[發(fā)明專利]一種應(yīng)用于飛行器的無空速管的空速計

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110184368.8
• 申請日: 2021-02-10
• 公開（公告）號: CN113156159B
• 公開（公告）日: 2022-08-19
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 馬順利;吳天祥;許諾;曾超凡
• 申請（專利權(quán)）人: 復(fù)旦大學(xué)
• 主分類號: G01P5/08
• 分類號: G01P5/08
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;陸尤

本發(fā)明屬于流體檢測技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種應(yīng)用于飛行器的無空速管的空速計。本發(fā)明空速計包括風(fēng)速計傳感器（溫度傳感器）和功率放大器，風(fēng)速計傳感器電路包括諧振網(wǎng)絡(luò)和交叉耦合的晶體管，功率放大器電路包括輸入匹配、中間級匹配和輸出匹配。本發(fā)明可用于飛行器的空速計，相比于傳統(tǒng)空速管空速計，本發(fā)明提出的空速計無需使用空速管，并且所占空間很小，結(jié)合外接無源天線，可以直接傳輸空速信號，同時又能保證空速測量的精度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于流體檢測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種應(yīng)用于飛行器的無空速管的空速計。

背景技術(shù)

空速是飛行器空氣動力的必要參數(shù)，也是飛行器航程推算的重要依據(jù)。

一種測量空速的方法是通過收發(fā)聲波脈沖的方法來實現(xiàn)直接測量，基于多普勒頻移原理。但當(dāng)飛行高度超過5km時，隨著空氣密度的下降，收發(fā)聲波脈沖將受到傳播介質(zhì)的限制，精度將嚴(yán)重降低。

當(dāng)今主流的測量空速的方法是空速管。與多普勒原理不同，它基于流體力學(xué)的方法。空速管（也稱作皮托管）是一種重要的大氣數(shù)據(jù)傳感器，通過探測飛行器在飛行條件下周圍大氣環(huán)境的靜壓和總壓。進(jìn)而將測量的壓強(qiáng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)換成飛行器的飛行馬赫數(shù)、氣壓高度以及升降速度等飛行參數(shù)信息。但飛行器在亞聲速或超聲速飛行時，空氣因受機(jī)體的擾動作用，在其周圍形成了一個飛行器繞流場，影響空速管的測量精度；同時，在空速低于40km/h時，由于壓差不明顯，空速管測量精度將有所下降；另外，空速管越長，探測到的靜壓就越接近真實的大氣靜壓，但越長的空速管就越難保證其剛度要求，而且還會遮蓋飛行員對地的一部分重要視場，在精度和尺寸上難以做出取舍。

若不利用空速管作為壓力傳感方式，則有轉(zhuǎn)輪式，壓力式，熱式等。轉(zhuǎn)輪式利用空氣氣流的能量驅(qū)動一個螺旋槳或風(fēng)輪，通過對螺旋槳或風(fēng)輪速度的測量得到空速大小，但其在低風(fēng)速情況下機(jī)械系統(tǒng)爬行現(xiàn)象嚴(yán)重，啟動風(fēng)速大，可靠性差，不利于低風(fēng)速測量；壓力式的敏感元件是壓力傳感器。通過對全壓、靜壓的測量，可以解算出空速。但在低風(fēng)速下，輸出信號微弱，靈敏度不高，精度差。

本發(fā)明所設(shè)計的空速計為熱式改進(jìn)性，它既可以滿足精度需求，在尺寸上也大大小于空速管。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明旨在提供一種測量精度高、體積小的應(yīng)用于飛行器的無空速管的空速計。

本發(fā)明提供的應(yīng)用于飛行器的無空速管的空速計，其電路結(jié)構(gòu)參見圖1所示，包括：風(fēng)速計傳感器（即溫度傳感器）和功率放大器，其中：

所述風(fēng)速計傳感器，包含LC諧振網(wǎng)絡(luò)和CMOS晶體管構(gòu)成的負(fù)電阻；具體地，包括兩個片上無源電感L1與L2，16個NMOS管M1-M16。兩個電感一端共接電源電壓VDD，另一端與兩個不同的NMOS管柵極相連，這兩個NMOS管源極相連，漏極共接偏置電壓，從而組成一個電容；這樣由兩個NMOS管組成的電容一共有七個，它們以并聯(lián)的方式連接，從而組成電容陣列；上述兩個電感L1與L2，以及14個電容組成耦合網(wǎng)絡(luò)；最后兩個NMOS管交叉耦合，即一NMOS的漏極與另一個NMOS的柵極相連，同時兩個源極共接地；參見圖2所示。

所述功率放大器，包括三級功率放大器，以及在放大器的輸入、輸出端與各個級聯(lián)的放大器之間的一共四個變壓器匹配網(wǎng)絡(luò)；所述匹配網(wǎng)絡(luò)由并聯(lián)電容和四個片上無源電感組成。（各級）放大器部分由一組兩個NMOS差分對管和兩個電容組成，電容由兩個NMOS晶體管各自漏極交叉連接到另一晶體管的體端；放大器的晶體管柵壓直流偏壓由前一級的匹配網(wǎng)絡(luò)的變壓器的次級線圈的抽頭處引入；信號從風(fēng)速計傳感器輸出后，進(jìn)行功率放大，以便于以電磁信號在空間中進(jìn)行無線傳播，從而傳輸給遠(yuǎn)程信息處理端進(jìn)行進(jìn)一步的處理分析。參見圖3所示。

本發(fā)明提供的一種應(yīng)用于飛行器的無空速管的空速計，其原理為：芯片在環(huán)境中的溫度由芯片表面流體流速直接決定，隨著風(fēng)速的變化，芯片的溫度也發(fā)生相應(yīng)變化，從而使得芯片內(nèi)的電容值發(fā)生變化，不同的電容值可以使風(fēng)速計傳感器輸出不同頻率的信號，將芯片區(qū)域溫度變化對CMOS電容陣列的容值大小的影響轉(zhuǎn)換為輸出信號的頻率，因此，風(fēng)速信息都包含在信號頻率中。