专利名称：一种适用于微小型飞行器的复合气动数据传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种适用于微小型飞行器的复合气动数据传感器，属于传感器技术领域。
背景技术：
为了测量飞行器在飞行过程中的相对气流的运动速度、角度及飞行高度信息，需要在飞行器上安装专用的气动数据测量传感器。需要测量的具体参数主要包括1.空速，即飞行器相对于气流的运动速度V ；2.飞行气压高度，即由气压大小推算得到的飞行器与海平面之间的相对高度差；3.迎角，即飞行器速度矢量V在飞行器对称平面上的投影与机体轴Oxb之间的夹角；4.侧滑角，飞行器速度矢量V与飞行器对称平面之间的夹角。常规飞行器通常采用独立的空速管和迎角、侧滑角传感器进行以上四个参数的测 量。一部分飞行器在试飞过程中为了方便安装调整及提高测量精度，会在飞行器头部安装集成式气动数据传感器以测量三个参数。微小型飞行器相对于常规全尺寸飞行器而言，具有尺寸小、重量轻、集成度高的显著特点，主要用于作为无人机系统飞行平台，从事侦查、测绘等危险或枯燥的飞行任务；或作为全尺寸飞行器的缩比飞行器，用于飞行器研制过程中的技术测试和进行科研试飞任务。常规集成式气动数据传感器由于尺寸、重量较大，无法安装在微小型飞行器上。具有单独功能的小型气动传感器虽然能够满足微小型飞行器尺寸重量要求，但由于该类传感器安装位置靠近机体，使得其测量的数据误差较大。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题，针对微小型飞行器飞行试验过程中高精度测量空速、迎角、侧滑角的要求，提出一种适用于微小型飞行器的复合气动数据传感器，特点为体积小、重量轻、集成度高，能够用于微小型飞行器飞行试验过程中对空速、气压高度、迎角、侧滑角的测量。一种适用于微小型飞行器的复合气动数据传感器，包括空速管组件、连接管组件和两套风标组件；所述的空速管组件，包括空速管管头、空速管管壁、空速管管尾堵头、总压导管和静压导管；其中，空速管管壁中部开有静压孔，空速管管头连接在空速管管壁的一端，空速管管尾堵头固定在空速管管壁的另一端，空速管管尾堵头内设有两个柱形圆孔，空速管管头设有锥形孔，锥形孔的小口一端通过焊接连接在总压导管的一端，总压导管位于空速管管壁内部，另一端穿出空速管管尾堵头的柱形圆孔，静压导管穿过空速管管尾堵头的柱形圆孔，一部分位于空速管管壁内部，另外一部分位于空速管管壁外部，总压导管、静压导管一直延伸至尾管；所述的连接管组件包括过渡管、中管和尾管；其中，过渡管、中管和尾管依次固定连接，过渡管与在空速管管尾堵头一端与空速管组件连接，中管内部平行于轴向开有四条长孔，其中两条用于通过总压导管和静压导管，另外两个用于通过风标组件引出的导线，中管侧面前后间隔90°开有两个连接风标组件的安装定位槽；所述的风标组件包括风标安装座、风标杆固定座、风标杆、风标翅片、转轴、磁铁、霍尔元件、导线和轴承；其中风标杆固定座沿水平、竖直方向分别钻有一个横孔和一个纵孔，风标杆由顶丝固定在风标杆固定座的横孔内；风标翅片固定在风标杆的一端，转轴一端固定在风标杆固定座的纵孔内，另一端与磁铁胶接；风标组件工作时，风标杆固定座、风标杆、风标翅片、转轴、磁铁五个零件固联为一个整体；风标安装座内沿竖直方向钻有纵孔，底部加工有矩形孔；转轴位于风标安装座的纵孔内，磁铁位于矩形孔内；轴承安装在风标安装座纵孔两端，用于支撑转轴工作时平滑转动；霍尔元件测量磁铁的转动角度，通过导线输出，霍尔元件与导线安装在风标安装座底部矩形孔内；风标杆固定座底部设有安装座，安装座为定位平面，风标组件通过安装座固定在中管侧面定位槽内，导线进入中管的长孔中。