[發明專利]倒立擺式雙分量氣流壁面摩擦阻力傳感器

在審

• 申請號: 202211244112.2
• 申請日: 2022-10-11
• 公開（公告）號: CN115507995A
• 公開（公告）日: 2022-12-23
• 發明（設計）人: 宗豪華;吳云;梁華;宋慧敏
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍空軍工程大學
• 主分類號: G01L9/16
• 分類號: G01L9/16;G01M9/06
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

提供一種倒立擺式雙分量氣流壁面摩擦阻力傳感器，其特征在于，包括非金屬外殼(10)、倒立擺(20)、感應電極(30)、電磁鐵(40)、永磁環(50)和金屬底座(60)。以及該傳感器的測量方法。還提供一種倒立擺式雙分量氣流壁面摩擦阻力傳感器控制系統，及由其獲得的基于差分電壓信號的倒立擺平衡控制方法。本發明傳感器適用范圍廣，對于低速流動和高速流動中均適用；可實現雙分量測量；頻響高；成本低；測量流程簡單，具有很高的實用推廣價值。

技術領域

本發明涉及壁面摩擦阻力傳感領域，尤其是一種將微型倒立擺結構和磁力自適應閉環控制結合起來用于雙分量氣流壁面摩擦阻力測量的傳感器。

背景技術

在航空航天領域，壁面摩擦阻力診斷對于飛行器的研發具有重要意義。壁面摩擦阻力反映近壁邊界層的狀態(層流或者湍流)，決定飛行器的巡航性能，還影響高速飛行器的結構熱載荷。現有的壁面摩擦阻力測量方法大致可以分為三類。一是基于近壁速度型的測量方法，依據的物理原理是牛頓粘性定律，采用的主要實驗設備有熱線、顯微PIV和激光多普勒風速儀LDA等(CN105004466A，一種高精度非接觸氣動摩擦阻力測量方法及測量裝置，潘翀、王建杰、申俊琦、王晉軍、李志波、李磊)。該方法測量效率較低，一個包含數10個數據點的近壁速度剖面卻只能推算出一個摩擦阻力分量值。對于三維機翼流動來說，壁面摩擦阻力存在兩個分量，需要布置兩個速度測量截面才能得到一個空間位置的總壁面摩擦阻力。此外，受速度測量空間分辨率的限制，在高速、高雷諾數流動中很難得到近壁面粘性底層區域的速度分布(粘性底層厚度量級：1-10um)。因此，基于速度型的測量裝置只能適用于低速準二維流動的摩擦阻力測量。第二類摩擦阻力測量裝置是MEMS微機電系統(CN108467007A，一種基于視覺對準的MEMS摩阻傳感器制作方法，王雄、徐曉斌、朱濤、高揚、陳立國、王南天、邱華誠、史云龍)。該系統與壁面齊平安裝，通過將懸浮微平臺的位移信號轉化為天平的應變信號或者電容信號，來得到壁面摩擦阻力。相比于速度型測量，該方法具有測量效率高，動態特性好的優點。但是，MEMS摩擦阻力傳感器需要復雜制備工藝，成本極高。表面的微溝槽特征很容易被氣流中的灰塵堵塞，因此，只能適用于干凈氣流環境中的測量。第三類摩擦阻力測量裝置依據的是油膜干涉原理(CN 108007668 A，一種后掠翼三維邊界層摩擦阻力測量裝置及測量方法)。該裝置由單色光源、相機等組成，通過將油膜厚度變化轉化為干涉條紋間距，該裝置能夠實現整個飛行器模型表面的多點同時測量。該方法存在的主要問題是測量準備時間長、精度差，不能夠對同一空間位置的動態摩擦阻力變化進行診斷。

發明內容

本發明提出一種倒立擺式雙分量氣流壁面摩擦阻力傳感器，包括非金屬外殼10、倒立擺20、感應電極30、電磁鐵40、永磁環50和金屬底座60；其中

非金屬外殼10整體呈階梯圓柱狀，下粗上細，為兩級圓柱結構；非金屬外殼10為中空結構，內部包括兩個相互連接的腔體：位于上部的細長形圓柱腔103和位于下部的方腔104，其高度和位置分別對應上半部分圓柱和下半部分圓柱；細長形圓柱腔103和位于下部的方腔104的軸線均與非金屬外殼10的軸線重合；方腔104為長方體結構，其高度由非金屬外殼10下半部分圓柱的高度決定；在下半部分圓柱外壁面設置四個螺紋孔101和四個電磁鐵安裝孔102，分別用于感應電極30和電磁鐵40的裝配；螺紋孔101沿下半部分圓柱外壁面周向均勻分布，相鄰孔位夾角90度；電磁鐵安裝孔102同樣沿下半部分圓柱外壁面周向均勻分布，夾角90度；每個螺紋孔101在相應電磁鐵安裝孔102的正上方，因此可以將四個螺紋孔101和四個電磁鐵安裝孔102分為四組，孔的深度由下半部分圓柱外壁面垂直貫穿至方腔104的內壁面；