【摘要】：飛行器飛行時,外部環(huán)境的不確定性會造成其外部流場不斷發(fā)生改變,例如,氣流的突變會造成飛機(jī)的顛簸,影響飛機(jī)的操控,因而需要某些具有感知外部流場變化功能的傳感器來實(shí)現(xiàn)流場的監(jiān)測,將測量得到的氣動參數(shù)提供給大氣計算機(jī)并加以優(yōu)化操控,可提高飛行器的穩(wěn)定性、避險和操縱能力。因此,為了提高風(fēng)速傳感器工作效率,本文利用壓電材料的壓電效應(yīng)和響應(yīng)快的特點(diǎn),以壓電雙晶片為傳感元件,構(gòu)建了一種可以同時感知風(fēng)速大小與方向的壓電傳感系統(tǒng),并針對兩種不同結(jié)構(gòu)外形的模型部件進(jìn)行了傳感特性實(shí)驗(yàn)研究。本文的主要研究工作如下:1.提出了一種壓電雙晶片的圓盤陣列結(jié)構(gòu)的風(fēng)速傳感系統(tǒng),首先分析了壓電懸臂梁在風(fēng)激勵下的感應(yīng)電壓與風(fēng)速大小之間的數(shù)學(xué)關(guān)系,并且基于有限元軟件建立了流-固-電多場耦合的二維模型,計算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果都表明感應(yīng)電壓(零峰值)與流速大小之間存在2次的函數(shù)關(guān)系。由于單個雙晶片無法同時判別風(fēng)速大小和方向,可通過多片陣列的方式從其信號之間的差異來辨識風(fēng)速。實(shí)驗(yàn)獲得雙晶片各自的感應(yīng)電壓(零峰值)與風(fēng)速之間的函數(shù)關(guān)系,利用此關(guān)系和幾何關(guān)系就可以反求出風(fēng)速的大小和方向。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:多片陣列結(jié)構(gòu)的風(fēng)速大小和風(fēng)向角的傳感誤差分別在6%和4°以內(nèi)。2.針對客機(jī)與殲擊機(jī)不同機(jī)頭形狀,設(shè)計了一種適用于飛行器機(jī)頭結(jié)構(gòu)的風(fēng)速傳感系統(tǒng)。其中,機(jī)頭模型的頂角夾角分別為40°和60°,壓電雙晶片嵌入到模型的凹槽內(nèi),形成懸臂梁結(jié)構(gòu),同時采用4片壓電雙晶片的陣列方式,此種布局方式對空氣動力學(xué)特性的影響較小。搭建了針對此壓電傳感系統(tǒng)的測試平臺。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試發(fā)現(xiàn),感應(yīng)電壓的均方根值與風(fēng)速大小和風(fēng)向角存在2次方的函數(shù)關(guān)系,因此將其作為表征風(fēng)速的特征值,通過此關(guān)系就可以反求出模型外部的風(fēng)速大小和風(fēng)向角。3.基于上述兩種機(jī)頭模型的壓電集成部件,在測試平臺進(jìn)行了風(fēng)速傳感特性的對比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在風(fēng)速大小約為8 m/s時,40°夾角的模型中,其最大和最小的風(fēng)速大小傳感誤差分別為4.14%和0.34%,風(fēng)向角誤差分別為3.78°和0.31°;而60°夾角的模型的最大和最小的風(fēng)速大小傳感誤差分別為2.38%和0.5%,風(fēng)向角誤差分別為2.37°和0.55°。同時,還測試了采樣時間與傳感精度之間的定量關(guān)系,其壓電傳感系統(tǒng)的風(fēng)速(矢量)傳感所需時間在1 s之內(nèi),即實(shí)現(xiàn)了飛行器外部流場的實(shí)時感知。綜上所述,本論文所研究的壓電式風(fēng)速傳感系統(tǒng),可以在飛行器機(jī)頭模型上實(shí)現(xiàn)1 s內(nèi)的風(fēng)速和風(fēng)向的快速感知,感知風(fēng)速大小的最高精度可達(dá)0.34%,風(fēng)向角的最高精度可達(dá)0.31°,為下一步壓電系統(tǒng)的小型化,集成化以及飛行器的真實(shí)飛行傳感實(shí)驗(yàn)奠定研究基礎(chǔ)。
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：V241
【圖文】：

圖 1.5 電容式仿生毛發(fā)傳感器 圖 1.6 纖毛傳感器及陣列示意圖壓電材料的機(jī)電耦合特性適合作為傳感器件。2012 年保加利亞瓦爾納技術(shù)大學(xué).St.Marinov 等人制作了基于 PVDF 壓電薄膜的十字形傳感結(jié)構(gòu)[22]，如圖 1.7 所示，十字形基 8 個面上粘貼有 PVDF，不同方向的來流使得不同的 PVDF 產(chǎn)生的電信號不同，可大致判斷速大小和方向的，但不能準(zhǔn)確測量風(fēng)速。2015 年，揚(yáng)州大學(xué)邊義祥等人研制了直徑約為 0.5 mm金屬芯的 PVDF 壓電纖維（MPF）[23-24]，對于沖擊氣流的響應(yīng)很快，可以檢測周圍氣流的變和方向。該纖維的柔韌性很好，具有良好的傳感性能。次年，在此制備基礎(chǔ)上研制出了 4 扇

圖 1.5 電容式仿生毛發(fā)傳感器 圖 1.6 纖毛傳感器及陣列示意圖壓電材料的機(jī)電耦合特性適合作為傳感器件。2012 年保加利亞瓦爾納技術(shù)大學(xué).St.Marinov 等人制作了基于 PVDF 壓電薄膜的十字形傳感結(jié)構(gòu)[22]，如圖 1.7 所示，十字形基 8 個面上粘貼有 PVDF，不同方向的來流使得不同的 PVDF 產(chǎn)生的電信號不同，可大致判斷速大小和方向的，但不能準(zhǔn)確測量風(fēng)速。2015 年，揚(yáng)州大學(xué)邊義祥等人研制了直徑約為 0.5 mm金屬芯的 PVDF 壓電纖維（MPF）[23-24]，對于沖擊氣流的響應(yīng)很快，可以檢測周圍氣流的變和方向。該纖維的柔韌性很好，具有良好的傳感性能。次年，在此制備基礎(chǔ)上研制出了 4 扇

圖 1.7 PVDF 十字結(jié)構(gòu)示意圖 圖 1.8 含金屬芯多電極 PVDF 壓電纖維2010 年美國喬治亞理工學(xué)院提出了基于復(fù)合材料的能量收集和氣流流量檢測傳感器[26]， 1.9 采用氧化鋅和 PVDF 壓電材料復(fù)合設(shè)計，利用卡門渦街原理，即氣流經(jīng)過鈍體時尾部有規(guī)律的渦街，通過尾部的傳感器識別出來。其具有較高的力電輸出特性，靈敏度高，能現(xiàn)環(huán)境氣流的檢測。圖 1.9 基于卡門渦街的氣流檢測裝置2012 年，日本 NMEMS 技術(shù)研究組織 Y. Tomimatsu 等人提出一種用于無線傳感器節(jié)點(diǎn)的開關(guān)的流量傳感器[27-28]，基于 MEMS 工藝制備，結(jié)構(gòu)示意圖如圖 1.10 所示。氣流通過流

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2782117