專利名稱：一種用于微型飛行器的微型低速空速計的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種低空速測量裝置，特別是一種體積小、重量輕、高可靠性的用于微型飛行器的微型低速空速計。
背景技術(shù)：
空速的測量對于飛行器的安全飛行與自動控制有著十分重要的作用。傳統(tǒng)的空速計的設計原理主要有熱線式、差壓式、轉(zhuǎn)輪式等原理。熱線式空速計的敏感元件是熱敏電阻絲(片)，電流在熱敏電阻絲(片)流過，導致電阻發(fā)熱；當氣體從電阻周圍流過時，會帶走一定的熱量；在一定的電流下，電阻絲(片)的溫度與氣體的流速成一定的函數(shù)關(guān)系，通過對電阻兩端的電壓進行測量就可以得到當前的風速。轉(zhuǎn)輪式空速計是利用風的能量驅(qū)動一個螺旋槳或風輪，通過對螺旋槳或風輪速度的測量得到風速度大??；壓差式空速計的敏感元件是壓力傳感器，當空氣流動時，會在迎風表面形成一個附加在靜壓上的風壓，使用一個差壓傳感器，將迎風壓力引入一個引壓孔，將靜壓引入另一個引壓孔，通過測量差壓就可以得到相應的風速。
微型飛行器體積小，能量和載荷能力有限，對機載傳感器的重量、體積、功耗提出了嚴格要求。傳統(tǒng)的空速計很難滿足這一要求。目前已有的微型空速測量裝置中以轉(zhuǎn)輪式、熱線式居多，但在體積、重量以及測量范圍等指標上均難滿足微型飛行器的要求?；诓顗簻y量原理的微型低速空速計目前尚未發(fā)現(xiàn)相關(guān)產(chǎn)品及報道。在這種背景下，設計一種滿足微型飛行器要求的微型低速空速測量裝置變得十分迫切。熱線式、轉(zhuǎn)輪式空速計，由于結(jié)構(gòu)復雜，不利于微型化，因此本發(fā)明的微型低速空速計選用差壓式原理。
傳統(tǒng)差壓式空速計由空速管和壓力表組成，其主要缺點在于1、空速管體積、重量大，必須對其進行微型化；2、傳統(tǒng)差壓傳感器體積大，結(jié)構(gòu)復雜，不利于微型化；3、傳統(tǒng)空速計對于低空速的測量線性度較差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種結(jié)構(gòu)簡單，易于微型化的適用于微型飛行器的微型低速空速計。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下本發(fā)明提供的一種用于微型飛行器的微型低速空速計，其特征在于，該微型低速空速計包括依次電連接的微型空速管單元10、微差壓測量單元20、數(shù)據(jù)采集模塊30、微處理器40和顯示存儲單元50；所述的微型空速管單元10；包括一總壓管3，其同心地插入具有球形弧面的管頭1的中心孔中，總壓管3之外套裝外管2，外管2的一端與管頭1密封連接，另一端通過密封塞5與總壓管3密封連接，外管2靠近尾部的管壁上垂向安裝一與外管2內(nèi)腔相通的靜壓管4，位于外管2中部的一徑向截面上均布有4-8個靜壓孔；所述總壓管3內(nèi)腔構(gòu)成總壓腔8，外管2與總壓管之間構(gòu)成靜壓腔6，由其靜壓由靜壓管4內(nèi)腔引出；所述的微差壓測量單元20；包括微差壓傳感器21、電源模塊22、信號調(diào)理電路23；所述的電源模塊22分別與微差壓傳感器21和信號調(diào)理電路23電連接，分別為微差壓傳感器21提供穩(wěn)定的電流，為信號調(diào)理電路23提供穩(wěn)定的電壓；所述總壓腔8的總壓P1和靜壓腔6的靜壓P2分別通過軟管與微差壓傳感器21的兩輸入端相連接，微差壓傳感器21的輸出端與信號調(diào)理電路23相連，向信號調(diào)理電路23輸出一與壓差(P1-P2)成正比關(guān)系的電壓，該電壓經(jīng)信號調(diào)理電路23進行偏置放大得到一輸出電壓u；所述的數(shù)據(jù)采集模塊30與微差壓測量單元20的信號調(diào)理電路23輸出端相連，數(shù)據(jù)采集模塊30為A/D轉(zhuǎn)換電路模塊，對接受的信號進行AD轉(zhuǎn)換，之后輸入至與之相連的微處理器40；微處理器40與顯示存儲單元50相連，以顯示存儲所測得的空速數(shù)據(jù)；所述的微差壓傳感器21為MEMS微差壓傳感器；所述的電源模塊22包括一基準電壓221，基準電壓221連接到電壓比較器222的同相輸入端，微差壓傳感器21連接采樣電阻223，采樣電阻223一端接地，另一端與電壓比較器222反相輸出端相連，電壓比較器222的輸出為微差壓傳感器21提供恒流電源，基準電壓221的輸出端連接信號調(diào)理電路23的參考電位輸入端，為信號調(diào)理電路23提供穩(wěn)定參考電壓，對微差壓傳感器21的輸出電壓u信號進行偏置放大。
