CN117890050A - 一种适用于飞行器的自驱动复合式多源振动传感器 - Google Patents
一种适用于飞行器的自驱动复合式多源振动传感器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及用于与飞机配合或装到飞机上的设备技术领域，尤其涉及一种适用于飞行器的自驱动复合式多源振动传感器，解决单一传感器的准确度不能有效保证或复杂的传感器会增加飞行器的用电负担的技术问题，其包括柔性薄膜、上外壳和下外壳，柔性薄膜包括堆叠的上摩擦介质层、中间间隔层和下摩擦介质层，中间间隔层的两侧设置有相吸附的第一永磁体和第二永磁体；柔性薄膜位于上外壳和下外壳之间。本发明中的四组传感器均随着外部激励的增大可产生更强的输出信号，通过后期算法能够使四组传感器互相校正，提升了长时间振动测量的可靠性；同时，基于四组传感器能实现对外部振动激励信号的自驱动监测，降低飞行器的能耗。
Description
技术领域
本发明涉及用于与飞机配合或装到飞机上的设备技术领域，尤其涉及一种适用于飞行器的自驱动复合式多源振动传感器。
背景技术
飞机颤振是一种常见但复杂的不稳定现象，对飞机安全飞行构成了极大的威胁。机翼在飞行过程中的振动可反应飞行器在飞行时的状态，颤振会导致机翼甚至整个飞行器发生灾难性事故，因此在飞行器的机翼上安装振动传感器，随时监控飞行器的颤振状态是十分有必要的。
目前，公开号为CN114778049A的专利申请公开了一种用于飞机翼面结构的振动测试装置，具体公开了对飞机的翼面结构进行振动模拟测试实验；公开号为CN114084342A的专利申请公开了一种基于压电纤维复合材料的柔性变形机翼控制系统，具体可实现在机翼产生变形的情况下对机翼振动进行监测。上述现有技术均采用单一传感原理对机翼的振动情况进行监测，但是长时间使用后传感器的准确度不能保证。或者现有技术中会采用复杂结构或多种传感器件对机翼的振动情况进行检测，但是复杂结构或多种传感器件将增加飞行器的用电负担，导致飞行器无法实现长时间航行。
发明内容
为克服现有技术中对机翼的振动情况进行监测时，单一传感器的准确度不能长期有效保证或复杂的传感器会增加飞行器的用电负担的技术缺陷，本发明提供了一种适用于飞行器的自驱动复合式多源振动传感器。
本发明提供了一种适用于飞行器的自驱动复合式多源振动传感器，包括柔性薄膜、对称设置的上外壳和下外壳；所述柔性薄膜包括依次堆叠的上摩擦介质层、中间间隔层和下摩擦介质层，所述上摩擦介质层和所述中间间隔层之间设置有第一永磁体，所述下摩擦介质层和所述中间间隔层之间设置有第二永磁体，所述第一永磁体和所述第二永磁体相吸附，所述上摩擦介质层上表面的其中一侧设置有第一负电极；所述下摩擦介质层下表面的其中一侧设置有第二负电极；所述上外壳包括一块第一横板和两块第一倾斜腰板，两块所述第一倾斜腰板对称连接至所述第一横板的左右两侧，两块所述第一倾斜腰板均沿远离所述第一横板的方向延伸；所述下外壳包括一块第二横板和两块第二倾斜腰板，两块所述第二倾斜腰板对称连接至所述第二横板的左右两侧，两块所述第二倾斜腰板均沿远离所述第二横板的方向延伸；所述上外壳和所述下外壳相对接，所述柔性薄膜位于所述上外壳和所述下外壳之间，且所述柔性薄膜的左右两端部分别对应夹固于左右两侧的所述第一倾斜腰板和所述第二倾斜腰板之间；所述第一横板的下表面设置有与第一永磁体位置对应的第一线圈；所述第二横板的上表面设置有与第二永磁体位置对应的第二线圈；所述上外壳的内表面上铺覆有将第一线圈覆盖的上导电布；所述下外壳的内表面上铺覆有将第二线圈覆盖的下导电布。
其中，所述上外壳和所述下外壳相对接即上外壳和下外壳开口相对设置，第一倾斜腰板的自由端和其临近的第二倾斜腰板的自由端相连接。上外壳和下外壳对接后形成的整体形成了仿蜂格结构。所述柔性薄膜连接至上外壳和下外壳之间，将上外壳和下外壳组成的整体一分为二。上导电布和上摩擦介质层组合成的上摩擦对中，上导电布为上摩擦对的正电极，上摩擦介质层上的第一负电极为上摩擦对的负电极，上导电布和第一负电极分别连接有信号输出引线。下导电布和下摩擦介质层组合成的下摩擦对中，下导电布为下摩擦对的正电极，下摩擦介质层上的第二负电极为下摩擦对的负电极，下导电布和第二负电极分别连接有信号输出引线。第一永磁体、第二永磁体和第一线圈组成第一电磁传感结构，第一线圈的外接电线作为信号输出线；第一永磁体、第二永磁体和第二线圈组成第二电磁传感结构，第二线圈的外接电线作为信号输出线。上摩擦对、下摩擦对、第一电磁传感结构和第二电磁传感结构相当于四个传感器。
