CN213517340U - 一种无人机静电检查系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了无人机静电检查系统，包括一个静电监测解调仪和多个静电传感器；静电传感器包括保温层、设于保温层外的测试电极及设于保温层内的MEMS电场敏感芯片、MCU及与MCU电连接的放大及信号处理电路、温湿度传感模块、无线自组网模块、RS485模块；测试电极与所述MEMS电场敏感芯片通过一根金属丝连接；静电监测解调仪包括静电传感器及内置于保温层内的CAN模块和存储模块。实现无人机飞行前、飞行中和飞行后其各表面静电数据的获取，获取的数据可辅助无人机进行静电防护的改进。测试电极与MEMS电场敏感芯片通过一根金属丝连接，具有尺寸小、空间分辨率高、功耗低、成本低等优点。
Description
技术领域
本实用新型属于静电检测技术领域，尤其涉及一种无人机静电检查系统。
背景技术
无人机在飞行过程中，因其表面和空间粒子摩擦而在无人机表面积累一定量的电荷。随着电荷在无人机表面的积累，机上表面电压将持续升高，当达到机上静电放电阈值电压值时便产生静电放电，其累积电荷将主要以电晕放电形式或极端情况下的火花放电形式释放出去。无人机在飞行中产生静电放电，会对飞行器及其飞行系统的效能产生直接影响。无人机在高空飞行中很容易形成静电击穿，使灵敏度仪器受到干扰、部件功能性退化，或者发生放电，击穿元器件或者材料，造成严重危害。为确保飞行安全，提高无人机可靠性，需要对无人机表面进行静电监测，并根据监测数据进行无人机后期的静电防护改进。而目前缺乏这样对无人机表面进行静电监测的设备。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有技术的缺陷，提供了一种可对飞行前、飞行中和飞行后无人机的可能产生静电的部位进行测试或监测并获得相应监测数据的无人机静电检查系统。
为实现上述目的，本实用新型所设计的无人机静电检查系统，包括一个静电监测解调仪和多个静电传感器；
所述静电传感器包括密封的保温层、设于所述保温层外的测试电极及设于保温层内的MEMS电场敏感芯片、MCU及与所述MCU 电连接的放大及信号处理电路、温湿度传感模块、无线自组网模块、RS485模块、GPS模块、宽电压电源模块和保险丝；所述测试电极与所述MEMS电场敏感芯片通过一根金属丝连接；
所述静电监测解调仪包括所述静电传感器及内置于所述静电传感器的保温层内的CAN模块和存储模块；所述CAN模块和所述存储模块与所述MCU电连接。
进一步，所述MEMS电场敏感芯片密封于管壳内，所述金属丝一端与所述管壳表面连接，金属丝另一端与测试电极连接，所述测试电极的表面积大于所述管壳的表面积。
进一步，所述金属丝与所述测试电极和管壳垂直。
进一步，多个所述静电传感器的所述测试电极分布于所述无人机的前缘蒙皮下方、螺旋桨后端、机翼和尾翼上；所述静电监测解调仪设于所述无人机的设备舱内部并通过所述CAN模块与所述无人机的飞控平台电连接。
进一步，所述静电传感器的所述测试电极还分布于所述无人机的太阳能电池板表面，并位于螺旋桨后端。
本实用新型的有益效果是：利用多个静电传感器实现对无人机表面静电数据的采集，利用静电监测解调仪实现对无人机的设备舱内部的静电数据采集，并将多个静电传感器与静电监测解调仪连接，实现无人机飞行前、飞行中和飞行后其各表面静电数据的获取，获取的数据可辅助无人机进行静电防护的改进。另外，测试电极与 MEMS电场敏感芯片通过一根金属丝连接，实现MEMS电场敏感芯片的非接触式静电测量，与传统静电传感器相比，具有更高的可靠性和寿命，并具有尺寸小、空间分辨率高、功耗低、成本低、性能稳定、易集成化、易于批量化制备等突出优点。
附图说明
图1为本实用新型无人机静电检查系统的采用无线连接方式的结构示意图。
图2为图1的无人机静电检查系统采用有线连接方式的结构示意图。
图3为图1中静电监测解调仪的结构电路示意图。
图4为图1中静电传感器的结构电路示意图。
图5为图1的无人机静电检查系统安装的无人机相应位置的结构示意图。