在進行空速測量時，將微型飛行器的微型空速管單元10安裝在待測流場中合適位置，正對來流方向；微型空速管10同時輸出總壓P1和靜壓P2，流場中測量點附近空速表示為VA，流場氣體密度為ρ，q表示P1與P2的壓力差，則有q=ρ2VA2,]]>將總壓P1和靜壓P2分別接入微差壓測量單元20的兩個輸入端，通過微差壓測量單元20中的微差壓傳感器21和信號條理電路23，得到與差壓q成正比的電壓u，k為比例系數(shù)，其大小由所選用具體傳感器和信號條理電路決定，三者之間的關(guān)系可表示為u＝kq。微差壓測量單元20的的輸出電壓u，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集模塊30對電壓u進行AD轉(zhuǎn)換，結(jié)果輸入微處理器40，在微處理器40中對數(shù)據(jù)進行運算，得到空速VA，其計算公式為VA=2ukρ.]]>將測量結(jié)果送到顯示存儲單元50進行存儲并顯示。
本發(fā)明提供的用于微型飛行器的微型低速空速計具有以下優(yōu)點其空速管與傳統(tǒng)空速管工作原理類似，不同之處在于采用了易于微型化的結(jié)構(gòu)，管頭1與外管2的分開設計降低了加工難度，總壓管3直接插入管頭1正中，便于裝配，外管2與總壓管3之間形成靜壓腔，在外管2尾部對靜壓腔6進行密封，靜壓和總壓分別由靜壓管4和總壓管3導出；在各個連接處，均由粘結(jié)濟進行連接，同時起到密封的作用，此結(jié)構(gòu)很好的實現(xiàn)了空速管的微型化；微壓差測量單元選用微差壓傳感器，特別是選用MEMS微差壓傳感器，并對信號進行偏置放大，具有體積小、重量輕、可靠性高和能測量極低空速的特點。


附圖1為本發(fā)明的微型低速空速計的結(jié)構(gòu)示意圖(也是原理圖)；附圖2為微型低速空速管裝配圖；附圖3為微壓差測量單元2的結(jié)構(gòu)示意圖；其中微型空速管10 管頭1 外管2總壓管3 靜壓管4 密封塞5靜壓腔6 靜壓孔7 總壓腔8微壓差測量單元20 微差壓傳感器21電源模塊22、信號調(diào)理電路23數(shù)據(jù)采集模塊30處理器40微處理器40總壓腔8的總壓P1靜壓腔6的靜壓P2空速VA流場氣體密度ρ 壓力差q電壓u 系數(shù)k 顯示存儲單元50標準空速管校正系數(shù)Φ0標準空速管測得的動壓值Δp為待測定空速管測得的動壓值Δp′微差壓傳感器21電源模塊22信號調(diào)理電路23基準電壓221 電壓比較器222 電阻223輸出電壓u具體實施方式
下面結(jié)合附圖及實施例進一步描述本發(fā)明
參看附圖1，本發(fā)明的微型低速空速計是基于差壓測量原理的設計的，主要包括微型空速管單元10、微差壓測量單元20、數(shù)據(jù)采集模塊30、處理器40、顯示存儲單元50組成；其工作原理簡述如下將微型空速管單元10安裝在待測流場中合適位置，正對來流方向。微型空速管10同時輸出總壓P1和靜壓P2，流場中測量點附近空速表示為VA，流場氣體密度為ρ，q表示P1與P2的壓力差，則有q=ρ2VA2,]]>將總壓P1和靜壓P2分別接入微差壓測量單元20的兩個輸入端，通過微差壓測量單元20中的微差壓傳感器21和信號條理電路23，得到與差壓q成正比的電壓u，k為比例系數(shù)其大小由所選用具體傳感器和信號條理電路有關(guān)，三者之間的關(guān)系可表示為u＝kq。微差壓測量單元20的輸出電壓u，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集模塊30對電壓u進行采樣，采樣值進入微處理器40，在微處理器40中對數(shù)據(jù)進行運算，得到空速VA，其計算公式為VA=2ukρ;]]>將測量結(jié)果送到顯示存儲單元50進行存儲或顯示。
