用磁传感器测量流体流相对于空气动力表面的定向的装置的制作方法

1.本发明涉及一种用于测量流体流相对于尤其是交通工具并且特别是飞机的空气动力表面的定向的装置。在本发明的上下文中，“流体流”应理解为气态流体的流动，并且特别是空气的流动。


背景技术：

2.在航空领域中，越来越严格的标准和越来越高的客户期望特别是在安全性、舒适性、降噪和油耗方面提高了要求。对于飞机，例如运输机，这些标准高度依赖于空气动力学性能。
3.飞机的空气动力学性能可通过对其结构、并且特别是其暴露于气流的外表面的巧妙设计而得到显著改善。因此，对这些流动具有很好的理解是很重要的。
4.一种用于分析飞机或一件飞机设备或例如机翼的飞机的一部分的表面上的流体流并且通常是空气流的通常方法包括将线（通常为尼龙或绒线）附接到所讨论的表面。然后，飞机在飞行中或在风洞中经受测试，在此期间，例如使用摄像机来记录表面的图像。通过视觉观察这些线在流体流的作用下的行为，可以知道流体流的方向并识别潜在的分离现象。
5.尽管如此，这种常规方法并不完全令人满意。实际上，现代飞机具有越来越精细的结构，其具有复杂的形状，对于该复杂的形状，特别是由于在观察对应区域方面的问题，此方法很难或甚至不可能实施。然而，这些复杂的形状通常代表对于流体流动分析具有重要意义的区域。
6.此外，必须安装以在测试期间记录这些线的行为的图像记录装置是重且昂贵的，特别是在有时需要一个或多个其他飞机伴随测试飞机的测试飞行的情况下。
7.此外，并且尤其是，对这些线的视觉观察并不提供将使得可能表征流体流或分离现象的精确的数值测量。因此，并且特别是，不可能将测试结果与数值模拟结果进行比较。此外，某些认证要求高于简单的视觉观察的精度水平。而且，也不可能使用这种常规方法来实时分析测试结果。


技术实现要素：

8.本发明旨在通过提出一种用于测量流体流相对于特别是飞机的空气动力表面的定向的装置来弥补这些缺点。
9.根据本发明，所述测量装置至少包括：
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基板。其旨在布置在所述空气动力表面上；
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成型元件，所述成型元件在其端部中的一个处连接到所述基板，并且构造成在所述流体流的影响下沿与所述流体流的方向相对应的方向定向；
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磁体，其被固定到所述成型元件并且被构造成产生磁场；以及
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至少一个测量元件，其被构造成测量由所述磁体产生的所述磁场的值，所述值
是所述流体流的方向的函数。
10.此外，在一个优选实施例中，所述测量单元被构造成将由所述磁体产生的所述磁场的测量值转换成指示所述流体流的方向的角度值。
11.因此，本发明使得可具有数值，特别是相对于如下文所述的参考轴线限定的所述角度值，所述数值实时地提供流体流相对于空气动力表面的方向的非常精确的指示。
12.因此，所述测量装置使得可具有可用于后续处理的数值，例如用于与通过数值模拟产生的测量结果进行比较。
13.有利地，所述测量装置另外还包括处理单元，其被构造成至少处理由所述测量单元发送的角度值。在一个特定实施例中，所述处理单元被构造成基于所述角度值而在各种可能的标准中确定空气动力学行为标准。
14.在第一实施例中，所述成型元件以如下方式构造，即：使得它能够在平面中定向，并且所述测量单元被构造成将由所述磁体产生的所述磁场的测量值转换成所述平面中的角度值。
15.此外，在该第一实施例的一个特定实施例中，所述成型元件包括翅片，所述翅片设置有突出元件，所述突出元件被构造成在所述成型元件和所述基板之间形成枢轴连接。
16.此外，在第二实施例中，所述成型元件以如下方式构造，即：使得它能够在空间中定向，并且所述测量单元被构造成将由所述磁体产生的所述磁场的测量值转换成空间中的角度值。
17.此外，在该第二实施例的一个特定实施例中，所述成型元件包括设有顶点的旋转锥体，并且所述锥体借助于连接线来附接到所述基板，所述连接线的第一端被附接到所述基板，并且所述连接线的第二端被附接到所述锥体的所述顶点。
18.此外，在一个特定实施例中，所述测量单元包括微机电（或mems）类型的磁传感器。
