永磁环50约0.5-2mm(出于结构紧凑角度考虑，优选1mm)。
金属底座60由导电性能好的金属材料制成(优选铜)，整体呈薄圆片状，厚度范围为2-4mm(优选2mm)。金属底座60包括凸台601和位于其下的圆柱底座603两部分，二者一体化形成。圆柱底座603直径与外壳10下半圆柱的直径相同。凸台601的边长与方腔104的边长相同，通过将凸台601自下而上嵌入方腔104，使金属底座60与外壳10紧密配合在一起，起到密封方腔104的作用。此外，在凸台601的中心处，设置一个圆锥形的凹坑602。凹坑602的深度范围为1-2mm(优选1mm)，底部锥角的角度需大于支撑尖锥203的锥角角度，典型范围为90-120度(优选90度)。传感器装配完成后，凹坑602的顶点与尖锥203的顶点相接触，形成倒立摆20的运动支点。
下面从倒立摆的受力平衡分析、电磁铁电气连接方法和典型系统控制框图三个方面介绍本发明提供的倒立摆式双分量气流壁面摩擦阻力传感器的工作原理和测量方法，具体如下。以二维平板边界层流动为例进行说明。
图4为传感器受力平衡分析示意图。传感器顶部与壁面70平齐安装，在理想二维情况下，倒立摆20在垂直于平面方向上不受力，因此可以只使用两个电磁铁便可保持倒立摆的平衡(假定左侧为L1，右侧为L2)。当平板表面边界层从左至右流过倒立摆20的圆顶时，由于粘性摩擦作用，会对倒立摆20的圆顶产生一个向右的摩擦阻力Ff。在该摩擦阻力的作用下，倒立摆20偏离中心位置，开始向右侧倾斜。为了使倒立摆恢复到中立状态，需要通过自动控制系统增大右侧电磁铁L2的排斥力F2，同时减小左侧电磁铁L1的排斥力F1。当重新达到受力平衡时，所有力关于倒立摆20运动支点的力矩应等于0，用公式表示如下：
Ff·(s1+s2)+(F1-F2)·s2＝0 (1)
其中，s1和s2分别表示电磁铁中心与壁面和支点之间的垂直距离。进一步简化，可以得到摩擦阻力的表达式如下：
Figure BSA0000286038310000111
因为电磁铁40对永磁环50的作用力与施加在电磁铁两端的直流电压呈正比，因此磁力F1和F2可以写成L1和L2两端电压的线性表达式，即
Figure BSA0000286038310000112
其中，k为比例系数，与电磁铁线圈绕组的匝数、电阻、磁性材料等有关，可以通过实验校准得到；Ude和Ufg分别表示电磁铁L1和L2两端的电压。将公式(3)代入公式(2)中，可以得到摩擦阻力与平衡状态下电磁铁供电电压的关系：
Figure BSA0000286038310000113
基于公式(4)，本发明提供一种基于差分电压信号的倒立摆平衡控制方法。图5和图6为传感器电气连接图和控制系统框图。直流电源的正极接左侧感应电极引出的端子a，负极接右侧感应电极引出的端子c。从金属底座上引出端子b，该端子通过指支点这一电气触点与倒立摆20相连。由于感应电极30和倒立摆20均为金属材料、且两者之间有一定的空气间隙，因此，端子a和b之间可以等效为一个电容，电容值Cab的大小与气体间隙呈反比。同理，端子c和b之间也可以等效为一个电容，电容值Cbc的大小与倒立摆20和右侧感应电极之间的气体间隙呈反比。直流电源的正极和负极之间还串联了两个电阻R1和R2。这两个电阻阻值相等，目的是在中点h处提供一个1/2倍的直流电源参考电压。如图5中所示，当倒立摆20严格处于中立位置时，受力感应区202与左侧感应电极和右侧感应电极之间的距离相等，因此，电容Cab＝Cbc，端子b和h之间的电压差Ubh为0。
当倒立摆受到图4中摩擦阻力作用而向右偏离平衡位置时，右侧气体间隙变小，电容值增大；左侧气体间隙变大，电容值减小，即Cab＜Cbc。由电容分压原理可知，此时端子b的电压高压直流电源电压的一半，Ubh＞0。该电压差值作为自动控制系统的输入信号，进入到PID控制器内部。经过比例、微分和积分等运算后输出一个控制电压Uo，该技术为本领域技术人员熟知，不再累述。基于该电压Uo和基准无摩擦阻力状态下的电磁铁两端电压输出U1，即可得到电磁铁L1和L2的实时供电电压，如下式：
Figure BSA0000286038310000121