图中，静电监测解调仪1、静电传感器2、保温层3、测试电极 4、MEMS电场敏感芯片5、MCU6、放大及信号处理电路7、温湿度传感模块8、无线自组网模块9、RS485模块10、GPS模块11、宽电压电源模块12、保险丝13、CAN模块14、存储模块15、金属丝16。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的详细描述。
如图1～5所示的一种无人机静电检查系统，包括一个静电监测解调仪(相当于主机)和多个静电传感器(相当于从机)。
静电传感器包括密封的保温层、设于保温层外的测试电极及设于保温层内的MEMS电场敏感芯片、MCU及与MCU电连接的放大及信号处理电路、温湿度传感模块、无线自组网模块、RS485模块、GPS模块、宽电压电源模块和保险丝；测试电极与MEMS电场敏感芯片通过一根金属丝连接；具体为：MEMS电场敏感芯片密封于管壳内，金属丝一端与管壳表面连接，金属丝另一端与测试电极连接，测试电极的表面积大于管壳的表面积，测试电极越宽，到达MEMS电场敏感芯片表面的电场越强。金属丝与测试电极和管壳垂直。MEMS电场敏感芯片采用气密性封装的管壳进行保护，在高空低气压环境下，能够维持MEMS电场敏感芯片附近的气压与在地面保持一致，避免因气压降低、空气阻尼减小造成的振动部件失效损坏。
静电监测解调仪包括静电传感器及内置于静电传感器的保温层内的CAN模块和存储模块；CAN模块和存储模块与MCU电连接。存储模块用于储存各个静电传感器的测试结果，方便后期进行数据整理及处理。为方便数据存储，MCU可通过GPS模块进行时钟同步，也可以通过CAN模块与电脑进行时钟同步等。
将金属的测试电极固定在被测无人机的表面，测试电极与MEMS电场敏感芯片之间采用金属丝连接。当被测表面带电，通过测试电极，在MEMS电场敏感芯片表面产生电场，该电场大小正比于被测表面静电电压。MEMS电场敏感芯片的输出信号十分微弱，约为pA～nA数量级，需要配合放大及信号处理电路才能保持输出稳定。常规工业级放大器、MCU的工作温度下限一般为-40℃，在更低的环境温度下可能出现漂移甚至是失效故障。通过增设测试电极结构，测试电极固定在被测带电物表面，感应静电电场。
放大及信号处理电路用于对MEMS电场敏感芯片的输出信号进行预处理，并进行高速AD采样及信号解调。
采用高性能温度、湿度一体化的温湿度传感模块，对保温层内 MEMS电场敏感芯片附近的温湿度环境进行监测，为静电测试结果提供温湿度比对数据，同时可以通过结合加热等措施进行环境保障，避免因环境温度过低造成数据输出不稳定甚至失效。
静电监测解调仪和每个静电传感器均预留串口接口的GPS模块，用于为静电监测解调仪和静电传感器提供位置及时钟校准信息。
通过设计宽电压输入电源转换模块，使静电传感器、静电监测解调仪适用于多种供电电压，方便每个静电传感器、静电监测解调仪就近在线取电，避免使用长电源线增加系统重量。
在电源输入端口加入保险丝，当出现短路故障、电源电压过高等原因时，立即切断该节点电源，避免静电传感器、静电监测解调仪损坏或影响机上其他设备的正常工作。
放大及信号处理电路中包含电源模块、模拟信号放大电路、模拟滤波电路、AD转换电路、数字信号处理电路、数字通讯模块等多种信号。一般情况下，工业级芯片的使用温度下限是-40℃，军工级芯片的工作下限是-65℃，均不能达到高空的温度下限要求。因此，需要对放大及信号处理电路进行保温，使其工作环境温度保持在-40℃以上。采用保温层，优选为保温泡沫对内部电路进行保温处理，基于电路自发热进行保温，使静电传感器、静电监测解调仪能够在低于-40℃大气环境下正常工作。结合放大及信号处理电路的实际尺寸，设计保温材料的内腔大小为60*60*40mm3，厚度为 10mm。
如图1所示，各静电传感器与静电监测解调仪通过无线自组网模块，选取频率为2.4GHz，采用星形拓扑结构传输数据，各静电传感器之间不依赖数据交互，某个静电传感器关机不影响其他静电传感器的正常运行。该方案的优点是避免了复杂的信号线布线，能够极大降低安装难度，系统总质量小。该频率为民用频段，与机场通讯的L/S/C/U/BD等波段不重复或编码方式不同，不会产生相互干扰。