本发明的优点在于 ( I)本发明与传统集成式气动数据传感器相比，本发明体积更�。芄皇视ξ⑿⌒头尚衅鹘衔量痰闹亓亢统叽缫螅�(2)本发明与现有的用于微小型飞行器的单独功能气动数据传感器相比，本发明能够测量更多数据，安装方式能够使获得更高的测量精度；(3)本发明中迎角侧滑角的测量采用霍尔元件作为传感器，实现了非接触式测量方法，能够在提高测量精度的同时，提高测量装置的灵敏度，更加适应微小型飞行器飞行速度较低条件下的气动角度测量需求；(4)本发明中空速管组件采用的结构形式能够有效降低由于飞行器迎角、侧滑角改变带来的总压、静压测量误差。
图I是本发明的结构示意图；图2是本发明空速管组件的结构示意图；图3是本发明图2中A-A面的放大结构示意图；图4是本发明连接管组件的结构示意图；图5是本发明风标组件的结构示意图；图6是本发明中管的结构示意图；图7是本发明图6中B-B面的放大结构示意图。图中10—空速管组件 20—连接管组件30—风标组件11一空速管管头 12—空速管管壁13—空速管管尾堵头14 一总压导管 15—静压导管21—过渡管 22—中管23—尾管31一风标安装座 32—风标杆固定座33—风标杆34—风标翅片 35—转轴36—磁铁37—霍尔元件 38—导线39—轴承
具体实施例方式下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。本发明是一种适用于微小型飞行器的复合气动数据传感器，如图I所示，包括空速管组件10、连接管组件20和两套风标组件30 ；所述的空速管组件10如图2所示，包括空速管管头11、空速管管壁12、空速管管尾堵头13、总压导管14和静压导管15。其中，空速管管壁12中部开有十个静压孔，如图3所示，上侧四个静压孔，孔间距角度13. 3°，下侧六个静压孔，孔间距角度12°。空速管管头11焊接在空速管管壁12的一端，空速管管尾堵头13焊接在空速管管壁12的另一端，空速管管尾堵头13内设有两个柱形圆孔，空速管管头11中的锥形孔角度为30°，锥形孔的小口一端通过焊接连接在总压导管14的一端。总压导管14穿过空速管管壁12内部，另一端从空速管管尾堵头13的柱·形圆孔中穿出。静压导管15穿过空速管管尾堵头13的柱形圆孔，一部分位于空速管管壁12内部，另外一部分位于空速管管壁12外部，总压导管14、静压导管15与空速管管尾堵头13柱形圆孔的连接方式为焊接。总压导管14、静压导管15 —直延伸至尾管23。所述的连接管组件20如图4所示,包括过渡管21、中管22和尾管23。其中，过渡管21、中管22和尾管23之间通过螺丝相互固定，过渡管21与在空速管管尾堵头13 —端与空速管组件10连接，空速管管壁12插入过渡管21中央圆孔中，并通过顶丝进行固定。中管22如图6、图7所示，内部平行于轴向开有四条长孔，其中两条用于通过总压导管14和静压导管15，另外两个用于通过风标组件30引出的导线38。此外，中管22侧面前后间隔90°开有两个连接风标组件30的安装定位槽。尾管23为能够与中管22进行安装配合的空心圆管。所述的风标组件30如图5所示，包括风标安装座31、风标杆固定座32、风标杆33、风标翅片34、转轴35、磁铁36、霍尔元件37、导线38和轴承39。其中风标杆固定座32沿水平、竖直方向分别钻有一个横孔和一个纵孔，风标杆33由顶丝固定在风标杆固定座32的横孔内。