本发明所述的自驱动复合式多源振动传感器在受到外部的振动激励后，第一永磁体和第二永磁体由于其自身重量，会带动柔性薄膜在上外壳和下外壳之间上下摆动，柔性模板在上下往复运动的过程中，两组摩擦对以及两组电磁传感结构会产生四组传感信号。这四种传感信号分别为：第一永磁体和第二永磁体分别与第一线圈之间发生相对运动，切割磁感线而产生的感应电流和感应电动势；第一永磁体和第二永磁体分别与第二线圈之间发生相对运动，切割磁感线而产生的感应电流和感应电动势；上摩擦介质层与上导电布之间由于静电感应以及摩擦、接触起电引起的电荷转移；下摩擦介质层与下导电布之间由于静电感应及摩擦、接触起电引起的电荷转移。两组摩擦对以及两组电磁传感结构能为自身供能，实现自驱动，为飞行器减轻用电负担。而且采用本发明所述自驱动复合式多源振动传感器同时输出的四组传感信号，可以相互标定，四个传感器均随着外部激励的增大而产生更强的输出信号，而且采用后期算法能通过四个传感数据实现四组传感器互相校准，提升了长时间振动测量的可靠性。本发明通过对整体结构参数的设计，可调整兼顾传感器的微振动监测能力、测量灵敏度以及测量量程，整体结构越高，灵敏度越小，但是量程越大；整体结构越矮，灵敏度越高，但量程越小。
优选的，所述第一横板的下表面上设置有第一线圈凹槽，所述第一线圈固定至所述第一线圈凹槽中，且所述第一横板中开有横向布置的上引线孔，所述第一线圈的外接电线从所述上引线孔中引出；所述第二横板的上表面上设置有第二线圈凹槽，所述第二线圈固定至所述第二线圈凹槽中，且所述第二横板中开有横向布置的下引线孔，第二线圈的外接电线从下引线孔中引出。第一线圈设置在第一线圈凹槽中，可以保证第一横板下表面平整，有利于上导电布铺平，上导电布铺平有利于其与上摩擦介质层摩擦起电，提升了摩擦电电学输出的灵敏度；同理，第二线圈设置在第二线圈凹槽中，也有利于下导电布铺平。
优选的，两块所述第一倾斜腰板的自由端分别横向延伸有远离所述第一横板的上连接条；两块所述第二倾斜腰板的自由端分别横向延伸有远离所述第二横板的下连接条，所述上外壳和所述下外壳对接后，上连接条和下连接条相对组成夹膜部；所述柔性薄膜的左右两端部分别位于两组夹膜部之间，且所述第一负电极和所述第二负电极也分别位于对应位置处的夹膜部之间，两组夹膜部分别通过尼龙螺丝固定连接。这样设置结构合理，有利于柔性薄膜的夹持固定。
优选的，两块所述上连接条的下表面分别设置有条形压膜槽，两块所述下连接条的上表面分别设置有凸梁，同一夹膜部位置处的条形压膜槽和凸梁相适配。这样设置进一步加固了柔性薄膜左右两侧与夹膜部的紧固连接。
本发明提供的技术方案与现有技术相比具有如下优点：本发明所述的自驱动复合式多源振动传感器能更好的集成在机翼内部，减轻机翼重量的同时，还能有效采集机翼的振动信号，本发明所述的自驱动复合式多源振动传感器能随飞行器的机翼振动，四组传感结构之间相互标定提升振动监测的准确度和可靠性；本发明中的四组传感结构均随着外部激励的增大可产生更强的输出信号，通过后期算法能够将四组传感结构互相校正，提升了长时间振动测量可靠性；同时，基于两组摩擦对和两组电磁传感结构能实现对外部振动激励信号的自驱动监测，降低飞行器的能耗；通过仿真不同结构参数的自驱动复合式多源振动传感器可实现微振动监测、灵敏度以及监测量程范围之间保持平衡，以适应不同的振动范围。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明某实施例中所述一种适用于飞行器的自驱动复合式多源振动传感器的立体图；
图2为本发明某实施例中所述一种适用于飞行器的自驱动复合式多源振动传感器的正视图；
图3为本发明某实施例中所述上外壳的仰视图或所述下外壳的俯视图；
图4为本发明某实施例中所述上外壳的剖视图；
图5为本发明某实施例中所述下外壳的剖视图；
图6为本发明某实施例中所述一种适用于飞行器的自驱动复合式多源振动传感器振动时柔性薄膜向下运动的示意图；