其中Ude、Ufg分别为图5中左侧和右侧两个电磁铁的供电电压，即端子d、e之间的输入电压和端子f、g之间的输入电压。
由于自动控制系统增大了右侧电磁铁L2的供电电压、减小了左侧电磁铁L1的供电电压，因此，右侧的排斥力F2增大，左侧的排斥力F1减小，倒立摆20向左摆动、逐渐恢复到中立位置。到达中立位置后，自动控制系统的输入电压Ubh为0，控制系统的输出电压Uo与倒立摆20圆顶所受的摩擦阻力呈正比。将公式(5)代入公式(3)可得：
Figure BSA0000286038310000122
从以上工作原理和结构描述，不难得出本发明的优点和效果主要有以下几个方面：
1.适用范围广。根据公式(6)，所发明的倒立摆式壁面摩擦阻力传感器测量量程由k，s1和s2决定。对于低速流动，可以通过增大s1、减小电磁铁的匝数、增大电磁铁的绕组内阻等方式来减小测量量程，提高传感器的测力分辨率。在高速流动中，则可以通过相反的方式来提升测量量程。传感器的适用速度范围不受限制。
2.双分量测量。在图4实施案例中，传感器只需要使用两个电磁铁和两个感应电极便可以实现二维气流壁面摩擦阻力的测量。对于三维流动，可以将壁面摩擦阻力分解为两个分量。每个分量的测量过程与原理均与上述实施案例中完全相同。这也是本发明中感应电极40和电磁铁30设置为轴向均匀分布、夹角为90度的原因。
3.频响高。通过PID控制器的参数优化，可以在毫秒量级内将偏离平衡位置后的倒立摆恢复至中立位置。也就是，该传感器的频响能够轻易达到100Hz以上，实现对复杂气流条件下动态摩擦阻力的实时测量。
4.成本低。该传感器的主要部件如电磁铁40、PID控制器等均为成熟产品，其他部件如倒立摆20和金属底座60等加工费用低廉，因此，总体使用成本远远低于MEMS微机电摩擦阻力传感器。
5.测量流程简单。该传感器线性度好，在进行简单的标定后，直接可以通过电压采集换算得到摩擦阻力。基于速度剖面测量和光学干涉原理的摩擦阻力测量装置则需要复杂的光学设备和校准流程。

Claims (10)

1.一种倒立摆式双分量气流壁面摩擦阻力传感器，其特征在于，包括非金属外壳(10)、倒立摆(20)、感应电极(30)、电磁铁(40)、永磁环(50)和金属底座(60)；其中
非金属外壳(10)整体呈阶梯圆柱状，下粗上细，为两级圆柱结构；非金属外壳(10)为中空结构，内部包括两个相互连接的腔体：位于上部的细长形圆柱腔(103)和位于下部的方腔(104)，其高度和位置分别对应上半部分圆柱和下半部分圆柱；细长形圆柱腔(103)和位于下部的方腔(104)的轴线均与非金属外壳(10)的轴线重合；方腔(104)为长方体结构，其高度由非金属外壳(10)下半部分圆柱的高度决定；在下半部分圆柱外壁面设置四个螺纹孔(101)和四个电磁铁安装孔(102)，分别用于感应电极(30)和电磁铁(40)的装配；螺纹孔(101)沿下半部分圆柱外壁面周向均匀分布，相邻孔位夹角90度；电磁铁安装孔(102)同样沿下半部分圆柱外壁面周向均匀分布，夹角90度；每个螺纹孔(101)在相应电磁铁安装孔(102)的正上方，因此可以将四个螺纹孔(101)和四个电磁铁安装孔(102)分为四组，孔的深度由下半部分圆柱外壁面垂直贯穿至方腔(104)的内壁面；
倒立摆(20)整体呈长钉状，由导电材料制成，包括圆顶(201)、支撑圆柱体(204)、受力感应区(202)和支撑尖锥(203)；圆顶(201)为倒立摆(20)顶部的一个倒置圆台，上表面圆的直径大于下表面圆的直径；圆顶(201)上表面直径略小于圆柱腔(103)的直径，保证嵌套后两者之间的缝隙存在；过大的缝隙将会导致测量过程中气体从缝隙流入传感器内部，引起倒立摆(20)左右压力不均衡，增大测量误差；支撑圆柱体(204)与圆顶(201)固定连接并位于其下；受力感应区(202)为长方体结构，与支撑圆柱体(204)固定连接并位于其下；支撑尖锥(203)为四棱锥体结构，与受力感应区(202)固定连接并位于其下；圆顶(201)、支撑圆柱体(204)、受力感应区(202)和支撑尖锥(203)在竖直方向上的轴线与非金属外壳(10)的轴线重合；圆顶(201)的圆台横截面积自上而下急剧收缩；受力感应区(202)上半部分四个侧面与四个感应电极(30)位置相对；受力感应区(202)的下半部分嵌套了方形永磁环(50)，也就是受力感应区(202)的下半部分被紧嵌套到永磁环(50)内；永磁环(50)为方形围墙结构，其水平截面为方形环，永磁环(50)的内环边长与受力感应区(202)的侧面边长相等，当受力感应区(202)下半部分插入永磁环(50)内，二者之间为紧配合结构；永磁环(50)的垂向安装位置应与电磁铁安装孔(103)等高，使得永磁环(50)和四个电磁铁(40)位置对应；