19.此外，并且有利地，所述测量单元被构造成还将由所述磁体产生的所述磁场的测量值发送到所述处理单元，并且其中，所述处理单元被构造成将所述磁场的此测量值与预定极限值比较，并且如果所述磁场的所述测量值高于此极限值，则生成警报。
20.此外，在一个特定实施例中，所述测量单元包括至少一个辅助传感器，所述辅助传感器能够测量除所述磁场之外的至少一个辅助参数，例如温度或压力。
附图说明
21.附图将使得容易理解可如何实施本发明。在这些图中，相同的附图标记表示相似的元件。
22.图1是用于测量流体流的定向的装置的第一实施例的侧向剖面图。
23.图2是根据该第一实施例的测量装置的分解透视图。
24.图3是用于测量流体流的定向的装置的第二实施例的示意图。
25.图4是磁体和测量单元的示意性透视图，其用于图示对该磁体在平面中产生的磁场的测量。
26.图5是测量单元的示意性透视图，其用于图示对该磁体在空间中产生的磁场的测量。
27.图6是飞机的一部分的示意性透视图，其示出了一个机翼和一个发动机，测量单元
已被安装在该部分上。
具体实施方式
28.根据图1和图2中的第一实施例1a以及根据图3中的第二实施例1b示意性地描绘了用于说明本发明的测量装置。为清楚起见，在下面的描述中，第一和第二实施例的用于相同功能的元件使用相同的附图标记（2、3、4、...）来标识，为第一实施例的元件对上述附图标记添加了字母a，并且为第二实施例的元件添加了字母b。
29.测量装置1a、1b旨在测量流体流相对于空气动力表面的参数。尽管非排他地，测量装置1a、1b特别是可用于测量飞机的一部分或者特别是运输机的一件飞机设备的外表面上的流体流的方向，如下文所述。
[0030]“流体流”应理解为气态流体在表面上的移动。在测量装置1a、1b被应用于飞机的优选情况下，假定该流体为空气，并且假定该表面为飞机的外表面，将在该外表面上研究流体流。
[0031]“空气动力表面”应理解为任何表面，特别是具有成型形状（profiled shape）的表面，该表面可暴露于流体流，通常具有促进升力和最小化阻力的目的。最小化阻力的一种方式在于设计空气动力表面，该空气动力表面以如下方式成形，即：使得流体流保持附着，也就是说，流的流线沿循所述表面的轮廓。另一个目标通常在于避免流分离，这在航空学中可导致不期望或甚至危险的事件，例如失速。
[0032]
测量装置1a、1b的目的在于测量图1、2和3中的箭头e所示的流体流相对于空气动力表面sa的定向。
[0033]
为此，如图1、2和3中所示，测量装置1a、1b包括：
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旨在布置在空气动力表面sa上的基板2a、2b；
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成型元件（profiled element）3a、3b，其即是细长的，其在其端部中的一个处连接到基板2a、2b，并且被构造成使得它可在流体流的影响（或作用）下被定向，并且更具体而言，将沿与流体流的方向相对应的方向定向；
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磁体4a、4b，其被固定到成型元件3a、3b，并且被构造成产生磁场cm。因此，固定到成型元件3a、3b的磁体4a、4b在相关的情况下在流体流的作用下经受与成型元件3a、3b相同的移动，并且当它移动时，它产生的磁场cm将会根据表面上的给定点而变化；以及
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测量单元5a、5b，其被构造成测量由磁体4a、4b产生的磁场cm的值。因此，该值是流体流的方向的函数。
[0034]
此外，测量单元5a、5b被构造成将（磁场cm的）该测量值转换成数值，具体而言，转换成表示流体流的方向的角度值，并且发送该角度值。
[0035]
测量装置1a、1b还包括处理单元6a、6b，其经由连接14a、14b、优选为有线连接来连接到测量单元5a、5b。处理单元6a、6b被构造成至少处理由测量单元5a、5b经由连接14a、14b发送的角度值。
[0036]
在一个变型实施例中，测量单元5a、5b被构造成发送磁场cm的测量值，后者借助于处于测量装置1a、1b外部的计算单元，例如借助于处理单元6a、6b，而被转换成指示流体流的方向的角度值。
[0037]
在另一个变型实施例中，测量单元5a、5b被构造成存储磁场cm的测量值（以及可能
