CN204007586U - 微小型迎角传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种微小型迎角传感器，其包括安装座、一体化力臂式风标、轴承、配重块和迎角获取装置，其中安装座具有内部容置空间；一体化力臂式风标包括风标轴、由风标轴一端倾斜延伸的风标力臂以及由风标力臂支撑的风标翼面，风标力臂和风标翼面暴露于安装座外部用于随气流转动从而带动风标轴一起转动；轴承装设于内部容置空间中用于支撑穿过其的风标轴；配重块装设于风标轴的另一端，配重块在内部容置空间中位于轴承的下方；迎角获取装置装设于内部容置空间的底部并与风标轴连接。本实用新型结构紧凑、气动外形干净，对流场干扰小，便于小型化，且摩擦力小，测量精度高。

Description

微小型迎角传感器

技术领域

本实用新型涉及传感器技术领域，更具体地涉及一种微小型迎角传感器，其用于测量风洞实验中模型表面的当地气流方向，或用于无人机的大气数据采集。

背景技术

迎角传感器，又称攻角传感器，其通常安装在飞行器机身侧面用于测量飞行迎角。现有的迎角传感器主要分为两大类：压差归零式迎角传感器和风标式迎角传感器。由于压差归零式迎角传感器结构复杂、装配精度要求高，目前基本上都被风标式迎角传感器所取代。风标式迎角传感器主要包括风标(即翼型叶片)、风标轴、角度测量装置和壳体等零部件，一般用于真实飞机和无人机的迎角测量。

在传统设计中，出于结构维护、角度测量装置的体积等因素，风标式迎角传感器往往难以实现小型化；风标的气动外形中包含其与风标轴连接的接头和紧固件等影响自身气动外形干净程度的零件，这对需要精确捕捉流场特性的场合很不利，因此难以用于较小比例模型的风洞实验中；传统的角度测量装置包括电位器式和机械式，这些装置存在难以精确控制的摩擦力矩或间隙，对迎角测量的精度非常不利，而且长期使用造成的磨损将严重影响迎角传感器的可靠性和精度；传统的风标气动外形为后掠翼面，加工方式虽较为简单，但其在低动压来流的条件下灵敏度不足。

实用新型内容

为了克服现有技术的上述不足，本实用新型提供一种低摩擦的微小型迎角传感器。

根据本实用新型的一个方面，提供一种微小型迎角传感器，其包括：

安装座，其具有内部容置空间；

一体化力臂式风标，其包括接收在所述内部容置空间中的风标轴、由风标轴一端倾斜延伸的风标力臂以及由风标力臂支撑的风标翼面，所述风标力臂和风标翼面位于所述安装座外部用于随气流转动从而带动风标轴一起转动；

轴承，其固定于所述内部容置空间中用于支撑穿过其的所述风标轴；

配重块，其装设于所述风标轴的另一端，所述配重块在所述内部容置空间中位于所述轴承的下方；

迎角获取装置，其装设于所述内部容置空间的底部并与所述风标轴连接。

在本实用新型的该方面，由于采用一体化力臂式风标，使得整个迎角传感器结构紧凑，便于小型化，同时使风标气动外形更加干净，对流场干扰小，极大地提高了对低动压来流的灵敏度，能够感受微小的迎角变化带来的气动力矩的微小变化，因此测量结果更真实；而且，风标力臂的存在便于使风标翼面工作于附面层以外，并便于提高了风标翼面产生的气动力矩，适于在动压较小的风洞实验中提供足够的灵敏度；另，风标轴和轴承的配合可有效保证低摩擦配合，进一步提高迎角传感器精确捕捉流场特性的能力。

优选地，所述迎角获取装置包括磁铁和霍尔元件，其中所述磁铁固定至所述配重块的底部，所述霍尔元件装设于所述内部容置空间的底部并以间隔开的方式位于所述磁铁下方用来感受所述磁铁的磁场变化从而产生电压信号。

内置的配重块兼磁铁安装座使得迎角传感器的旋转部件(包括一体化力臂式风标、配重块以及磁铁)相对风标轴实现重量平衡，实现了与来流的真实随动，排除了旋转部件的重力对测量结果的影响，同时使旋转部件结构紧凑，气动外形干净；另外，通过磁铁随风标轴的转动产生磁场变化，并通过非接触式的霍尔元件来感受这种磁场变化从而产生电压信号，实现了飞机迎角的测量。

进一步优选地，所述迎角获取装置还包括装设于所述内部容置空间的底部的安装板，所述霍尔元件通过胶接或焊接装设于所述安装板上。通过安装板提供基准平面，能够使得霍尔元件与磁场轴线正交，便于精确测量。

