沿壁的气流的空气动力学测量探测器制造技术

本发明专利技术涉及一种用于沿壁的气流的空气动力学测量探测器。本发明专利技术明显使得能够确定气流相对于与壁切向的轴线基准的迎角。本发明专利技术特别在航空领域是有用的。根据本发明专利技术，探测器包括多个发射器（Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４），它们每个发射声波；以及对于不同的声波敏感的接收器（Ｒ）。因而，对接收器误差预警，该误差可共用于一个所述发射器（Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４）与所述接收器（Ｒ）之间的声波的传播时间的所有测量值。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及沿壁的气流的空气动力学测量探测器。本专利技术明显使得能够确定气流相对于与壁成切向的基准轴的迎角。本专利技术在航空的
中是特别有用的，其中，飞行 器周围气流的迎角的了解对于飞行器的飞行而言是关键的。相对于水平平面的迎角是用于 确定例如在着陆时飞行器的浮力的重要参数。相对于垂直平面的迎角同样也重要地体现了 飞行器的侧滑。为了确定这两种参数一即迎角和侧滑，可以局部地测量气流相对于飞机 外皮的取向。这涉及到在飞行器的特定的点上完成的局部迎角测量。还可以在飞行器外皮 的一点上测量气流的速度的两个分量，从而确定气流的方向。
技术介绍
大多数声学原理是已知的并且通常用于速度或流向的测量。 第一代探测器利用了从飞行器外皮延伸的附属部。该附属部能够被固定。它包括 围绕该附属部的气压接口或者测量由气流所施加的力的传感器。该附属部能够是可移动 的，形式为沿气流的轴线定向的旗。该旗的方位然后给出了气流的迎角(attack)。第一代 探测器还包含通过实现圆柱体下游的旋涡的测量而利用旋涡、例如利用风车测量沿给定方 向的流速、利用热丝(hot wire)作为风速计。 该第一代的探测器由于飞行器外皮之外的本体的存在而是易碎的。这些探测器必须被设计成承受气流以及气流所携带的微粒的磨蚀。它们由于产生旗而影响了飞行器的空气动力。在高海拔飞行时，这些探测器必须被除冰并因而消耗了电能。可移动的探测器必须包括位于固定的部件与可移动的部件之间的具有最小摩擦的密封系统。 第二代探测器使得能够消除飞行器外皮之外的任何附属部。出现了在激光器周围安置的光学系统，但是这些光学系统目前是复杂的、昂贵的、体积庞大的。它们仍大体上用作为基准系统。 因此，在多数制造商中更加感兴趣的是超声系统。基本思路是测量彼此相互固定的发射元件与接收元件之间的声波的传播时间，从而沿多个方向根据声的速度以及流体的速度确定声波的速度，并最终确定流向，例如航空应用中的迎角或侧滑。 多种类型的装置目前是已知的。在专利公开文献US 4143548中发射器朝向两个分别位于上游和下游的接收器产生超声波。与所接收的信号有关的相位表明了朝向上游和朝向下游的沿两个传播方向中的每个的速度差。该装置暗含地假设这些信号并不受到干扰，从而可以测量两个正弦信号之间的相位。此外，该装置相对于发射器与接收器之间的距离而言强制约束频率或波长。最后，各接收器必须在转移函数和固有延迟方面是相同的。 专利公开文献US 4112756和US 4890488提供了类似的思路，利用了根据不同结构的发射器与接收器之间的传播时间测量。 专利公开文献US 5585557提供了一种完全无源装置，换句话说，没有发射器。流 中的湍流通过第一接收器被接收并被检测，并且所述湍流向下游传播，在那里它们通过以 同一相同距离定位的其它接收器被接收并被检测，而延迟取决于流向和速度特征。传播时3间由所述信号之间的互相关计算被计算出。所评估的流向就是由第一接收器以及位于下游 的接收器所限定的体现了最短传播时间的流向。系统的精度与传感器的数量有关。 专利公开文献US 7155969提出了前述方式的改进和简化，利用了较少数量的传 感器并且适于通过飞行器的外皮进行操作。这些传感器不仅可以是需要飞行器的外皮内的 通道以检测压力波动的话筒型声学传感器，还可以是例如在飞行器的外皮上安装的加速度 计、应变仪或其它传感器。由湍流所产生的压力波动的传播借助于可以由诸如有源压电传 感器的合适的装置实现的飞行器外皮的机械激励代替。