新型风力传感器升空提高无人机性能

自动驾驶汽车的需求正在上升，一些预测预测到2027年，市场价值将从2019年的45.6亿美元跃升至162.3亿美元。在这个市场中，风力传感器（或“风速计”）对于监测起飞和降落期间的风速和风向至关重要。风力传感器对于优化飞机和小型飞行器的轨迹至关重要。他们还预测和优化风力涡轮机的性能。

 

国家空域系统中的一种自动驾驶飞机。图片（修改后）由美国国家航空航天局提供

 

目前，飞行器使用皮托管来测量空速。这些管子含有静止的运动流体。滞流压力和其他参数用于确定流体的流速或空速。然而，这些管道需要电加热器来防止流体结冰，这会降低小型和微型飞行器的效率。

为了提高自动驾驶飞机的安全性，俄亥俄州立大学的研究人员最近开发了一种翼型风速计，它重量轻、功率低，对压力变化更敏感。研究人员在现有风速计的设计上遇到了哪些挑战？

 

风速计的类型

目前的许多风传感器价格昂贵，能耗高，或者大气阻力大，不适合小型飞机。

最常见的风速计是机械式风速计。它包含一个轮子，轮子辐条末端有杯状物或螺旋桨，其中一个轮子上连接着磁铁。每次磁铁经过磁敏开关时，它都会提供风速读数。然而，机械风速计的尺寸、缓慢的响应时间和高的空气动力学阻力使其不适合航空应用。

热线风速计体积小，精度高。这里，温度梯度是通过使用桥接电路的热敏电阻来测量的。加热元件需要持续加热，从而导致高能耗。

 

转杯式电子风速计示意图。图片由《布列塔尼百科全书》提供

 

另一种流行的风传感器是阻力风速计，它根据压电片等活性材料中气流引起的变形来测量风速。虽然阻力风速计体积小、功耗低，但其传感范围和精度有限，并且高度依赖于温度。

基于传感器的方法，如声学风速计，测量发射和接收声波之间的传输时间或相位差，但它们需要复杂的信号处理才能获得可靠的结果。

 

采用智能材料的新型风速计

俄亥俄州立大学的一组研究人员开发了一种翼型风速计，用于稳定飞机的智能系绳系统。传感器是一个翼型套筒，安装在系链系统上，以减少空气动力学阻力。

该团队在机翼上使用了一种名为聚偏二氟乙烯（PVDF）的聚合物，它是压电的，通过风压产生的能量为风速计提供动力。该传感器集成了数据处理、无线通信、能量采集和其他模块。

 

翼型风速计示意图。图片由Frontiers提供

 

机翼起到风向标的作用，将自己定向在一个稳定的“迎角”。这是翼弦（翼片连接到翼弦上）和气流方向之间的角度。角位置可用于确定风向，PVDF膜的电压或电容的变化与风速有关。角位置由集成到机翼中的磁力计确定。它提供了相对于地球磁场的风向。

 

新型翼型风速计的应用

研究人员在密封室中测试了他们的设备，以确定其灵敏度。然后，他们在风洞中进行了测试。传感器在这两次测试中都表现得非常好。

 

在密封室内进行风速计测试的实验装置。使用（修改）的图像由Frontiers提供

 

研究人员指出，要在商业应用中部署这种传感器技术，还需要进一步改进。他们继续研究PVDF和其他智能材料。该研究的合著者、俄亥俄州立大学机械和航空航天工程教授Marcelo Dapino希望他们的工作将影响风力涡轮机等产生清洁高效能源的应用。