基于MEMS的共形空速传感器制造技术

本申请公开了基于MEMS的共形空速传感器。其中用于测量空速的系统和方法，其通过在飞行器上创造外表面来解决结冰或堵塞的问题，使得输送空气并且测量通过气流的压力与静压之间的压力差。因为在飞行器运转中空气一直在流动所以该外表面不可被容易地堵塞，可以在外表面上的任何外部物质均是易于可见的，并且外表面可以被加热以防止结冰。此外，外表面由能够紧密符合飞行器的外部形状的柔性材料制成。优选的实施方式包括放置在气道下面的微机电系统压力传感器，用于测量每一个通道中的差压并且空速处理器用于将差压转换为空速估计。

【技术实现步骤摘要】

本公开内容总体上涉及用于测量飞行器相对于其周围气团的速度（以下简称"空 速"）的传感器。
技术介绍
飞行器要求飞行中的自身空速测量，以用于飞行器操纵、空气动力学计算和可能 的失速。这通常使用皮托管完成，皮托管由直接指向气流中的管组成。使用在气压下被压 缩的内部流体，流体压力可以被测量出并且被用于计算空气的滞止压力。为了计算气流速 度，与从馈送气压计的静态端口测量的静压进行比较。然后使用伯努利方程，可以计算动态 压力（因此，可以计算空速）。 现代皮托管被加热但是仍然具有结冰和堵塞问题，这些问题在一定条件下使它们 的使用存在问题。更具体地，在飞机着陆时皮托管可被外部物质堵塞，皮托管即使在加热时 仍然会结冰，并且有关能够更接近符合于飞行器的外部形状的解决方案，皮托管增加了阻 力（drag)。 存在需要用于测量空速的可替换的方法，其不受结冰或其他堵塞问题的影响并且 减小阻力。
技术实现思路
本文所公开的主题旨在用于测量空速的系统和方法，其消除了皮托管的缺点。下 面详细公开的系统通过在飞行器上建立输送空气并且测量气流的压力与静压之间的压差 的外表面，来解决皮托管的结冰或堵塞问题。由于在飞行器运动时空气一直在流动，所以该 外表面不像管那样会被容易地堵塞，可位于外表面上的任何外部物质均是易于可见的，并 且外表面可以被加热以防止结冰。此外，外表面由能够更紧密地符合飞行器的外部形状的 柔性材料制成。 根据本文所公开的实施方式，该系统包括微机电系统（MEMS)压力传感，被置于气 道下方，用于测量每一个通道中的压力差；以及空速处理器，用于将来自压力传感器的压力 差转换为空速估计。该方法具有以下优点： (1)安装在每一个气道下面的一个或多个MEMS压力传感器直接测量流动的空气 与共形表面下面的静压的气压差。 (2)所有外部表面可被加热，降低结冰的可能性。 (3)与外部皮托管相比，共形表面可以减小阻力。 (4)气道不被封闭（如皮托管），从而降低堵塞的可能性。 (5)当飞行器在运动时气道一直具有气流，进一步降低堵塞的可能性。 (6)在飞行器起飞之前开设通道的表面上任何外部物质或损坏是可见的。 这些有益于测量具有结冰或堵塞风险的空速的任何航空航天应用。 以下详细描述的所公开的主题的一个方面是一种设备，包括：柔性结构体，具有其 中形成有开口气道的外部表面；以及压力传感器，在柔性结构体中安装在开口气道下面的 位置处并且与开口气道流体连通。柔性结构体包括静压输入以及与静压输入流体连通的静 压室，压力传感器与静压室流体连通。根据一些实施方式，压力传感器是包括微机电系统的 电容式压差传感器。更具体地，压力传感器包括其上形成有第一电极的可变形振动膜以及 其上形成有第二电极的基板，第一电极和第二电极相隔的距离是可变形振动膜的偏转的函 数。开口气道包括收缩部，压力传感器被布置在第一开口气道的收缩部的下面。 根据一些实施方式，该设备进一步包括热耦接至柔性结构体的外表面的加热元 件。柔性结构体的外表面可以由金属或塑料制成。在柔性结构体的外表面由非导热材料 (诸如，塑料）制成的情况下，该设备进一步包括导热凝胶，通过导热凝胶加热元件被热耦 接至柔性结构体的外表面。 根据一些实施方式，柔性结构体的外表面具有形成在其中的第一开口气道和第二 开口气道，该设备进一步包括第一压力传感器和第二压力传感器，其在柔性结构体中分别 安装在第一开口气道和第二开口气道下面的位置中并且分别与第一开口气道和第二开口 气道流体连通。