的角度值），以考虑到例如由处理单元6a、6b执行的后续处理。
[0038]
此外，处理单元6a、6b还能够基于由测量单元5a、5b发送的角度值来确定空气动力学行为标准，如下文所述。
[0039]
在一个优选实施例中，测量单元5a、5b采用微机电（或mems）类型的磁传感器的形式。
[0040]
在图1和图2的第一实施例中，基板2a由柔性材料制成，使得它可匹配空气动力表面sa的形状。因此，测量装置1a可适应空气动力表面的各种形状，特别是弯曲形状。此外，基板2a的厚度优选地小于1毫米，以便最小化测量装置1a的整体正面表面积，并且因此不干扰流体流。
[0041]
在图1和图2中所示的实施例中，成型元件3a包括翅片13，该翅片13设置有端部，该端部形成为在成型元件3a和基板2a之间产生枢轴连接。该枢轴连接允许翅片13在空气动力表面sa的平面中自由地在旋转中移动。此外，该枢轴连接被构造成尽可能地减少摩擦。
[0042]
在该第一实施例中，成型元件3a的翅片13优选地具有细长的成型形状，从而具有代表其定向的纵向轴线7a。成型元件3a被构造成使得其在流体流的影响下的移动将纵向轴线7a定向在与流体流的方向e相同的方向上。暴露于流体流的成型元件3a的纵向轴线7a的定向因此对应于所述流体流的定向。
[0043]
在图1和图2的示例中，翅片13例如由塑料或聚合物制成，并且通过基部元件15连接到支撑部分16。支撑部分16被固定到基板2a，并且基部元件15被安装成能够相对于支撑部分16旋转。磁体4a被整合到成型元件3a的该基部元件15中。
[0044]
在该示例中，测量装置1a还包括围绕支撑部分16和测量单元5a的整流罩17。该整流罩17用于确保空气动力表面sa和暴露于流体流的测量装置1a的表面之间的几何连续性。整流罩17特别是具有扁平化且略微圆顶状的形状，以便最小化由测量装置1a引起的对流体流的干扰。特别地，整流罩17被构造成布置在基板2a上并且覆盖测量装置1a的部件，除了翅片13。
[0045]
此外，磁体4a是微型磁体，也就是说，非常小的（毫米级）圆柱形磁体。如图4中所示，磁体4a具有北极n和南极s，它们对应于磁体4a的两个半圆柱体。由这种圆柱形磁体4a产生的磁场cm一方面相对于磁体4a固定且恒定，并且另一方面，相对于由磁体4a的两极限定的南北轴线8a对称。然而，磁体4a被固定到成型元件3a，并且因此，相对于成型元件3a总是具有相同的定向。结果，磁场cm本身也总是相对于成型元件3a具有相同的定向。
[0046]
在一个特定实施例中，磁体4a以如下方式被布置在成型元件3a上，即：使得磁体4a的南北轴线8a（图4）与成型元件3a的纵向轴线7a（图1和图2）对准。因此，由磁体4a产生的磁场cm相对于成型元件3a的纵向轴线7a对称。
[0047]
在图4中所描绘的特定实施例中，测量单元5a包括四个磁传感器9a，它们能够测量由磁体4a产生的磁场cm的值。此外，测量单元5a被布置在基板2a上，优选地布置在成型元件3a正下方。
[0048]
测量单元5a包括集成的计算单元（未示出），其被构造成将磁场cm的值相互比较，这些值已通过磁传感器9a测量，并且基于该比较的结果以通常的方式计算角度值。在一个特定实施例中，测量单元5a包括参考轴线10a，并且以如下方式构造，即：使得计算出的角度值对应于由磁体4a的南北轴线8a和所述参考轴线10a形成的角度的以度为单位的值。
[0049]
在该第一实施例中，成型元件3a被构造成能够在平面p中定向（图2）。优选地，平面p对应于如下平面，即：该平面平行于穿过参考轴线10a与空气动力表面sa相切的平面。
[0050]
在该第一实施例中，至少一个测量元件5a被构造成将由磁体4a产生的磁场cm的值转换成平面p中的角度值。于是，该角度值对应于由测量单元5a的参考轴线10a与流体流在平面p中的方向e形成的平面角度（二维）。该角度值由测量单元5a发送到处理单元6a。
[0051]
此外，在一个特定实施例中，处理单元6a被构造成基于由测量单元5a发送的角度值来确定空气动力学行为标准。当应用于飞机时，如下文参考图6所述，考虑三个空气动力学行为标准，它们被定义为由测量单元5a发送的角度值的函数。更确切地说：
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如果暴露于流体流的成型元件3a采取稳定的方向，随时间的推移具有非常小的变化（大约正或负1度），则该流体流被认为是附着；