同样可以由不同传感器所检测的信 号之间的互相关计算实现传播时间测量。 所有这些专利公开文献描述了包括多个接收信号的传感器的系统，并且所接收的 信号之间的偏差被用于回演传播时间、速度以及因此流向。 发射器与接收器之间的传播时间的实验测量值被证明是高于理论计算的值，所高 于的值是在一相对恒定的值内。因此，测量传播时间的方法需要接收器的校准，其中每个接 收器具有其自己的与响应时间、带宽等有关的特征。接收器的这些校准特别取决于环境状 况、温度以及压力。基于超声波的传播时间测量的迎角的精确的测量因而证明是相当复杂 的，这是由于不同的接收器的特征。在没有有源激发器的全无源系统的情况中，所接收的声 学信号仅仅是声学噪音。接收传感器中的一个的故障很难被检测到，除非可能出现传感器 全短路。同样，互相关计算必须进行低电平信号的采样和存储。 最后，所有这些系统暗含地假设声学噪音型的信号本身恒定地传播，这仅仅是初 步近似。
技术实现思路
本专利技术的目的在于弥补这些不足，这是通过提出一种用于测量两个给定点之间的 波的传播时间的更简单的并更加可靠的方法来实现的。 为此目的，本专利技术的技术主题在于一种沿壁的气流的空气动力学测量探测器，其 特征在于，所述探测器包括多个发射器，其中每个发射器发出声波；以及对于不同的声波敏 感的接收器。 有利地，所述探测器包括用于测量每个所述发射器与所述接收器之间的传播时间 的器具。 还已经清楚的是，发射器与接收器之间的传播时间测量值受到误差影响。申请人 注意到该误差主要是由接收器而非发射器造成的。通过利用仅仅单个接收器以及多个发射 器，测量值中的误差仍是恒定的并且单个校准仍是必须的。附图说明 通过阅读示意性实施例的详细说明将更好地理解本专利技术并将清楚本专利技术的其它 特征，其中说明书参照附图说明，其中 图1示出了一个接收器与多个发射器的示意性分布；并且 图2a至2e以时序图的方式示出了 发射器所发射的信号以及由接收器所接收的 信号。具体实施例方式为了简化起见，在不同的附图中相同的元件由相同的附图标记表示。 图1示出了根据本专利技术的装置，其包括四个例如相同的发射器E1、E2、E3、E4以及单独一个信号接收器R。当然，本专利技术还可以实现成基于两个发射器发射由单个接收器R接收的声波。声波可以是超声波，例如频率为40 kHz的级别。接收器R可以是对于由发射器发射的波敏感的话筒或者说共振型的即对特定频率敏感的话筒。 发射器E1、 E2、 E3、 E4全都在相对于壁表面例如飞行器外皮切向的平面中是大致 共平面的。与外皮的表面切向的平面是图l的平面。发射器E1、E2、E3、E4有利地围绕接收 器R分布。各所述发射器从接收器R离开相同的距离d，并且各所述发射器绕接收器R间距 90° 。换句话说，发射器El至E4全都位于以接收器R为中心的直径为2d的圆中并且在该 圆中均匀地分布。为了迎角测量，接收器R大致位于飞行器的水平对称平面中，方向E3-E1 是与飞行器的水平对称平面平行的纵向基准10。由轴线11所代表的气流的方向相对于该 基准形成角度a， a是将要测量的局部迎角。为了测量飞行器的侧滑，接收器R大致在飞 行器的垂直对称平面中定位。 如果我们称c为声速、M为局部马赫数并且V为在接收器R高度的气流的局部速 度，则以下公式满足M = V/c。示出了由发射器E1发射的并由接收器R1接收的声波的理 论传播时间Tl由以下公式表示" 二 d M.cosa + Vl — M2sin2a (1)1-M2 该公式考虑到了这样的事实，即接收器R的位置在声波由发射器E1发射的时刻与 其由接收器R接收的时刻之间变化。 分别针对发射器E2、E3和E4的传播时间T2、T3和T4通过本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种沿壁的气流的空气动力学测量探测器，其特征在于，所述探测器包括多个发射器（Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４），其中每个发射器能够发射声波；以及接收器（Ｒ），所述接收器感应不同的声波。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：J舒瓦内，
申请(专利权)人：塔莱斯公司，
类型：发明
国别省市：FR[法国]