在这些情况下，该设备进一步包括：第一信号调节电路，连接为调节通过第 一压力传感器输出的模拟信号；第一模拟数字转换器，连接为将通过第一信号调节电路输 出的经调节的模拟信号转换为第一数字信号；第二信号调节电路，连接为调节通过第二压 力传感器输出的模拟信号；第二模拟数字转换器，连接为将通过第二信号调节电路输出的 经调节的模拟信号转换为第二数字信号；以及处理器，被编程为考虑第一数字信号和第二 数字信号来计算空速估计。 以下详细公开的主题的另一方面是一种系统，该系统包括具有外表面的飞机以及 附接至飞机的外表面的共形空速传感器，其中，共形空速传感器包括：柔性结构体，具有形 成在其中的第一开口气道和第二开口气道的外表面；第一电容式差分压力传感器，在柔性 结构体中安装在第一开口气道的下面的位置中并且与第一开口气道流体连通；第二电容式 差分压力传感器，在柔性结构体中安装在第二开口气道下面的位置中并且与第二开口气道 流体连通；以及电子电路，该电子电路被编程或配置为至少部分地基于通过第一电容式差 分压力传感器和第二电容式差分压力传感器输出的信号来估计飞行器的空速。在一些实施 方式中，柔性结构体包括静压输入以及与静压输入流体连通的第一静压室和第二静压室， 第一压力传感器被布置在第一开口气道与第一静压室之间，以及第二压力传感器被布置在 第二开口气道与第二静压室之间。第一开口气道和第二开口气道中的每一个均包括各自 的收缩部，第一电容式差分压力传感器被布置在第一开口气道的收缩部的下面以及第二电 容式差分压力传感器被布置在第二开口气道的收缩部的下面。根据一个实施方式，电子电 路包括：第一信号调节电路，连接为调节通过第一电容式差分压力传感器输出的模拟信号； 第一模拟数字转换器，连接为将通过第一信号调节电路输出的经调节的模拟信号转换为第 一数字信号；第二信号调节电路，连接为调节通过第二电容式差分压力传感器输出的模拟 信号；第二模拟数字转换器，连接为将通过第二信号调节电路输出的经调节的模拟信号转 换为第二数字信号；以及处理器，编程为考虑第一数字信号和第二数字信号来计算空速估 计。 所公开的主题的又一方面是一种估计可操作为穿过流体介质运动的航空器的速 度的方法，该方法包括：将柔性结构体附接在航空器的外表面上，柔性结构体具有形成在其 中的一个或多个开口气道的外表面；将来自一个或多个差分压力传感器的信号传输，其中， 该一个或多个差分压力传感器安装在一个或多个开口气道的收缩部的下面；以及在航空器 的运动期间计算航空器相对于周围流体介质的速度，该速度计算是基于流体介质的密度以 及通过一个或多个差分压力传感器传输的信号的。通过每一个差分压力传感器传输的每一 个信号表示相应开口气道下面的静压与同一开口气道中的总压力之间的差。该方法可进一 步包括调节通过差分压力传感器传输的模拟信号并且将这些模拟信号转换为数字信号。在 一个实施方式中，该计算步骤包括：部分地基于流体介质的密度将数字值转换为相应的速 度估计；基于这些速度估计计算平均速度估计；以及通过多于一个特定的阈值将不同于平 均速度估计的随后的速度估计滤除。在所公开的实施方式中，流体介质是空气以及航空器 是飞行器。 下面将公开并要求基于MEMS的共形空速传感器的其他方面。【附图说明】 图1是表示典型的皮托管空速传感器的截面图的示图。 图2是表示适合用在共形空速传感器中的电容式差分MEME压力传感器的截面图 的示图。该MEMS压力传感器具有在图2中以未变形状态示出的振动膜。 图3A是表示根据一个实施方式的具有放置的MEMS压力传感器的气道的一部分的 俯视图的示图。箭头表示穿过通道的气流，越粗的箭头表示越高的气流速度。 图3B是表示本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种估计航空器的速度的设备，包括：具有外部表面的柔性结构体，所述外部表面中形成有第一开口气道；以及第一压力传感器，在所述柔性结构体中安装在所述第一开口气道下面的位置中并且与所述第一开口气道流体连通。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：加里·A·雷，
申请(专利权)人：波音公司，
类型：发明
国别省市：美国;US