进一步优选地，所述霍尔元件为非接触式CMOS霍尔传感器。通过该霍尔元件的设置，可实现极低的摩擦力，并能够在保证较高精度的同时，实现传感器的微小型化，且成本较低。

进一步优选地，所述霍尔元件与所述磁铁之间具有0.5～1.5mm的间隙。这一间隙距离更有利于霍尔元件感测磁铁的磁场变化。

进一步优选地，所述配重块具有底部凹槽，所述磁铁通过紧配合或胶接嵌装于所述底部凹槽内。通过该种设置，避免了紧固件和其他连接结构的使用，使得整个迎角传感器的机械装置和电子装置的结合紧凑，促进了微小型化的实现。

进一步优选地，所述配重块设置成使得所述一体化力臂式风标、配重块和磁铁相对于所述风标轴实现重量平衡。

进一步优选地，所述配重块的重端定位成相对所述风标轴与所述风标翼面呈180°布置。这样布置更有利于实现一体化力臂式风标、配重块和磁铁相对于所述风标轴的重量平衡。

进一步优选地，所述配重块为黄铜或银合金配重块。这些材料一方面密度大从而占用空间小、便于迎角传感器的小型化，另一方面不可磁化从而避免对磁场变化产生影响进而影响测量结果。

优选地，所述轴承为油润滑的滚珠轴承。这更加能够保证风标轴和轴承之间的低摩擦配合，进一步提高迎角传感器精确捕捉流场特性的能力。

进一步优选地，所述风标翼面的剖面形状为楔形或双楔形。该种剖面制造工艺相对简单，且同时适用于亚音速、跨音速和超音速流场。

进一步优选地，所述风标力臂相对所述风标轴的径向平面的夹角在15～30°范围内。这有助于使得风标翼面能够处于法兰盘所在平面的附面层之外，使风标具有较长的转动力臂，同时气动力矩不至于造成对风标力臂根部过大的弯矩，影响风标力臂强度。

优选地，所述安装座包括壳体和与壳体一端螺接的法兰盘，所述壳体的内腔和所述法兰盘的内腔共同构成所述内部容置空间，其中，所述轴承位于所述法兰盘的内腔中，所述配重块位于所述壳体的内腔中。壳体两者通过细牙螺纹连接在一起。其中，壳体可用于保护内部的其他零件，整个迎角传感器可通过法兰盘上固定于需要安装的壁面上。

进一步优选地，所述壳体和法兰盘为硬铝合金或不锈钢材料。通过该设置，使得加工成本较低，金属壳体和法兰盘还能形成对外界电磁场的屏蔽。

进一步优选地，所述风标轴的顶端具有轴肩，所述轴肩的底表面与所述轴承的顶表面邻接。风标轴顶端的形状为轴肩状，可用于定位和压紧轴承，同时提高风标力臂根部的尺寸以增大强度。

通过参考下面所描述的实施方式，本实用新型的这些方面和其他方面将会得到清晰地阐述。

附图说明

本实用新型的结构和操作方式以及进一步的目的和优点将通过下面结合附图的描述得到更好地理解，其中，相同的参考标记标识相同的元件：

图1是根据本实用新型的一个具体实施方式的微小型迎角传感器的示意性剖视图；

图2是图1中微小型迎角传感器的一体化力臂式风标的立体示意图；

图3是图2中一体化力臂式风标的风标翼面的剖面形状示意图；

图4是图2中一体化力臂式风标的风标翼面的一个变例的剖面形状示意图。

具体实施方式

根据要求，这里将披露本实用新型的具体实施方式。然而，应当理解的是，这里所披露的实施方式仅仅是本实用新型的典型例子而已，其可体现为各种形式。因此，这里披露的具体细节不被认为是限制性的，而仅仅是作为权利要求的基础以及作为用于教导本领域技术人员以实际中任何恰当的方式不同地应用本实用新型的代表性的基础，包括采用这里所披露的各种特征并结合这里可能没有明确披露的特征。

应当注意到，在本文中，用于解释所揭露实施方式的各个部分的结构和动作的方向表示，诸如顶表面、底表面、顶部、底部等等，并不是绝对的，而是相对的。当所揭露实施方式的各个部分位于图中所示位置时，这些表示是合适的。如果所揭露实施方式的位置或参照系改变，这些表示也要根据所揭露实施方式的位置或参照系的改变而发生改变。

图1示意性地示出了根据本实用新型的一个具体实施方式的微小型迎角传感器，其包括壳体1、法兰盘2、一体化力臂式风标3、轴承4、配重块5、磁铁6、霍尔元件7、安装板8。壳体1在其顶端部与法兰盘2的主体部例如通过细牙螺纹螺接，从而共同构成具有内部容置空间9的安装座，其中，壳体1的内腔和法兰盘2的内腔共同构成该内部容置空间9。轴承4位于法兰盘2的内腔中，配重块5位于壳体1的内腔中。应当理解，壳体1的设置可用于保护内部的其他零件，而法兰盘2可使的整个迎角传感器固定于需要安装的壁面上，例如借助于沉头螺钉(图未示)穿过法兰盘2上沉头螺丝孔21拧入需要安装的壁面上。在本实施方式中，壳体1和法兰盘2都可以由硬铝合金或不锈钢车制而成。