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如果暴露于流体流的成型元件3a绕给定方向以相对于该方向不超过35
°
的角度振荡，则该流体流被认为是湍流；以及
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如果暴露于流体流的成型元件3a不采取随时间的推移稳定的方向，或者绕给定方向以相对于该方向超过35
°
的角度振荡，则该流体流被认为已分离。
[0052]
如上文所述，包括设置有翅片13的成型元件3a和进行两轴测量（在平面中）的测量单元4a的测量装置1a特别适合于高速流体流测量。这对于需要高精度的应用也是有利的，因为其使得有可能以度数级精度（对于角度值）来测量流体流的定向。
[0053]
此外，在图3中所描绘的第二实施例中，成型元件3b以如下方式构造，即：使得其可在空间中定向。
[0054]
在该第二实施例中，成型元件3b设置有例如由塑料制成的（旋转）锥体18。成型元件3b的锥体18具有纵向轴线7b。成型元件3b被构造成使得其在流体流的影响下的移动将纵向轴线7b定向在与流体流的方向e相同的方向上。暴露于流体流的成型元件3b的纵向轴线7b的定向因此对应于所述流体流的定向。
[0055]
成型元件3b经由例如尼龙线的连接线19来连接到基板2b。连接线19的第一端20例如借助于胶和/或另一种粘合剂来附接到基板2b。连接线19的第二端21被附接到锥体18的顶点22。
[0056]
磁体4b优选地布置在锥体18内，靠近其顶点22。
[0057]
在该第二实施例中，在图5中示意性地且部分地图示的测量单元5b被构造成以通常的方式将由磁体4b产生的磁场cm的值转换成空间中的角度值。于是，该角度值对应于由测量单元5b的参考轴线10b和流体流的方向e形成的角度。
[0058]
如上文所述，包括设置有锥体18的成型元件3b和进行三轴测量（在空间中）的测量单元4b的测量装置1b特别适合于中等速度流体流测量。特别是，它非常适合于检测分离现象，因为它用于测量与空气动力表面sa相切的平面之外的方向上的流体流角度值。
[0059]
下面描述测量装置1a、1b在空气动力表面sa（将在该表面处分析流体流的行为，例如，如下文参考图6所述的飞机的一部分的表面）上的安装及其操作。
[0060]
当测量装置1a、1b被安置就位时，通过用胶或其他粘合装置将基板2a、2b附接到所述空气动力表面sa，其被布置在空气动力表面sa上。此外，测量装置1a、1b以如下方式布置，即：使得测量单元5a、5b的参考轴线10a、10b沿空气动力表面sa的方向定向，该方向称为参考方向。
[0061]
该参考方向是可任意选择的方向，并且该方向限定了测量装置1a、1b测得0
°
的角度值的方向。例如，在主要为单向流体流的情况下，该参考方向可对应于所述流体流的总体方向。
[0062]
下面解释布置在空气动力表面sa上并暴露于流体流的测量装置1a、1b的操作。
[0063]
流体流在成型元件3a、3b的面上施加的力使得后者以如下方式相对于基板2a、2b移动，即：使得所述成型元件3a、3b的纵向轴线7a、7b采取与流体流的定向相同的定向。
[0064]
固定到成型元件3a、3b的磁体4a、4b采取与流体流相同的定向，这会改变由磁体4a、4b在空气动力表面sa的给定点处产生的磁场cm的定向。其效果在于改变由测量单元5a、5b的磁传感器9a、9b测量的磁场值。由磁体4a、4b的定向变化引起的磁场值的变化通过测量单元5a、5b处理，以便确定角度值。
[0065]
由测量单元5a、5b确定的角度值是由测量单元5a、5b的参考轴线10a、10b与磁场cm的定向、也就是说磁体4a、4b的定向形成的角度的值。然而，磁体4a、4b的定向对应于成型元件3a、3b的定向，该定向对应于流体流的定向。此外，由于测量单元5a、5b的参考轴线10a、10b例如根据空气动力表面的参考方向布置，如上文所示，因此由计算单元12a、12b确定的角度值对应于流体流的定向与该参考方向之间的角度。
[0066]
在一个特定应用中，测量装置1a、1b具有允许其以高速率、例如以每秒15次测量的速率来测量和提供该角度值的采集频率，这使得可具有对流体流随时间的变化的动态和可用的表示。
[0067]
此外，在一个特定实施例中，测量单元5a、5b被构造成除了该角度值之外，还向处理单元6a、6b提供（由磁体4a、4b产生的）磁场的测量值。在这种情况下，处理单元6a、6b例如可将该测量的磁场值与预定极限值进行比较，并且如果所述测量的磁场值超过该极限值，则产生警报。
