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带集成柔性压电电容压力传感器的翼型风速计提高无人机性能

发布时间:2022-08-24 17:55:30 来源:火狐体育网页首页 作者:火狐体育官网

内容简介:  传统的风速计(如皮托管)以及旋转、加热元件、声学和阻力技术对于小型和微型飞行器具有功耗高、气动阻力大、信号处理复杂和成本高等缺点。本文介绍了一种翼型风速计,该风速计提供低阻力,同时集成了用于测量系留风筝、气球和无人机上的风速和风向的传感器。风速由带有聚偏二氟乙烯 (PVDF) 隔膜的集成双层电容压力传感器测量,而风向由 3D 数字磁力计测量,该磁力计可感应翼型相对于地球磁场的方向。  用于监测风速和风向的风速计对于风筝、气球和无人机等系留机载系统的轨迹优化和控制至关重要。风速测量在能源领域对于能源预测和优化风力涡轮机的性能非常重要...

  传统的风速计(如皮托管)以及旋转、加热元件、声学和阻力技术对于小型和微型飞行器具有功耗高、气动阻力大、信号处理复杂和成本高等缺点。本文介绍了一种翼型风速计,该风速计提供低阻力,同时集成了用于测量系留风筝、气球和无人机上的风速和风向的传感器。风速由带有聚偏二氟乙烯 (PVDF) 隔膜的集成双层电容压力传感器测量,而风向由 3D 数字磁力计测量,该磁力计可感应翼型相对于地球磁场的方向。

  用于监测风速和风向的风速计对于风筝、气球和无人机等系留机载系统的轨迹优化和控制至关重要。风速测量在能源领域对于能源预测和优化风力涡轮机的性能非常重要。目前,有人驾驶和无人驾驶飞行器都使用皮托管来测量空速;但是,皮托管需要电加热器以防止结冰造成堵塞。这些电加热器对小型和微型飞行器的效率和飞行时间产生负面影响。作为物联网 (IoT)的一部分,对用于风监测的小型、高效、低成本分布式传感器的需求也在不断增长。

  这些风传感器(称为风速计)用于监测风速和风向。研究人员表示,随着对自动驾驶飞机的需求增加,需要更好的风传感器,以使这些车辆更容易感知天气变化并执行更安全的起飞和着陆。

  “我们利用空域以有效方式移动或运输物品的能力具有巨大的社会影响,”达皮诺说。“但要操作这些飞行物体,无论车辆是有人驾驶还是无人驾驶,都必须实时获得精确的风测量。” 他说,除了帮助空中物体穿越长距离外,准确的风力测量对于能源预测和优化风力涡轮机的性能也很重要。

  本文介绍了一种用于智能系绳系统的翼型风速计,如图所示。机翼形套筒安装在系绳上以减少空气动力阻力,同时集成传感、数据处理、无线通信和能量收集以实现完全自主操作。与圆形轮廓具有相同正面面积的翼型套筒可以将空气动力阻力降低到圆形轮廓Adel 的 1/10 。沿着系绳的翼型段可以自由地独立旋转,或者设计为具有高扭转柔度,使得翼型可以与沿着系绳的所有位置处的气流方向对齐。

  工程师设计并成功测试了一种更高效的风传感器,可用于无人机、气球和其他自主飞机。低阻力智能系绳系统的概念示意图。插图显示了翼型风速计的概念,该风速计配备了适形压力传感器和磁力计,分别用于风速和风向测量。

  最终传感器的总厚度为 0.54 毫米,具有良好的柔韧性,使其能够与翼型表面贴合。基于该传感器可能的低成本和多种传感模式,预计它将非常适合广泛的其他分布式压力传感应用。

  下图 显示了容纳电容式压力传感器和磁力计的翼型结构的内部设计图。NACA 2412 翼型的弦长和宽度分别选择为 150 和 70 毫米。由于电容传感器在承受正压时表现出更高的灵敏度,因此它位于机翼前端附近正压最高的位置。因此,创建了一个 2 mm 深的空腔来容纳电容式压力传感器,并提供通道以将来自电容式压力传感器的布线从机翼侧面引出。

  传统的风速计收集数据的方式各不相同,但它们都有局限性。由于风速计制造成本高、耗能大、气动阻力大(这意味着该仪器会阻止飞机在空中的运动),因此许多类型的风速计都不适合小型飞机。但俄亥俄州立大学团队的风速计重量轻、能量低、阻力小,并且比传统类型的风速计对压力变化更敏感。

  PVDF 广泛用于建筑涂料和锂离子电池,它可以是压电的,这意味着它在施加压力时会产生电能。该能量可用于为设备供电。一块柔性 PVDF 薄膜的测量电压或电容变化可以与风速相关联。

  PVDF 传感器集成在机翼中,类似于飞机机翼,可减少空气动力阻力。因为翼型像风向标一样可以自由旋转,所以可以用来测量风向。

  但是为了测试他们的设备一旦受到地球大气层的影响,研究人员设计了一个双管齐下的实验。首先,压力传感器在密封室中进行测试以确定其灵敏度。然后,将传感器整合到机翼中并在风洞中进行测试。结果表明,该传感器可以很好地测量压力和风速。集成在机翼中的小型数字磁力计罗盘通过测量机翼相对于地球磁场的绝对方向来提供精确的风向数据。

  但需要做更多的研究才能将风传感器概念从受控研究环境转移到商业应用。随着他的团队继续与 PVDF 和其他先进材料合作以改进传感器技术,研究者表示希望他们的工作最终将导致可以在飞机之外使用的技术,例如用于风力涡轮机的清洁、高效和随时可用的能源。

  “这些是非常先进的材料,可用于许多应用,”达皮诺说。“我们希望以这些应用为基础,将紧凑型风能发电带入家庭。”返回搜狐,查看更多

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