如图1所示，并结合图2至图4，一体化力臂式风标3包括风标轴31、由风标轴一端倾斜延伸的风标力臂32(又称斜支杆)以及由风标力臂支撑的风标翼面33，风标力臂32和风标翼面33暴露于壳体1和法兰盘2构成的安装座外部，用于随气流转动从而带动风标轴31一起转动。风标翼面33的平面形状(即从风标翼面最大尺寸方向看的形状)优选为高宽比等于2的矩形，剖面形状优选为楔形(见图3，在本实施方式中楔形顶角设置为15°)或双楔形(见图4，在另外的实施方式中楔形顶角设置为20°)，剖面相对厚度(即翼面厚度与宽度之比)不超过30％。另，风标力臂32相对风标轴31的径向平面的夹角优选设置在15～30°的范围内。风标轴31的顶端优选具有轴肩310，轴肩的底表面与轴承4的顶表面邻接，这可压抵轴承4的顶表面从而有助于风标轴31的定位，同时，轴肩310可提高风标力臂32的根部的尺寸以增大其强度。一体化力臂式风标优选采用不锈钢制造，例如可采用车制和线切割加工。需要说明的是，上面提及的风标轴31的径向平面即轴肩310所在的平面。

如图1所示，轴承4装设于内部容置空间9中，具体装设于法兰盘2的内腔中，用于支撑穿过它的风标轴31。轴承4优选采用微型特轻级别滚珠轴承，该微型特轻级别滚珠轴承采用粘稠度低的油润滑。风标轴31与轴承4之间的配合方式优选是小间隙量的过渡配合，从而可有效避免装配导致的微型特轻级别轴承的变形产生附加摩擦力矩，进一步提高迎角传感器精确捕捉流场特性的能力。

再如图1所示，配重块5装设于风标轴31的另一端，并在内部容置空间9中位于轴承4的下方。迎角获取装置装设于内部容置空间9的底部并与风标轴31连接。在本实施方式中，磁铁6、霍尔元件7、安装板8构成迎角获取装置，其中磁铁6固定至配重块5上形成的底部凹槽51中，例如通过紧配合或胶接嵌装于该底部凹槽51内，其中配重块5起到了配重和磁铁安装座的双重功能。霍尔元件7装设于内部容置空间9的底部并以间隔开的方式位于磁铁6的下方用来感受所述磁铁的磁场变化从而产生电压信号。应当理解的是，在应用本实施方式的迎角传感器时，霍尔元件7会例如借助于传输线与外部的信号处理和显示装置电连接，以便指示对应于其所产生的电压信号的飞机迎角。

霍尔元件7优选通过胶接或焊接装设于安装板8上，安装板8装设于内部容置空间9的底部。安装板8可采用环氧树脂板，例如通过其边缘嵌入壳体1的内侧从而借助于壳1体内侧上形成的台阶11定位，安装板8优选表面与风标轴31的轴线相垂直。应当理解，安装板8并非必需，霍尔元件7也可直接由壳体1的内底表面支撑。优选地，霍尔元件7为微型360°非接触式CMOS霍尔传感器，该种类型的霍尔元件可感受360°磁场角度变化。非接触式CMOS霍尔传感器，其与磁铁6之间具有0.5～1.5mm的间隙，优选间隙为1mm。这一间隙距离更有利于霍尔元件感测磁铁的磁场变化。在本实施方式中，磁铁6优选采用钐钴磁铁、铷铁硼磁铁或铁氧体磁铁。

另，优选地，配重块5设置成使得一体化力臂式风标3、配重块5和磁铁6相对于风标轴31实现重量平衡，其中，配重块5的重端优选定位成相对于风标轴31与风标翼面33呈180°布置，这样布置更有利于实现一体化力臂式风标、配重块和磁铁相对于所述风标轴的重量平衡。配重块5还优选由黄铜或银合金制成，因为这些材料一方面密度大从而占用空间小、便于迎角传感器的小型化，另一方面不可磁化从而避免对磁场变化产生影响进而影响测量结果。在本实施方式中，配重块5采用管状外形，套在风标轴31上，然后通过例如高碳钢紧定螺钉(图未示)穿过配重块5上的螺钉孔52固定于风标轴31上，从而也起到对一体化风标3的轴向定位作用；配重块5顶端设有轴肩53，用于定位和压抵轴承。在本实施方式中，如图1所示，装配过程中，轴承4从法兰盘2的内孔底部挨个装入，法兰盘内孔顶部车有台阶22来定位轴承4的外圈，在轴承4的另一端就靠轴肩53来定位轴承内圈；风标轴3又靠轴肩53和自身顶部的轴肩310(见图2)定位。