图7为本发明某实施例中所述一种适用于飞行器的自驱动复合式多源振动传感器振动时柔性薄膜向上运动的示意图。
图中：1、上外壳；2、下外壳；3、上摩擦介质层；4、中间间隔层；5、下摩擦介质层；6、第一永磁体；7、第二永磁体；8、第一负电极；9、第二负电极；10、第一横板；11、第一倾斜腰板；12、第二横板；13、第二倾斜腰板；14、第一线圈；15、第二线圈；16、上导电布；17、下导电布；18、上引线孔；19、下引线孔；20、上连接条；21、下连接条；22、尼龙螺丝；23、条形压膜槽；24、凸梁。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面将对本发明的方案进行进一步描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在描述中，需要说明的是，术语“第一”“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”“相连”“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但本发明还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施；显然，说明书中的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
下面结合附图1至图7对本发明的具体实施例进行详细说明。
在一个实施例中，如图1所示，公开了一种适用于飞行器的自驱动复合式多源振动传感器，包括柔性薄膜、对称设置的上外壳1和下外壳2；所述柔性薄膜包括依次堆叠的上摩擦介质层3、中间间隔层4和下摩擦介质层5，所述上摩擦介质层3和所述中间间隔层4之间设置有第一永磁体6，所述下摩擦介质层5和所述中间间隔层4之间设置有第二永磁体7，所述第一永磁体6和所述第二永磁体7相吸附，所述上摩擦介质层3上表面的其中一侧设置有第一负电极8；所述下摩擦介质层5下表面的其中一侧设置有第二负电极9；所述上外壳1包括一块第一横板10和两块第一倾斜腰板11，两块所述第一倾斜腰板11对称连接至所述第一横板10的左右两侧，两块所述第一倾斜腰板11均沿远离所述第一横板10的方向延伸；所述下外壳2包括一块第二横板12和两块第二倾斜腰板13，两块所述第二倾斜腰板13对称连接至所述第二横板12的左右两侧，两块所述第二倾斜腰板13均沿远离所述第二横板12的方向延伸；所述上外壳1和所述下外壳2相对接，所述柔性薄膜位于所述上外壳1和所述下外壳2之间，且所述柔性薄膜的左右两端部分别对应夹固于左右两侧的所述第一倾斜腰板11和所述第二倾斜腰板13之间；所述第一横板10的下表面设置有与第一永磁体6位置对应的第一线圈14；所述第二横板12的上表面设置有与第二永磁体7位置对应的第二线圈15；所述上外壳1的内表面上铺覆有将第一线圈14覆盖的上导电布16；所述下外壳2的内表面上铺覆有将第二线圈15覆盖的下导电布17。
其中，所述上外壳1和所述下外壳2相对接即上外壳1和下外壳2开口相对且第一倾斜腰板11的自由端和其临近的第二倾斜腰板13的自由端相连接。上外壳1和下外壳2对接后形成的整体形成了仿蜂格结构。所述柔性薄膜连接至上外壳1和下外壳2之间，将上外壳1和下外壳2组成的整体一分为二。上导电布16和上摩擦介质层3组合成的上摩擦对中，上导电布16为上摩擦对的正电极，上摩擦介质层3上的第一负电极8为上摩擦对的负电极，上导电布16和第一负电极8分别连接有信号输出引线。下导电布17和下摩擦介质层5组合成的下摩擦对中，下导电布17为下摩擦对的正电极，下摩擦介质层5上的第二负电极9为下摩擦对的负电极，下导电布17和第二负电极9分别连接有信号输出引线。第一永磁体6、第二永磁体7和第一线圈14组成第一电磁传感结构，第一线圈14的外接电线作为信号输出线；第一永磁体6、第二永磁体7和第二线圈15组成第二电磁传感结构，第二线圈15的外接电线作为信号输出线。
