扭矩传感器原理 北京天宇恒创传感技术有限公司

使用扭矩传感器测量扑翼扑动所需扭矩

为了提高仿鸟扑翼飞机的能量利用率,找到其最佳能量消耗参数,在风洞中对不同来流速度下模型的扭矩与功率消耗两个重要物理量进行了测量,找出功率消耗随风速的变化关系。实验使用了一个曲柄连杆扑翼模型,模型的扑翼采用平面结构布局,并且具有一定柔性。实验分别测试模型在不同风速下扑翼扑动的需用扭矩和功率,结果显示在风速2~16m/s之间,模型的扑动扭矩和功率随风速的增加都逐渐减小,其中需用扭矩最大减小量约为30%。这一发现可以降低扑翼机对发动机推重比的要求,也可以降低对扑翼材料的力学要求。这在一定程度上解释了鸟类迁徙节能的原因,也对扑翼飞机的发展具有一定促进作用。

鸟类灵活高效的飞行技巧,让人们无限向往。自从人们开始研究在天空飞行,就一直想制造出一对可以供人类使用的翅膀。虽然现在人们已经通过固定翼飞机实现了飞天梦,但是距鸟类的高机动性和高灵敏度飞行还有很长一段距离。从能量利用率方面分析,我们可以清楚的看到现有飞机与鸟类之间的差距。每年有不计其数的鸟类在春秋季节进行着远距离的迁徙活动,可是它们的食物摄入量和体重消耗都少的不可思议。调查结果显示,一种迁徙的鹬从加拿大的布拉多半岛不停地迁徙飞行到南美洲,行程约3850公里,到达目的地后,其体重仅减少了56克。按这个比例数字推算,一架小型直升机飞行30公里,消耗汽油油仅0.5升,但实际需要4.5升汽油,鸟类对“燃料”的利用率是这种小型飞机的9倍。为了更加具体的了解大尺寸扑翼的能量消耗规律,我们设计了大尺寸扑翼模型,并针对扑翼的能量消耗和空气动力性能进行了测量实验。

实验原理:将实验模型放置在风洞中,固定扑翼的扑动频率为3HZ,改变来流速度,通过测量不同风速下的扑翼的功率消耗量,来研究扑翼部分功率消耗与来流速度之间的关系。

使用扭矩传感器测量扑翼扑动所需扭矩

实验装置:实验使用的是北京丰台空气动力研究所11院的FD-09风洞,这是一个回流式风洞,实验段截面尺寸为3mX3m,风速稳定调控范围8~80m/s,紊流度0.2%,测量准度1.2%。扑翼受力测量使用的是六分量天平,量程300N,测量精度0.3%。使用扭矩传感器测量扑翼扑动所需扭矩,量程30N·m,测量精度0.3%,响应频率200Hz。扭矩传感器安装在减速器输出轴和曲柄轴之间,直接测量输出轴的实时输出扭矩值。实验中还使用了功率测量仪,测量锂电池输出端口的电压和电流,计算扑翼模型的功率消耗。

扭矩传感器安装在减速器输出轴和曲柄轴之间

实验结论:大尺寸柔性扑翼扑动机构,在扑动频率不变的情况下,改变来流速度:
1.风速2~16m/s之间随风速的增加,消耗功率和需用扭矩均呈现先减小,后趋于稳定的变化规律,其中需用扭矩最大减小量约为30%;
2.扑翼机构在一定的风速范围内随风速的增加,可以减小扑翼杆的受力;
3.随风速的增加,净推力缓慢增加;
4.和Rayner的结论具有一致性,丰富了扑翼消耗研究中大尺寸柔性扑翼功率消耗规律实验的数据。