支撑尖锥(203)呈倒立的金字塔形，即倒置的四棱锥，四棱锥底面边长与受力感应区(202)底面边长一致；
感应电极(30)呈阶梯圆柱型，包括细长圆柱和短粗圆柱两部分，二者轴线重合；在感应电极(30)的细长圆柱表面刻有螺纹，感应电极(30)与外壳10之间通过螺纹孔(101)装配在一起；
电磁铁(40)呈圆柱型，由铁芯和螺旋导电线圈组成；将电磁铁(40)固定在圆柱型的电磁铁安装孔(102)内部，其插入部分的内部端面距永磁环(50)保持一定距离；
金属底座(60)整体呈薄圆片状，包括凸台(601)和位于其下的圆柱底座(603)两部分；圆柱底座(603)直径与非金属外壳(10)下半圆柱的直径相同；凸台(601)的边长与方腔(104)的边长相同，通过将凸台(601)自下而上嵌入方腔(104)，使金属底座(60)与非金属外壳(10)紧密配合在一起；此外，在凸台(601)的中心处，设置一个圆锥形的凹坑(602)；凹坑(602)底部锥角的角度大于支撑尖锥(203)的锥角角度；传感器装配完成后，凹坑(602)的顶点与支撑尖锥(203)的顶点相接触，形成倒立摆(20)的运动支点。
2.如权利要求1所述的倒立摆式双分量气流壁面摩擦阻力传感器，其特征在于，非金属外壳(10)的总高度为30-40mm，上半部分圆柱的直径范围为4-8mm，下半部分圆柱的直径范围为10-20mm；
上下部分圆柱的高度为15-20mm；
方腔(104)底面为正方形或长方形，最大边长为10-12mm；
螺纹孔(101)孔径为1.5-3mm；
电磁铁安装孔(102)孔径为2-4mm。
3.如权利要求1所述的倒立摆式双分量气流壁面摩擦阻力传感器，其特征在于，圆顶(201)与圆柱腔(103)的缝隙小于0.1mm，圆顶(201)自上而下的收缩角大于120度。
4.如权利要求1所述的倒立摆式双分量气流壁面摩擦阻力传感器，其特征在于，支撑尖锥(203)高度范围为5-10mm，塔顶全锥角范围为30-60度。
5.如权利要求1所述的倒立摆式双分量气流壁面摩擦阻力传感器，其特征在于，感应电极(30)在螺纹孔(101)中的旋进距离不小于5mm，传感器装配后受力感应区(202)的四个侧面与感应电极(30)端面之间的距离小于1mm。
6.如权利要求1所述的倒立摆式双分量气流壁面摩擦阻力传感器，其特征在于，金属底座(60)厚度范围为2-4mm；凹坑(602)的深度范围为1-2mm，底部锥角的角度范围为90-120度。
7.如权利要求1所述的倒立摆式双分量气流壁面摩擦阻力传感器，其特征在于，
非金属外壳(10)的上半部分圆柱的直径范围为6mm，下半部分圆柱的直径范围为16mm；
上下部分圆柱的高度相等；
方腔(104)底面为正方形，正方形边长为10mm；
圆柱腔(103)的侧壁面厚度不小于1mm，方腔(104)开孔位置处的壁面厚度不小于3mm；
螺纹孔(101)孔径为2mm，数量为4个，相邻孔位夹角90度；
电磁铁安装孔(102)孔径下限2mm，数量为4个，夹角90度；
永磁环(50)的高度为3mm，厚度为1mm；
电磁铁(40)插入电磁铁安装孔(102)内部部分的内部端面距永磁环(50)的距离为1mm；
金属底座(60)厚度为2mm；凸台(601)和圆柱底座(603)一体化形成；凹坑(602)的深度为1mm，底部锥角的角度为90度。
8.倒立摆式双分量气流壁面摩擦阻力传感器的测量方法，其基于如权利要求1至7任一项所述的倒立摆式双分量气流壁面摩擦阻力传感器，其特征在于，
对于二维平板边界层流动而言：