如图2所示，静电监测解调仪和多个静电传感器可采用RS485 等有线传输协议进行数据轮询，根据各个静电传感器的安装位置，进行总线或星形拓扑结构布置。该方案的优点是系统总功耗低、误码率低。
无人机上静电的产生一般与无人机蒙皮材料电阻率、无人机表面风速、环境湿度、空气中带电粒子浓度等因素相关。静电在复合材料无人机表面的积累呈现不均匀分布，一般主要集中在无人机表面曲率大的部位，如机头位置、机翼尖端和后缘、尾翼尖端部位后缘等结构尖端，与金属材料相比，碳纤维复合材料更容易积累电荷，在指定时间内积累的电量比金属材料要大得多。为了获知各个因素造成静电起电量的大小程度，可在不同材料、不同风速的表面进行静电测试。
如图5所示，多个静电传感器的测试电极分布于无人机的前缘蒙皮下方、螺旋桨后端、机翼和尾翼上；静电监测解调仪设于无人机的设备舱内部并通过CAN模块与无人机的飞控平台(或称飞控系统)电连接，通过CAN模块实现无人机与静电监测解调仪的数据交互。若无人机包括太阳能电池板，则该无人机的太阳能电池板表面且位于螺旋桨后端处也可以设置有测试电极。当然，静电传感器还可以设置在无人机的其他易起静电的位置。
以上仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本实用新型思路下的技术方案均属于本实用新型的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理前提下的若干改进和润饰，同样也应视为本实用新型的保护范围。
Claims (5)
1.一种无人机静电检查系统，其特征在于：包括一个静电监测解调仪和多个静电传感器；
所述静电传感器包括密封的保温层、设于所述保温层外的测试电极及设于保温层内的MEMS电场敏感芯片、MCU及与所述MCU电连接的放大及信号处理电路、温湿度传感模块、无线自组网模块、RS485模块、GPS模块、宽电压电源模块和保险丝；所述测试电极与所述MEMS电场敏感芯片通过一根金属丝连接；
所述静电监测解调仪包括所述静电传感器及内置于所述静电传感器的保温层内的CAN模块和存储模块；所述CAN模块和所述存储模块与所述MCU电连接。
2.根据权利要求1所述的一种无人机静电检查系统，其特征在于：所述MEMS电场敏感芯片密封于管壳内，所述金属丝一端与所述管壳表面连接，金属丝另一端与测试电极连接，所述测试电极的表面积大于所述管壳的表面积。
3.根据权利要求2所述的一种无人机静电检查系统，其特征在于：所述金属丝与所述测试电极和管壳垂直。
4.根据权利要求1所述的一种无人机静电检查系统，其特征在于：多个所述静电传感器的所述测试电极分布于所述无人机的前缘蒙皮下方、螺旋桨后端、机翼和尾翼上；所述静电监测解调仪设于所述无人机的设备舱内部并通过所述CAN模块与所述无人机的飞控平台电连接。
5.根据权利要求4所述的一种无人机静电检查系统，其特征在于：所述静电传感器的所述测试电极还分布于所述无人机的太阳能电池板表面，并位于螺旋桨后端。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN117864432A (zh) * | 2024-03-12 | 2024-04-12 | 北京理工大学 | 一种飞行器表面静电电位监控系统及方法 |
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2020
- 2020-09-07 CN CN202021931993.1U patent/CN213517340U/zh active Active
Cited By (2)
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| CN117864432A (zh) * | 2024-03-12 | 2024-04-12 | 北京理工大学 | 一种飞行器表面静电电位监控系统及方法 |
| CN117864432B (zh) * | 2024-03-12 | 2024-05-10 | 北京理工大学 | 一种飞行器表面静电电位监控系统及方法 |
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