适用于火星极低气压下的风速传感器标定系统技术方案

本发明专利技术提出了一种适用于火星等极低气压下的风速传感器标定系统，其包括待标定风速传感器、真空环模系统、可调速转台系统、悬臂等，真空环模系统具有模拟低气压环境的能力、可调速转台上安装有滑环，可实现信号的传输、悬臂用于固定传感器，实现传感器相对于气体的运动，数据采集与变送系统用于采集传感器系统，编码为数字信号通过滑环供计算机记录，热流控制系统用于对传感器敏感头供电。本发明专利技术基于现有设备完成对风速传感器的标定，结构简单，可靠性高，提高试验效率。

A calibration system for hot wire wind speed applicable to low pressure

The invention provides a calibration system for Mars is very low under the pressure of the wind speed sensor, which comprises a calibrated wind speed sensor, vacuum ring die system, adjustable speed turntable system, cantilever, ring die system simulation with vacuum low pressure environment capacity, adjustable speed turntable is arranged on the slip ring, transmission, cantilever the signal for fixed sensor, sensor with respect to the gas movement, data acquisition and transmission system for collecting sensor system for encoding digital signals through the slip ring for computer records, the heat flux control system for sensor sensitive to head power supply. The invention is based on the existing equipment to calibrate the wind speed sensor, the structure is simple, the reliability is high, and the efficiency of the test is improved.