传感器顶部与壁面(70)平齐安装，在理想二维情况下，倒立摆(20)在垂直于平面方向上不受力，因此可以只使用两个电磁铁便可保持倒立摆的平衡，假定左侧为L1，右侧为L2；当平板表面边界层从左至右流过倒立摆(20)的圆顶时，由于粘性摩擦作用，会对倒立摆(20)的圆顶产生一个向右的摩擦阻力Ff；在该摩擦阻力的作用下，倒立摆(20)偏离中心位置，开始向右侧倾斜；为使倒立摆恢复到中立状态，需要通过自动控制系统增大右侧电磁铁L2的排斥力F2，同时减小左侧电磁铁L1的排斥力F1；当重新达到受力平衡时，所有力关于倒立摆(20)运动支点的力矩应等于0，用公式表示如下：
Ff·(s1+s2)+(F1-F2)·s2＝0 (1)
其中，s1和s2分别表示电磁铁中心与壁面和支点之间的垂直距离；进一步简化，得到摩擦阻力的表达式如下：
Figure FSA0000286038300000041
因为电磁铁(40)对永磁环(50)的作用力与施加在电磁铁两端的直流电压呈正比，因此可将磁力F1和F2写成L1和L2两端电压的线性表达式，即
Figure FSA0000286038300000051
其中，k为比例系数；Ude和Ufg分别表示电磁铁L1和L2两端的电压；将公式(3)代入公式(2)中，得到摩擦阻力与平衡状态下电磁铁供电电压的关系：
Figure FSA0000286038300000052
9.一种倒立摆式双分量气流壁面摩擦阻力传感器控制系统，其基于如权利要求1至7任一项所述的倒立摆式双分量气流壁面摩擦阻力传感器，其特征在于，该系统电气连接如下：直流电源的正极接左侧感应电极引出的端子a，负极接右侧感应电极引出的端子c；从金属底座上引出端子b，该端子通过指支点这一电气触点与倒立摆(20)相连；由于感应电极(30)和倒立摆(20)均为金属材料、且两者之间有一定的空气间隙，因此，端子a和b之间可以等效为一个电容，电容值Cab的大小与气体间隙呈反比；同理，端子c和b之间也可以等效为一个电容，电容值Cbc的大小与倒立摆(20)和右侧感应电极之间的气体间隙呈反比；直流电源的正极和负极之间还串联了两个电阻R1和R2；这两个电阻阻值相等，目的是在中点h处提供一个1/2倍的直流电源参考电压。
10.一种基于差分电压信号的倒立摆平衡控制方法，其基于如权利要求9所述的倒立摆式双分量气流壁面摩擦阻力传感器控制系统，其特征在于，
基于公式(4)
Figure FSA0000286038300000053
当倒立摆(20)严格处于中立位置时，受力感应区(202)与左侧感应电极和右侧感应电极之间的距离相等，因此，电容Cab＝Cbc，端子b和h之间的电压差Ubh为0；当倒立摆受到摩擦阻力作用而向右偏离平衡位置时，右侧气体间隙变小，电容值增大；左侧气体间隙变大，电容值减小，即Cab＜Cbc；由电容分压原理知，此时端子b的电压高压直流电源电压的一半，Ubh＞0；该电压差值作为自动控制系统的输入信号，进入到PID控制器内部，PID控制器输出一个控制电压Uo；基于该电压Uo和基准无摩擦阻力状态下的电磁铁两端电压输出U1，即可得到电磁铁L1和L2的实时供电电压，如下式：
Figure FSA0000286038300000061
其中Ude、Ufg分别为左侧和右侧两个电磁铁的供电电压，即端子d、e之间的输入电压和端子f、g之间的输入电压；
由于自动控制系统增大了右侧电磁铁L2的供电电压、减小了左侧电磁铁L1的供电电压，因此，右侧的排斥力F2增大，左侧的排斥力F1减小，倒立摆(20)向左摆动、逐渐恢复到中立位置；到达中立位置后，自动控制系统的输入电压Ubh为0，控制系统的输出电压Uo与倒立摆(20)圆顶所受的摩擦阻力呈正比；将公式(5)代入公式(3)得：
Figure FSA0000286038300000062
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116952446A (zh) * 2023-05-15 2023-10-27 清华大学深圳国际研究生院 一种水下压力传感器及水下压力大小和变化速度测量方法
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