[0068]
处理单元6a、6b考虑磁场的测量值的事实使得可具有除了仅角度值之外的物理量。仅使用由测量单元5a、5b发送的角度值来检测测量装置1a、1b中的缺陷或所测量磁场中的干扰不一定容易。例如，在测量装置1a、1b被应用于飞机的空气动力表面的分析的情况下，测量装置4a、4b可能靠近所述飞机的产生杂散磁场的一件电气设备定位。在这种情况下，该杂散磁场可能会干扰测量单元5a、5b对磁场cm的测量，并导致错误的角度值被发送。由于磁体4a、4b及其产生的磁场的值是已知的，处理单元6a、6b能够识别出不一致的磁场的测量值，并且因此，由此推断出对应的角度值不正确，并且其不应纳入考虑。
[0069]
此外，在一个特定实施例中，测量单元5a、5b包括至少一个辅助传感器，其能够测量除磁场之外的辅助参数，所述辅助传感器例如图1中所示的温度传感器23。
[0070]
温度传感器23能够测量测量装置1a、1b的至少一个部件或者测量装置1a、1b的环境的温度，并且例如经由连接14a、14b将测量的温度值发送到处理单元6a、6b。处理单元6a、6b可将该温度值用于各种应用。特别地，它可将其与预定极限值、例如85℃进行比较，并且如果测量的温度值超过该极限值，则生成警报消息。
[0071]
该实施例使得可检测测量装置1a、1b处的异常温度，该异常温度可指示所述测量装置1a、1b或其部件中的故障。部件的过高温度值可用作警报，这例如可暗示不应考虑由测量装置1a、1b提供的角度值。
[0072]
测量单元5a、5b还可包括作为辅助传感器的压力传感器（未示出），该压力传感器
能够测量由流体流在空气动力表面上产生的静压。
[0073]
如上文所述的测量装置1a、1b因此是特别有利的。特别是，其使得可实时地测量和提供（数值）角度值，该角度值相对于已知的参考方向限定，并且以高精度指示了空气动力表面上的流体流的方向。
[0074]
因此，测量装置1a、1b使得可提供非常精确的数值测量，其用于表征流体流，并且特别是流分离现象。这些数值可用于进行后续处理，例如与数值模拟的比较。所提供的角度值还使得可确定作为所分析的流的空气动力学行为的特性的标准（附着、不稳定、分离）。
[0075]
此外，所获得的角度值的高精度例如可使得在相关的情况下可满足对某些认证的严格要求，例如飞机的认证。
[0076]
如图6中所示，测量装置1a、1b的优选应用是对飞机24、特别是运输机的外表面上的流体流的分析。图6中所示的示例还描绘了飞机24的一部分，包括附接到机身25的机翼26，以及安装在机翼26下方的发动机27。在该示例中，多个测量装置1a、1b被布置在这些元件的空气动力表面sa上，并且特别是布置在机翼26的上表面上以及靠近进气口围绕发动机27的外部面。
[0077]
有利地，测量装置1a、1b可在难以视觉观察的空气动力表面上实施，例如发动机的内表面、机翼的下侧或者水平或竖直稳定器的表面。
[0078]
在一个特定应用中，测量装置1a、1b被实现为用于设计或验证空气动力学结构的过程中的测试工具。测量装置1a、1b被布置在飞机、模型或一件设备的空气动力表面上，将在测试的环境中研究其在流体流中的行为。
[0079]
在第一类型的测试中，待测试的结构是意在执行测试飞行的飞机。然后，测量装置1a、1b被布置在待研究流体流的结构的那个或那些空气动力表面上。多个装置1a、1b可被布置在所述表面上，以便创建网格，该网格使得可分析整个区域上的流体流的行为。然后，该飞机执行测试飞行，在此期间这些表面暴露于气流。测量装置1a、1b提供用于相对于所分析表面表征气流的角度值和空气动力学行为值，这实时地完成。
[0080]
此外，在第二类型的测试中，待测试的结构在风洞中经历测试。一个或多个装置1a、1b被布置在待分析的结构的空气动力表面上。然后，该结构被布置在风洞中，以便暴露于由测试方案限定的受控流体流。测量装置1a、1b提供用于相对于所分析表面表征流体流的角度值和空气动力学行为值。
[0081]
然而，如上文所述，测量装置1a、1b的用途不限于航空领域。实际上，在涉及暴露于流体流的结构的任何应用中，它都可被用作用于分析流体流相对于空气动力表面的行为的工具。
[0082]
测量装置1a、1b特别是可用于分析交通工具的表面上的气流，例如陆基车辆，特别是在汽车和铁路运输领域中，或者飞行装置，特别是在弹道学的领域中。