风标翅片34固定在风标杆33的一端，采用过盈配合。转轴35—端由顶丝固定在风标杆固定座32的纵孔内，另一端与磁铁36胶接。风标组件30工作时，风标杆固定座32、风标杆33、风标翅片34、转轴35、磁铁36五个零件固联为一个整体。风标安装座31内沿竖直方向钻有有纵孔，底部加工有矩形孔。转轴35位于风标安装座31的纵孔内，磁铁36位于矩形孔内。轴承39安装在风标安装座31纵孔两端，用于支撑转轴35工作时平滑转动。磁铁36采用径向磁化方式，霍尔元件37采用MLX90316角度位置传感芯片，与导线38安装在风标安装座31底部矩形孔内，霍尔元件37用于测量磁铁36的转动角度，通过导线38输出。风标组件30通过风标杆固定座32底部的安装座为定位平面，采用两颗螺丝将风标组件30安装在中管22侧面定位槽内。导线38进入中管22的长孔中。工作原理与过程本发明进行飞行器气动数据测量时需要固定安装在飞行器机头部分，空速管组件10与飞行器机身轴线方向平行并指向前。位置靠前的风标向下作为侧滑角传感器，位置靠后的风标朝向侧面作为迎角传感器。空速管组件10可以采集飞行器飞行高度和速度信息。飞行高度信息由大气基本属性得到。随着高度的增加，气压会随之改变。通过将空速管组件10中引出的静压导管15与气压传感器相连，由此读出静压信息。再通过将气压代入标准大气表中插值即可得到飞行器飞行气压高度信息。飞行速度信息利用伯努利原理计算获得。根据伯努利方程关系A = l3 + \pV2。式
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中Ptl为流场总压，P为流场中人一点的静压，P为空气密度，V为流场的速度。通过将空速 管组件10中引出的总压导管14和静压导管15分别与气压传感器相连，读取流场的总压和静压大�。倮貌匠碳纯汕蟪龇尚兴俣�。方程求解过程中空气密度数据P，需要通过利用气压高度代入标准大气表中插值获得。风标组件30工作原理类似风向测量中使用的风向标。当流场速度与风标杆33方向存在夹角时，风标杆33末端的翅片34处会产生一定的升力，促使风标杆33转动直至其与流场速度间的夹角为零。风标杆33转动过程中，通过转轴35带动磁铁36转动，使磁铁36与霍尔传感器37之间的相对夹角发生改变。霍尔传感器37的输出电压会随着磁铁36的磁力线与霍尔传感器37之间夹角改变而变化。经由导线38读取霍尔传感器37的输出电压，即可获得飞行器迎角和侧滑角信息。本发明在实际使用过程中，完全可以通过利用常规的飞行数据记录装置或自动驾驶系统之间采集得到飞行速度、高度、和迎角侧滑角信息。其方法为将总压导管14、静压导管15分别连接到飞行数据记录装置或自动驾驶系统相应气压传感器接口。风标组件30连出的导线38与飞行数据记录装置或自动驾驶系统A/D采集口，再根据风标偏角进行电压标定后即可得到飞行过程中的迎角侧滑角信息。
权利要求
1.一种适用于微小型飞行器的复合气动数据传感器，其特征在于，包括空速管组件、连接管组件和两套风标组件； 所述的空速管组件，包括空速管管头、空速管管壁、空速管管尾堵头、总压导管和静压导管；其中，空速管管壁中部开有静压孔，空速管管头连接在空速管管壁的一端，空速管管尾堵头固定在空速管管壁的另一端，空速管管尾堵头内设有两个柱形圆孔，空速管管头设有锥形孔，锥形孔的小口一端通过焊接连接在总压导管的一端，总压导管位于空速管管壁内部，另一端穿出空速管管尾堵头的柱形圆孔，静压导管穿过空速管管尾堵头的柱形圆孔，一部分位于空速管管壁内部，另外一部分位于空速管管壁外部，总压导管、静压导管一直延伸至尾管； 