另外，尽管在本实施方式中介绍的迎角获取装置由磁铁6、霍尔元件7和安装板8构成，但应当理解的是，迎角获取装置还可以使用其他的实现方式，例如可以采用现有技术中常用的包括方位盘码和风向转换电路的风向获得部件，当采用这种结构时，方位盘码与风标轴31连接，通过风标轴的转动，带动方位盘码的方位标识部转动，标识出方位，风向转换电路与方位盘码通过收发红外光电元件如收发红外光电管，将所述方位转换为电信号。

本实用新型的技术内容及技术特点已揭示如上，然而可以理解，在本实用新型的创作思想下，本领域的技术人员可以对上述结构和形状作各种变化和改进，包括这里单独披露或要求保护的技术特征的组合，明显地包括这些特征的其它组合。这些变形和/或组合均落入本实用新型所涉及的技术领域内，并落入本实用新型权利要求的保护范围。需要注意的是，按照惯例，权利要求中使用单个元件意在包括一个或多个这样的元件。此外，不应该将权利要求书中的任何参考标记构造为限制本实用新型的范围。

Claims (15)

1.一种微小型迎角传感器，其特征在于包括：

安装座，其具有内部容置空间；

一体化力臂式风标，其包括接收在所述内部容置空间中的风标轴、由风标轴一端倾斜延伸的风标力臂以及由风标力臂支撑的风标翼面，所述风标力臂和风标翼面位于所述安装座外部用于随气流转动从而带动风标轴一起转动；

轴承，其装设于所述内部容置空间中用于支撑穿过其的所述风标轴；

配重块，其固定于所述风标轴的另一端，所述配重块在所述内部容置空间中位于所述轴承的下方；

迎角获取装置，其装设于所述内部容置空间的底部并与所述风标轴连接。

2.根据权利要求1所述的微小型迎角传感器，其特征在于，所述迎角获取装置包括磁铁和霍尔元件，其中所述磁铁固定至所述配重块的底部，所述霍尔元件装设于所述内部容置空间的底部并以间隔开的方式位于所述磁铁下方用来感受所述磁铁的磁场变化从而产生电压信号。

3.根据权利要求2所述的微小型迎角传感器，其特征在于，所述迎角获取装置还包括装设于所述内部容置空间的底部的安装板，所述霍尔元件通过胶接或焊接装设于所述安装板上。

4.根据权利要求2所述的微小型迎角传感器，其特征在于，所述霍尔元件为非接触式CMOS霍尔传感器。

5.根据权利要求2所述的微小型迎角传感器，其特征在于，所述霍尔元件与所述磁铁之间具有0.5～1.5mm的间隙。

6.根据权利要求2所述的微小型迎角传感器，其特征在于，所述配重块具有底部凹槽，所述磁铁通过紧配合或胶接嵌装于所述底部凹槽内。

7.根据权利要求2所述的微小型迎角传感器，其特征在于，所述配重块设置成使得所述一体化力臂式风标、配重块和磁铁相对于所述风标轴实现重量平衡。

8.根据权利要求7所述的微小型迎角传感器，其特征在于，所述配重块的重端定位成相对所述风标轴与所述风标翼面呈180°布置。

9.根据权利要求2所述的微小型迎角传感器，其特征在于，所述配重块为黄铜或银合金配重块。

10.根据权利要求1所述的微小型迎角传感器，其特征在于，所述轴承为油润滑的滚珠轴承。

11.根据权利要求1所述的微小型迎角传感器，其特征在于，所述风标翼面的剖面形状为楔形或双楔形。

12.根据权利要求1所述的微小型迎角传感器，其特征在于，所述风标力臂相对所述风标轴的径向平面的夹角在15～30°范围内。

13.根据权利要求1所述的微小型迎角传感器，其特征在于，所述安装座包括壳体和与壳体一端螺接的法兰盘，所述壳体的内腔和所述法兰盘的内腔共同构成所述内部容置空间，其中，所述轴承位于所述法兰盘的内腔中，所述配重块位于所述壳体的内腔中。

14.根据权利要求13所述的微小型迎角传感器，其特征在于，所述壳体和法兰盘为硬铝合金或不锈钢壳体和法兰盘。

15.根据权利要求13所述的微小型迎角传感器，其特征在于，所述风标轴的顶端具有轴肩，所述轴肩的底表面与所述轴承的顶表面邻接。