【技术实现步骤摘要】
适用于低气压下的热线风速标定系统
本专利技术属于航天器地面热试验
，具体涉及到一种在地面模拟火星表面有风速环境时，通过旋转方式标定风速传感器在低气压下响应的系统。
技术介绍
随着我国航天任务的多样化和航天型号的发展，出于航天器对地观测、通信等的要求，越来越多的航天器装备了以展开桁架、大型展开天线、机械臂等为代表的大型展开机构，其上通常具有大量运动部件甚至单机设备，为了对其在极端温度环境下的工作能力进行验证并对早期缺陷进行筛除，通常使用常压热循环设备进行验证。随着我国航天任务的多样化和成熟化，火星等其他地外行星的探测已经逐步开展，为了达到对着陆器、巡视器等星表航天器的全面验证及模型修正等目的，需要对星表环境进行温度、压力、风速的复合模拟，除常见的压力、温度环境外，一般还需要对气体成分、风速进行模拟。目前常见风速传感器依据原理可分为热式、超声波式、皮托管式、机械式、激光粒子测速等方式，在地面巡视器热试验中，受限于测量点数、传感器大小等限制，使用热式风速仪进行测量具有较大优势。由于热线、热球、热膜式风速传感器的原理主要是通过对敏感头加热，在平衡状态通过敏感头温度、散失热量(加热热量)即可精确计算来流空气温度，其原理决定了压力、流体温度变化较大时，其输出亦会变化，需要对温度、压力、风速传感器输出进行精确的测量，需要在不同的温度、压力、风速环境下对风速传感器进行标定、测试，获得不同温度、压力环境下传感器输出到风速的函数。目前NASA、ESA、JAXA等机构均开展了风速传感器在低气压下使用的标定研究，其主要使用低气压风洞，或在热真空容器中搭建风道，使用引射的方式进行标定，其系统较为复杂；清华大学、北京航空航天大学等高校亦曾开展低气压下的风速标定研究，但主要针对于航空领域，压力一般在10000Pa，温度一般在室温左右，缺乏对火星环境(700Pa，-120～30℃左右)的模拟能力。因此，设计和专利技术一种可在不同压力、气体温度下对热式风速仪进行标定的设备具有积极的现实意义。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一个稳定、均匀的压力、温度、风速场，为热式风速传感器的标定提供支撑，同时解决风速传感器弱电压信号在电动转台上的变送、传输问题，满足未来火星探测器试验用风速传感器的标定、测试问题，并兼具一定的扩展能力。为解决上述问题，本专利技术采用的技术方案如下：一种适用于火星极低气压下的风速传感器标定系统，该系统包括真空环模系统、设置在真空环模系统内表面上的热沉、压力控制系统、可调速转台系统、转台控制系统、支撑设置风速传感器的悬臂、数据采集与变送系统、热流控制系统，控制计算机，其中真空环模系统具有模拟低气压环境的能力、可调速转台系统包括设置在真空环模系统内的转台和系统外的PLC控制柜，实现转台的定速转动，转台上安装有滑环，用于实现信号的传输；风速传感器相对于气体在悬臂上运动，数据采集与变送系统设置在转台中央并用于采集风速传感器系统的信号，编码为数字的信号通过滑环供计算机记录，热流控制系统用于对风速传感器敏感头供电，压力控制系统和调温热沉用于实现容器内的定压力、温度环境，为标定提供稳定环境，控制计算机分别与PLC控制柜和热流控制系统进行电连接并对其进行控制。其中，待标定的风速传感器为热式风速传感器。其中，热式风速传感器包括热线、热球、热膜式的风速传感器，其中，转台上安装悬臂的长度为1m～1.5左右，通过调整转台的转速，实现0～20m/s左右的风速模拟。其中，真空环模设备具有3m以上的试验段直径。本专利技术的适用于火星等极低气压下的风速传感器标定系统对现有热真空容器进行扩展，相对于传统低气压风洞式标定方案具有成本低、实施便捷等特点，解决了在低气压、不同温度下稳定标定风速的要求，满足了相关型号的需求。附图说明图.1是本专利技术的适用于火星极低气压下的风速传感器标定系统图，图中101为具有热沉系统的真空环模设备(或热真空容器)，102为调温热沉，103为压力控制系统，104为待标定的热式风速传感器，105为数据采集与变送器，106为电动转台，107为转台控制系统，108为热流控制系统，109为控制计算机。如图.2为本专利技术的适用于火星极低气压下的风速传感器标定系统电路连接图，图中201为待标定风速传感器的热电偶输出端，202为供电输入端，203为毫伏信号变送器，204为变送器供电接口，205为RS-485信号线，206为6路以上的滑环，207-209为一组穿墙插头，210为环模设备容器壁，211为12V开关电源，212为电脑用RS-485转换器，213为程控电源。具体实施方式以下参照附图对本专利技术的一种适用于火星等极低气压下的风速传感器标定系统进行详细说明，但该描述仅仅示例性的，并不旨在对本专利技术的保护范围进行任何限制。如图1为适用于火星极低气压下的风速传感器标定系统示意图，其中包包括真空环模系统101、设置在真空环模系统内表面上的热沉102、压力控制系统103、可调速转台系统106、转台控制系统107、支撑设置风速传感器的悬臂、数据采集与变送系统105、热流控制系统108，控制计算机109，其中真空环模系统101具有模拟低气压环境的能力，一般需要具有3m以上的试验段直径，主要为试验提供压力隔绝的环境，在其内表面上设置有调温热沉102，内部通过调整气氮温度可根据需要调整至-120～30℃的范围，可以模拟不同的环境温度；压力控制系统103与真空环模设备101进行连通，包括容器内的真空规，容器外的真空泵、管路、PLC设备等，可根据设定精确调整容器内的压力范围；可调速转台系统包括设置在真空环模系统内的电动转台106和系统外的PLC控制柜(转台控制系统)107，实现转台的定速转动，转台上安装有滑环，用于实现信号的传输，其内部具有PLC，用于与转台内部的伺服电机通信，设定并传输转速信息，并反馈给电脑进行显示；风速传感器相对于气体在悬臂上运动，数据采集与变送系统105设置在转台中央并用于采集风速传感器系统的信号，编码为数字的信号通过滑环供计算机记录，数据采集与变送系统105为工业现有产品，主要解决微弱毫伏信号无法经由滑环传输的问题，具有0～50mv信号的采集能力，数据交换物理接口为RS-485，协议为Modbus协议，内部所有电子器件已经更换为固体器件，发热量仅0.5W，无真空适应性问题，可在700Pa下长时间持续工作，其输出信号为485信号，可以经过滑环传输至电脑；热流控制系统108为一台安捷伦5750型程控电源，设定为恒流模式，为风速传感器敏感头施加恒定的热流；用于对风速传感器敏感头供电，压力控制系统103和调温热沉用于实现容器内的定压力、温度环境，为标定提供稳定环境，控制计算机109分别与PLC控制柜和热流控制系统进行电连接并对其进行控制，主要用于与毫伏信号变送器、程控电源、电动转台控制系统通信，用于显示实时数据，并传输控制信号等。在一具体的实施方式中，待标定的热式风速传感器104，可以为热球、热线、热膜式的风速仪，以远大仪表的QDF-6风速仪为例，其中共有四根引线，其中两根为热电偶毫伏信号，两根为供电信号，需要安装于悬臂上，通过悬臂与转台固定；参见图2，图2显示了为本专利技术的适用于火星极低气压下的风速传感器标定系统电路连接图，其中201为热球风本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种适用于火星极低气压下的风速传感器标定系统，该系统包括真空环模系统、设置在真空环模系统内表面上的热沉、压力控制系统、可调速转台系统、转台控制系统、支撑设置风速传感器的悬臂、数据采集与变送系统、热流控制系统，控制计算机，其中真空环模系统具有模拟低气压环境的能力、可调速转台系统包括设置在真空环模系统内的转台和系统外的PLC控制柜，实现转台的定速转动，转台上安装有滑环，用于实现信号的传输；风速传感器相对于气体在悬臂上运动，数据采集与变送系统设置在转台中央并用于采集风速传感器系统的信号，编码为数字的信号通过滑环供计算机记录，热流控制系统用于对风速传感器敏感头供电，压力控制系统和调温热沉用于实现容器内的定压力、温度环境，为标定提供稳定环境，控制计算机分别与PLC控制柜和热流控制系统进行电连接并对其进行控制。

【技术特征摘要】
1.一种适用于火星极低气压下的风速传感器标定系统，该系统包括真空环模系统、设置在真空环模系统内表面上的热沉、压力控制系统、可调速转台系统、转台控制系统、支撑设置风速传感器的悬臂、数据采集与变送系统、热流控制系统，控制计算机，其中真空环模系统具有模拟低气压环境的能力、可调速转台系统包括设置在真空环模系统内的转台和系统外的PLC控制柜，实现转台的定速转动，转台上安装有滑环，用于实现信号的传输；风速传感器相对于气体在悬臂上运动，数据采集与变送系统设置在转台中央并用于采集风速传感器系统的信号，编码为数字的信号通过滑环供计算机记录，热流控制系统用于对风速传感器敏感头供电，压力控制系统和调温热沉用于实现容器内的定压力、温度环境，为标定提供稳定环境，控制计算机分别与PLC控制柜...

【专利技术属性】
技术研发人员：李西园，高庆华，侯雅琴，周艳，王晶，毕研强，李天水，
申请(专利权)人：北京卫星环境工程研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11