所述的连接管组件包括过渡管、中管和尾管；其中，过渡管、中管和尾管依次固定连接，过渡管与在空速管管尾堵头一端与空速管组件连接，中管内部平行于轴向开有四条长孔，其中两条用于通过总压导管和静压导管，另外两个用于通过风标组件引出的导线，中管侧面前后间隔90°开有两个连接风标组件的安装定位槽； 所述的风标组件包括风标安装座、风标杆固定座、风标杆、风标翅片、转轴、磁铁、霍尔元件、导线和轴承；其中，风标杆固定座沿水平、竖直方向分别钻有一个横孔和一个纵孔，风标杆固定在风标杆固定座的横孔内；风标翅片固定在风标杆的一端；转轴一端固定在风标杆固定座的纵孔内，另一端与磁铁胶接；风标组件工作时，风标杆固定座、风标杆、风标翅片、转轴、磁铁五个零件固联为一个整体；风标安装座内沿竖直方向钻有纵孔，底部加工有矩形孔；转轴位于风标安装座的纵孔内，磁铁位于矩形孔内；轴承安装在风标安装座纵孔两端，用于支撑转轴工作时平滑转动；霍尔元件测量磁铁的转动角度，通过导线输出，霍尔元件与导线安装在风标安装座底部矩形孔内；风标杆固定座底部设有安装座，安装座为定位平面，风标组件通过安装座固定在中管侧面定位槽内，导线进入中管的长孔中。
2.根据权利要求I所述的一种适用于微小型飞行器的复合气动数据传感器，其特征在于，所述的空速管管壁中部开有十个静压孔，上侧四个静压孔，孔间距角度13.3°，下侧六个静压孔，孔间距角度12°。
3.根据权利要求I所述的一种适用于微小型飞行器的复合气动数据传感器，其特征在于，所述的空速管管头中的锥形孔角度为30°。
4.根据权利要求I所述的一种适用于微小型飞行器的复合气动数据传感器，其特征在于，所述的磁铁采用径向磁化方式。
5.根据权利要求I所述的一种适用于微小型飞行器的复合气动数据传感器，其特征在于，所述的霍尔元件采用MLX90316角度位置传感芯片。
6.根据权利要求I所述的一种适用于微小型飞行器的复合气动数据传感器，其特征在于，所述的静压导管连接气压传感器，通过气压传感器得到静压。
7.根据权利要求I所述的一种适用于微小型飞行器的复合气动数据传感器，其特征在于，所述的总压导管连接气压传感器，通过气压传感器得到总压。
8.根据权利要求I所述的一种适用于微小型飞行器的复合气动数据传感器，其特征在于，所述的通过导线读取霍尔元件的输出电压，获得飞行器迎角和侧滑角信息。
全文摘要
本发明公开了一种适用于微小型飞行器的复合气动数据传感器，包括空速管组件、连接管组件和两套风标组件；所述的空速管组件，包括空速管管头、空速管管壁、空速管管尾堵头、总压导管和静压导管；所述的连接管组件包括过渡管、中管和尾管；所述的风标组件包括风标安装座、风标杆固定座、风标杆、风标翅片、转轴、磁铁、霍尔元件、导线和轴承；本发明与传统集成式气动数据传感器相比，本发明体积更�。芄皇视ξ⑿⌒头尚衅鹘衔量痰闹亓亢统叽缫螅槐痉⒚饔胂钟械挠糜谖⑿⌒头尚衅鞯牡ザ拦δ芷荽衅飨啾龋痉⒚髂芄徊饬扛嗍荩沧胺绞侥芄皇够竦酶叩牟饬烤�。
文档编号G01M9/06GK102944375SQ20121040484
公开日2013年2月27日 申请日期2012年10月22日 优先权日2012年10月22日
发明者宋磊, 黄 俊, 张扬, 刘成, 杨华, 解静峰 申请人:北京航空航天大学
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