本发明所述的自驱动复合式多源振动传感器在受到外部的振动激励后，第一永磁体6和第二永磁体7由于其自身重量，会带动柔性薄膜在上外壳1和下外壳2之间上下摆动，柔性模板在上下往复运动的过程中，两组摩擦对以及两组电磁传感结构会产生四组传感信号。这四种传感信号分别为：第一永磁体6和第二永磁体7分别与第一线圈14之间发生相对运动，切割磁感线而产生的感应电流和感应电动势；第一永磁体6和第二永磁体7分别与第二线圈15之间发生相对运动，切割磁感线而产生的感应电流和感应电动势；上摩擦介质层3与上导电布16之间由于静电感应以及摩擦、接触起电引起的电荷转移；下摩擦介质层5与下导电布17之间由于静电感应及摩擦、接触起电引起的电荷转移。两组摩擦对以及两组电磁传感结构能为自身供能，实现自驱动，为飞行器减轻用电负担。而且采用本发明所述自驱动复合式多源振动传感器同时输出的四组传感信号，可以相互标定，四个传感器均随着外部激励的增大而产生更强的输出信号，而且采用后期算法能根据四组传感数据实现四组传感器的互相校准，提升了长时间振动测量的可靠性。本发明通过对整体结构参数的设计，可调整兼顾传感器的微振动监测能力、测量灵敏度以及测量量程，整体结构越高，灵敏度越小，但是量程越大；整体结构越矮，灵敏度越高，但量程越小。
具体实施例中，本发明摩擦电传感部分主要依靠中间的柔性薄膜在振动过程中与贴在上外壳1上的上导电布16和下外壳2上的下导电布17进行摩擦而产生摩擦电学输出信号，在不同的振动条件下，摩擦电学输出信号不同。在外部加速度激励相同时，下外壳2和上外壳1对接形成的仿蜂窝结构的高度越小，基于电磁传感的输出性能由于切割电场线强度越强而输出越大；上摩擦介质层3与上导电布16或下摩擦介质层5与下导电布17之间，由于更容易发生接触起电而输出电学信号越大；仿蜂窝结构的高度越大则反之。因此，高度越小的仿蜂窝结构微振动监测能力越强，在单位振动下产生的电学输出变化越大，即灵敏度更高，但振动量程较小；高度越大的仿蜂窝结构则量程更大，通过comsol仿真仿蜂窝结构不同的高度以平衡传感器的微振动监测能力、灵敏度以及监测量程。
具体实施例中，上外壳1和下外壳2可采用3D打印技术制备得到。柔性薄膜的设计及制备主要包括两个部分，分别是上摩擦介质层3或下摩擦介质层5的设计以及中间间隔层4的设计。
上摩擦介质层3或下摩擦介质层5基于微电容效应提升摩擦电输出性能。具体的制备过程为：
（1）称取一定比例的镀银玻璃球微粒子和ecoflex A溶胶，使用电动搅拌器使之混合均匀，搅拌时长约为5h；
（2）称取与ecoflex A 溶胶质量相等的ecoflex B 溶胶，加入倒步骤（1）中得到的混合液中，搅拌10~15min；
（3）将混合物摊开在一个光滑的平面上，采用涂布工艺将混合物制成厚度均匀的薄膜；
（4）在室温下静置7~10h，薄膜固化后剥离，即可得到摩擦介质层。
中间间隔层4采用混炼硫化的工艺制备。具体步骤为：首先称取一定质量比的高温硅胶和硫化剂，使二者充分混合，混合时长约为1.5~2h；随后，将混合物放入硫化装置中，在高温高压（175℃，20Mpa）下硫化17min左右，即可得到中间间隔层4。
在上述实施例的基础上，在一个优选的实施例中，所述第一横板10的下表面上设置有第一线圈凹槽，所述第一线圈14固定至所述第一线圈凹槽中，且所述第一横板10中开有横向布置的上引线孔18，所述第一线圈14的外接电线从所述上引线孔18中引出；所述第二横板12的上表面上设置有第二线圈凹槽，所述第二线圈15固定至所述第二线圈凹槽中，且所述第二横板12中开有横向布置的下引线孔19，第二线圈15的外接电线从下引线孔19中引出。第一线圈14设置在第一线圈凹槽中，可以保证第一横板10下表面平整，有利于上导电布16铺平，上导电布16铺平有利于其与上摩擦介质层3摩擦起电，提升了摩擦电电学输出的灵敏度；同理，第二线圈15设置在第二线圈凹槽中，也有利于下导电布17铺平。设置横向布置的上引线孔18和下引线孔19可减小外接电线对电学输出信号的影响。
在上述实施例的基础上，在一个优选的实施例中，两块所述第一倾斜腰板11的自由端分别横向延伸有远离所述第一横板10的上连接条20；两块所述第二倾斜腰板13的自由端分别横向延伸有远离所述第二横板12的下连接条21，所述上外壳1和所述下外壳2对接后，上连接条20和下连接条21相对组成夹膜部；所述柔性薄膜的左右两端部分别位于两组夹膜部之间，且所述第一负电极8和所述第二负电极9也分别位于对应位置处的夹膜部之间，两组夹膜部分别通过尼龙螺丝22固定连接。这样设置结构合理，有利于柔性薄膜的夹持固定。采用尼龙螺丝22是为了减小其对电磁感应电学信号输出的影响。