對于圖中30、40、50三個模塊，無需專門說明，本專業(yè)人士即可根據(jù)需要自行設計完成。另外對于30、40、50三個模塊，應該理解為根據(jù)需要可以將其與其他系統(tǒng)相結(jié)合或者作相應修改。
下面描述微型空速管單元10和微差壓測量單元201、微型空速管單元10設計中所要解決的一個主要技術(shù)問題是設計一種簡單的空速管結(jié)構(gòu)，減小體積和重量，以達到微型化的目的，同時使其結(jié)構(gòu)滿足低空速的測量的要求。
如附圖2所示，測量時，管頭1正對氣流方向，總壓管3插入管頭1正中心，另一端通過軟管與微差壓傳感器一個進氣口連接，氣流進入總壓腔8后，因不能繼續(xù)流動而被阻滯，從而感受到管口處的局部總壓P1；靜壓孔7開在外管2中部，感受平行于外管壁方向氣流的靜壓P2，由于靜壓孔7開孔方向與氣流方向垂直，此靜壓與流速大小無關(guān)；外管2與總壓管3之間形成靜壓腔6，靜壓由靜壓管4導出，通過軟管連接到微差壓傳感器21的另一個輸入端；為了減小迎角對測量結(jié)果的影響，消除誤差，在外管2同一截面上均布4-8個靜壓孔；靜壓孔處的氣流靜壓會受到頭部和后支桿的影響氣流流過半球形管頭時，流速增加靜壓下降，使測量靜壓低于實際靜壓，帶來負誤差；后支桿對氣流有減速作用，使靜壓增大，產(chǎn)生正誤差。因此應根據(jù)實驗結(jié)果合理選擇靜壓孔的位置；管頭1形狀采用半球形結(jié)構(gòu)，有利于低馬赫數(shù)的空速測量。
本發(fā)明采用的空速管與傳統(tǒng)空速管工作原理類似，不同之處在于其易于微型化的結(jié)構(gòu)，管頭1與外管2的分開設計降低了加工難度，總壓管3直接插入管頭1正中，便于裝配，外管2與總壓管3之間形成靜壓腔，在外管2尾部對靜壓腔6進行密封，靜壓和總壓分別由靜壓管4和總壓管3導出。在各個連接處，均由粘結(jié)濟進行連接，同時起到密封的作用。此結(jié)構(gòu)很好的實現(xiàn)了空速管的微型化。
2、微差壓測量單元20首先根據(jù)空速測量范圍計算并選定合適量程的微差壓傳感器21，一般的微型微差壓傳感器在本發(fā)明中均可適用，但以MEMS微差壓傳感器這一類的微差壓傳感器為效果較佳；可根據(jù)微壓差傳感器的輸出范圍及A/D轉(zhuǎn)換電路的要求，合理選擇信號調(diào)理電路的量程，在信號放大電路23中采用偏置放大，以達到能夠測量較低空速的要求；根據(jù)微差壓傳感器21以及信號調(diào)理電路23對電源和性能的要求設計電源模塊22。
下面介紹一最佳實施例。本實施例選用SM5651型MEMS微差壓傳感器作為敏感元件，該傳感器具有體積小、靈敏度高、可靠性高的特點。其內(nèi)部應用電阻激光修正技術(shù)對傳感器進行溫度補償、漂移修正，采用高穩(wěn)定芯片粘合在陶瓷基的結(jié)構(gòu)，保證了高可靠性。在恒流供電方式下，內(nèi)設一個增益系數(shù)調(diào)整電阻，可以配合外部差分放大器，增強了互換性。
請見圖4，提供穩(wěn)定的恒流源是保證傳感器高精度的首要條件。由MAX6061(基準電壓221)提供基準電壓，采樣電阻223對MEMS微差壓傳感器工作電流采樣，接到電壓比較器222反向輸入端，與接入電壓比較器同相輸入端的基準電壓進行比較，通過負反饋電路保證MEMS微差壓傳感器21工作在恒流狀態(tài)。需要注意的是，在選擇采樣電阻223時應保證工作電流使運放工作在線性范圍，避免飽和。
微差壓傳感器21的輸出連接到儀表放大器23，根據(jù)測量范圍選擇放大器增益。由于空速計工作在低速范圍，空速很低時，微差壓傳感器21輸出信號非常微弱，會造成在低速時測量時不能線性放大。為了提高空速計的線性度，達到極低空速測量的目的，將基準電壓221的輸出端接到儀表放大器23的參考電位輸入端，對微差壓傳感器信號進行偏置放大，這樣能夠有效消除死區(qū)，使空速計能測量的最小空速接近于零。
