压电式风速传感系统的设计研究

发布时间：2020-08-06 08:27

【摘要】：飞行器飞行时,外部环境的不确定性会造成其外部流场不断发生改变,例如,气流的突变会造成飞机的颠簸,影响飞机的操控,因而需要某些具有感知外部流场变化功能的传感器来实现流场的监测,将测量得到的气动参数提供给大气计算机并加以优化操控,可提高飞行器的稳定性、避险和操纵能力。因此,为了提高风速传感器工作效率,本文利用压电材料的压电效应和响应快的特点,以压电双晶片为传感元件,构建了一种可以同时感知风速大小与方向的压电传感系统,并针对两种不同结构外形的模型部件进行了传感特性实验研究。本文的主要研究工作如下:1.提出了一种压电双晶片的圆盘阵列结构的风速传感系统,首先分析了压电悬臂梁在风激励下的感应电压与风速大小之间的数学关系,并且基于有限元软件建立了流-固-电多场耦合的二维模型,计算结果和实验结果都表明感应电压(零峰值)与流速大小之间存在2次的函数关系。由于单个双晶片无法同时判别风速大小和方向,可通过多片阵列的方式从其信号之间的差异来辨识风速。实验获得双晶片各自的感应电压(零峰值)与风速之间的函数关系,利用此关系和几何关系就可以反求出风速的大小和方向。实验结果表明:多片阵列结构的风速大小和风向角的传感误差分别在6%和4°以内。2.针对客机与歼击机不同机头形状,设计了一种适用于飞行器机头结构的风速传感系统。其中,机头模型的顶角夹角分别为40°和60°,压电双晶片嵌入到模型的凹槽内,形成悬臂梁结构,同时采用4片压电双晶片的阵列方式,此种布局方式对空气动力学特性的影响较小。搭建了针对此压电传感系统的测试平台。在进行实验测试发现,感应电压的均方根值与风速大小和风向角存在2次方的函数关系,因此将其作为表征风速的特征值,通过此关系就可以反求出模型外部的风速大小和风向角。3.基于上述两种机头模型的压电集成部件,在测试平台进行了风速传感特性的对比实验。实验结果表明:在风速大小约为8 m/s时,40°夹角的模型中,其最大和最小的风速大小传感误差分别为4.14%和0.34%,风向角误差分别为3.78°和0.31°;而60°夹角的模型的最大和最小的风速大小传感误差分别为2.38%和0.5%,风向角误差分别为2.37°和0.55°。同时,还测试了采样时间与传感精度之间的定量关系,其压电传感系统的风速(矢量)传感所需时间在1 s之内,即实现了飞行器外部流场的实时感知。综上所述,本论文所研究的压电式风速传感系统,可以在飞行器机头模型上实现1 s内的风速和风向的快速感知,感知风速大小的最高精度可达0.34%,风向角的最高精度可达0.31°,为下一步压电系统的小型化,集成化以及飞行器的真实飞行传感实验奠定研究基础。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V241
【图文】：

示意图,毛发,电容式,传感器

图 1.5 电容式仿生毛发传感器图 1.6 纤毛传感器及阵列示意图压电材料的机电耦合特性适合作为传感器件。2012 年保加利亚瓦尔纳技术大学.St.Marinov 等人制作了基于 PVDF 压电薄膜的十字形传感结构[22]，如图 1.7 所示，十字形基 8 个面上粘贴有 PVDF，不同方向的来流使得不同的 PVDF 产生的电信号不同，可大致判断速大小和方向的，但不能准确测量风速。2015 年，扬州大学边义祥等人研制了直径约为 0.5 mm金属芯的 PVDF 压电纤维（MPF）[23-24]，对于冲击气流的响应很快，可以检测周围气流的变和方向。该纤维的柔韧性很好，具有良好的传感性能。次年，在此制备基础上研制出了 4 扇

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结构示意图,卡门涡街

图 1.7 PVDF 十字结构示意图图 1.8 含金属芯多电极 PVDF 压电纤维2010 年美国乔治亚理工学院提出了基于复合材料的能量收集和气流流量检测传感器[26]， 1.9 采用氧化锌和 PVDF 压电材料复合设计，利用卡门涡街原理，即气流经过钝体时尾部有规律的涡街，通过尾部的传感器识别出来。其具有较高的力电输出特性，灵敏度高，能现环境气流的检测。图 1.9 基于卡门涡街的气流检测装置2012 年，日本 NMEMS 技术研究组织 Y. Tomimatsu 等人提出一种用于无线传感器节点的开关的流量传感器[27-28]，基于 MEMS 工艺制备，结构示意图如图 1.10 所示。气流通过流

【参考文献】