在上述实施例的基础上，在一个优选的实施例中，两块所述上连接条20的下表面分别设置有条形压膜槽23，两块所述下连接条21的上表面分别设置有凸梁24，同一夹膜部位置处的条形压膜槽23和凸梁24相适配。这样设置进一步加固了柔性薄膜左右两端部与夹膜部的紧固连接，防止柔性薄膜在振动过程中脱落。
以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。尽管参照前述各实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离各实施例技术方案的范围，其均应涵盖权利要求书的保护范围中。
Claims (4)
1.一种适用于飞行器的自驱动复合式多源振动传感器，其特征在于，包括柔性薄膜、对称设置的上外壳（1）和下外壳（2）；
所述柔性薄膜包括依次堆叠的上摩擦介质层（3）、中间间隔层（4）和下摩擦介质层（5），所述上摩擦介质层（3）和所述中间间隔层（4）之间设置有第一永磁体（6），所述下摩擦介质层（5）和所述中间间隔层（4）之间设置有第二永磁体（7），所述第一永磁体（6）和所述第二永磁体（7）相吸附，所述上摩擦介质层（3）上表面的其中一侧设置有第一负电极（8）；所述下摩擦介质层（5）下表面的其中一侧设置有第二负电极（9）；
所述上外壳（1）包括一块第一横板（10）和两块第一倾斜腰板（11），两块所述第一倾斜腰板（11）对称连接至所述第一横板（10）的左右两侧，两块所述第一倾斜腰板（11）均沿远离所述第一横板（10）的方向延伸；所述下外壳（2）包括一块第二横板（12）和两块第二倾斜腰板（13），两块所述第二倾斜腰板（13）对称连接至所述第二横板（12）的左右两侧，两块所述第二倾斜腰板（13）均沿远离所述第二横板（12）的方向延伸；所述上外壳（1）和所述下外壳（2）相对接，所述柔性薄膜位于所述上外壳（1）和所述下外壳（2）之间，且所述柔性薄膜的左右两端部分别对应夹固于左右两侧的所述第一倾斜腰板（11）和所述第二倾斜腰板（13）之间；所述第一横板（10）的下表面设置有与第一永磁体（6）位置对应的第一线圈（14）；所述第二横板（12）的上表面设置有与第二永磁体（7）位置对应的第二线圈（15）；所述上外壳（1）的内表面上铺覆有将第一线圈（14）覆盖的上导电布（16）；所述下外壳（2）的内表面上铺覆有将第二线圈（15）覆盖的下导电布（17）。
2.根据权利要求1所述的一种适用于飞行器的自驱动复合式多源振动传感器，其特征在于，所述第一横板（10）的下表面上设置有第一线圈凹槽，所述第一线圈（14）固定至所述第一线圈凹槽中，且所述第一横板（10）中开有横向布置的上引线孔（18），所述第一线圈（14）的外接电线从所述上引线孔（18）中引出；所述第二横板（12）的上表面上设置有第二线圈凹槽，所述第二线圈（15）固定至所述第二线圈凹槽中，且所述第二横板（12）中开有横向布置的下引线孔（19），第二线圈（15）的外接电线从下引线孔（19）中引出。
3.根据权利要求2所述的一种适用于飞行器的自驱动复合式多源振动传感器，其特征在于，两块所述第一倾斜腰板（11）的自由端分别横向延伸有远离所述第一横板（10）的上连接条（20）；两块所述第二倾斜腰板（13）的自由端分别横向延伸有远离所述第二横板（12）的下连接条（21），所述上外壳（1）和所述下外壳（2）对接后，上连接条（20）和下连接条（21）相对组成夹膜部；所述柔性薄膜的左右两端部分别位于两组夹膜部之间，且所述第一负电极（8）和所述第二负电极（9）也分别位于对应位置处的夹膜部之间，两组夹膜部分别通过尼龙螺丝（22）固定连接。
4.根据权利要求3所述的一种适用于飞行器的自驱动复合式多源振动传感器，其特征在于，两块所述上连接条（20）的下表面分别设置有条形压膜槽（23），两块所述下连接条（21）的上表面分别设置有凸梁（24），同一夹膜部位置处的条形压膜槽（23）和凸梁（24）相适配。
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