[发明专利]适用于低气压下的热膜风速风向测量系统

说明书

本发明提出了一种适用于火星等极低气压环境下风速测量系统，其包括加热棒，套管，多组热电偶热端，公用冷端及相应引线，加热用电源，压力传感器，数据采集模块，风速计算模块组成，在低气压下，通过恒热流方式控制加热棒对套筒进行加热，使用采集模块测量传感器表面均匀分布的多个热电偶温差，并结合当前绝对压力以计算当前的风速、风向信息。相对于现有工业用风速传感器，本发明可以直接工作于低气压下，且具有风速、风向的同步测试能力，结构简单，可靠性高。

技术领域

本发明属于风速测量技术，具体涉及到一种基于热膜原理，可在低气压下对风速、风向进行测量的系统。

背景技术

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。

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、环境压力、散失热量(加热热量)、气体成分即可计算来流气体速度，但是由于换热关系靠经验关联式往往尚存一定误差，实际使用中通常在不同压力、风速条件下进行标定。

目前各大宇航机构均开展了低气压下的风速测量研究，早期NASA使用了热丝对风速进行测量，并在周边布置温度传感器测量尾迹方向以测定风速，但这种方式精度较低，且传感器抗力学环境性能较差，JAXA、ESA在试验中使用了Kanomax公司的热线风速传感器，但其为热线结构，在低气压下由于传热较小，容易产生烧毁，且抗力学环境性能较差；小猎犬2号使用了定制的三片式热膜式风速传感器，具有风速、风向测量能力，但结构较为复杂，需要三路电桥式测量电路；此外，近些年国外亦发展了超声式风速传感器，但其对换能器的低气压设计要求较高，尚未在型号中应用。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传感器研究，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(700Pa，-120～30℃左右)等压力低于2000pa的低气压环境的测量能力。

因此，设计和发明一种可在不同压力特别是压力低于2000Pa的低气压压力、不同气体温度进行风速测量的设备具有积极的现实意义。

发明内容

本发要解决的技术问题是对低气压下的风速、风向进行有效的测量，传感器的信号满足测量设备精度要求，且传感器具有一定的力学强度，不易在特殊环境下损坏，满足地面特种试验、平流层及行星表面的风速测量要求，并根据需求具有一定的扩充能力。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案如下：

适用于低气压(气压低于2000Pa)下的热膜风速风向测量系统，主要包括风速传感器部分、薄膜规压力传感器，数据采集模块，加热用电源，风速换算模块，其中风速传感器部分包括加热棒、外套筒、多组热电偶热端和公共的热电偶冷端，外套筒套设在加热棒外周上，多组热电偶热端固定在外套筒的外表面上，多组热电偶热端通过热电偶材料A连接到数据采集模块的毫伏测量通道+端，公共热电偶冷端放置于低气压环境流场中，并通过热电偶材料B分别连接到多组热电偶热端上，公共热电偶冷端通过公共的热电偶线连接到数据采集模块的毫伏测量通道-端，薄膜规压力传感器与数据采集模块的4-20mA通道连接。在测试中，通过加热用电源对加热棒施加恒功率的热流，热量通过外套筒传递至套筒外侧，受风速对流的影响，套筒表面必然存在温度梯度，即均匀分布的多组热电偶上的温度，通过数据采集模块对其上的多组热电偶及一套薄膜规压力传感器进行采集、变送后，由风速换算模块根据标定数据进行插值，计算出当前环境下的风速度、风向。

其中，加热棒为圆柱形单边引线加热棒，由加热用电源进行恒功率加热。

其中，加热棒可以由电热丝、加热膜等方式代替进行加热。