儀表放大器23的輸出端與AD轉(zhuǎn)換電路6相連，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換輸入到微處理器40，在微處理器40中進行處理，將測量結(jié)果保存在存儲器50中。
權(quán)利要求
1.一種用于微型飛行器的微型低速空速計，其特征在于，該微型低速空速計包括依次電連接的微型空速管單元(10)、微差壓測量單元(20)、數(shù)據(jù)采集模塊(30)、微處理器(40)和顯示存儲單元(50)；所述的微型空速管單元(10)；包括一總壓管(3)，其同心地插入具有球形弧面的管頭(1)的中心孔中，總壓管(3)之外套裝外管(2)，外管(2)的一端與管頭(1)密封連接，另一端通過密封塞(5)與總壓管(3)密封連接，外管(2)靠近尾部的管壁上垂向安裝一與外管(2)內(nèi)腔相通的靜壓管(4)，位于外管(2)中部的一徑向截面上均布有4-8個靜壓孔；所述總壓管(3)內(nèi)腔構(gòu)成總壓腔(8)，外管(2)與總壓管之間構(gòu)成靜壓腔(6)，由其靜壓由靜壓管(4)內(nèi)腔引出；所述的微差壓測量單元(20)；包括微差壓傳感器(21)、電源模塊(22)、信號調(diào)理電路(23)；所述的電源模塊(22)分別與微差壓傳感器(21)和信號調(diào)理電路(23)電連接，為微差壓傳感器(21)提供穩(wěn)定的電流，為信號調(diào)理電路(23)提供穩(wěn)定的電壓；所述總壓腔(8)的總壓(P1)和靜壓腔(6)的靜壓(P2)分別通過軟管與微差壓傳感器(21)的兩輸入端相連接，微差壓傳感器(21)的輸出端與信號調(diào)理電路(23)相連，向信號調(diào)理電路(23)輸出一與壓差(P1-P2)成正比關(guān)系的電壓，該電壓經(jīng)信號調(diào)理電路(23)進行偏置放大得到一輸出電壓(u)；所述的數(shù)據(jù)采集模塊(30)與微差壓測量單元(20)的信號調(diào)理電路(23)輸出端相連，數(shù)據(jù)采集模塊(30)為A/D轉(zhuǎn)換電路模塊，對接受的信號進行AD轉(zhuǎn)換，之后輸入至與之相連的微處理器(40)；微處理器(40)與顯示存儲單元(50)相連，以顯示存儲所測得的空速數(shù)據(jù)。
2.按權(quán)利要求1所述的用于微型飛行器的微型低速空速計，其特征在于，所述的微差壓傳感器(21)為MEMS微差壓傳感器。
3.按權(quán)利要求1所述的用于微型飛行器的微型低速空速計，其特征在于，所述的電源模塊(22)包括一基準電壓(221)，基準電壓(221)連接到電壓比較器222的同相輸入端，微差壓傳感器(21)連接采樣電阻(223)，采樣電阻(223)一端接地，另一端與電壓比較器(222)反相輸出端相連，電壓比較器(222)的輸出為微差壓傳感器(21)提供恒流電源，基準電壓(221)的輸出端連接信號調(diào)理電路(23)的參考電位輸入端，為信號調(diào)理電路(23)提供穩(wěn)定參考電壓，對微差壓傳感器(21)的輸出電壓u信號進行偏置放大。
全文摘要
本發(fā)明涉及的用于微型飛行器的微型低速空速計，包括依次相連的微型空速管、微差壓測量單元、數(shù)據(jù)采集模塊、微處理器和顯示存儲單元；空速管進行微型化設計包括管頭、外管、總壓管、靜壓管四部分，外管上設靜壓孔，總壓管插入管頭，外管另一端密封，總壓和靜壓分別由總壓管和靜壓管導出；簡化了加工、裝配難度；在微差壓測量單元的設計中，對低空速下微差壓傳感器輸出信號進行處理，有效地消除了死區(qū)，使最小量程范圍最小接近于零，提高了空速計的線性度；數(shù)據(jù)采集模塊與微差壓測量單元的信號調(diào)理電路輸出端相連，數(shù)據(jù)采集模塊為A/D轉(zhuǎn)換電路模塊，對接受的信號進行AD轉(zhuǎn)換，之后輸入至與之相連的微處理器；微處理器與顯示存儲單元相連。
文檔編號G01P5/14GK1670534SQ20041000344
公開日2005年9月21日 申請日期2004年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月15日
發(fā)明者熊沈蜀, 周兆英, 王曉浩, 王立代, 祝志晨 申請人:清華大學