研究人員開發(fā)了一種更有效的風(fēng)傳感器，以提高無人機(jī)、氣球和其他自主飛機(jī)的起飛和著陸可靠性。

對(duì)自動(dòng)駕駛飛行器的需求正在上升——一些預(yù)測(cè)預(yù)測(cè)市場(chǎng)價(jià)值將從 2019 年的 45.6 億美元飛躍到 2027 年的 162.3 億美元。在這個(gè)市場(chǎng)中，風(fēng)傳感器（或“風(fēng)速計(jì)”）對(duì)于監(jiān)測(cè)風(fēng)速和起飛和降落時(shí)的方向。 風(fēng)傳感器對(duì)于優(yōu)化飛機(jī)和小型飛行器的軌跡至關(guān)重要。他們還預(yù)測(cè)和優(yōu)化風(fēng)力渦輪機(jī)的性能。

國(guó)家空域系統(tǒng)中的自主飛機(jī)。圖片（修改）由NASA提供

目前，飛行器使用皮托管來測(cè)量空速。這些管子包含靜止的移動(dòng)流體。停滯壓力與其他參數(shù)一起用于確定流體流速或空速。然而，這些管子需要電加熱器來防止流體凍結(jié)，這會(huì)降低小型和微型飛行器的效率。 

為了提高自動(dòng)駕駛飛機(jī)的可靠性，俄亥俄州立大學(xué)的研究人員近期開發(fā)了一種翼型風(fēng)速計(jì)，它重量輕、功耗低且對(duì)壓力變化更敏感。研究人員遇到了現(xiàn)有風(fēng)速計(jì)的哪些設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)？

風(fēng)速計(jì)的類型

當(dāng)前的許多風(fēng)傳感器價(jià)格昂貴、耗能高或大氣阻力大，因此不適合小型飛機(jī)。

常見的風(fēng)速計(jì)是機(jī)械式風(fēng)速計(jì)。它包含一個(gè)輪子，輪子的輻條末端帶有杯子或螺旋槳，其中一個(gè)附有磁鐵。每次磁鐵通過磁敏開關(guān)時(shí)，它都會(huì)提供風(fēng)速讀數(shù)。然而，機(jī)械風(fēng)速計(jì)的尺寸、響應(yīng)時(shí)間慢和高氣動(dòng)阻力使其不適用于航空應(yīng)用。 

熱線風(fēng)速計(jì)體積小，精度高。這里，溫度梯度是通過使用橋式電路的熱敏電阻來測(cè)量的。加熱元件需要不斷加熱，導(dǎo)致能耗高。

轉(zhuǎn)杯式電子風(fēng)速計(jì)示意圖。圖片由大英百科全書提供

另一種流行的風(fēng)傳感器是風(fēng)速計(jì)，它根據(jù)壓電片等活性材料中的氣流引起的變形來測(cè)量風(fēng)速。雖然它們體積小且功耗較低，但阻力風(fēng)速計(jì)的傳感范圍和精度有限，并且高度依賴于溫度。 

聲波風(fēng)速計(jì)等基于傳感器的方法測(cè)量發(fā)射和接收的聲波之間的傳播時(shí)間或相位差，但它們需要復(fù)雜的信號(hào)處理才能獲得可靠的結(jié)果。

采用智能材料的新型風(fēng)速計(jì)

俄亥俄州立大學(xué)的一組研究人員開發(fā)了一種翼型風(fēng)速計(jì)，用于穩(wěn)定飛機(jī)的智能系繩系統(tǒng)。該傳感器是一個(gè)翼型套筒，可安裝在系繩系統(tǒng)上以減少空氣動(dòng)力阻力。

該團(tuán)隊(duì)使用一種稱為聚偏二氟乙烯 (PVDF) 的聚合物作為壓電翼型，利用風(fēng)壓產(chǎn)生的能量為風(fēng)速計(jì)提供動(dòng)力。該傳感器集成了數(shù)據(jù)處理、無線通信、能量收集和其他模塊。

翼型風(fēng)速計(jì)示意圖。圖片由Frontiers提供

機(jī)翼充當(dāng)風(fēng)向標(biāo)，以穩(wěn)定的“迎角”定向。這是弦（附有箔片）與氣流方向之間的角度。角位置可用于確定風(fēng)向，PVDF薄膜的電壓或電容變化與風(fēng)速有關(guān)。角位置由集成在翼型中的磁力計(jì)確定。它提供相對(duì)于地球磁場(chǎng)的風(fēng)向。

新的翼型風(fēng)速計(jì)在行動(dòng)

研究人員在密封室中測(cè)試了他們的設(shè)備以確定其靈敏度。然后，他們?cè)陲L(fēng)洞中對(duì)其進(jìn)行了測(cè)試。該傳感器在這兩項(xiàng)測(cè)試中都表現(xiàn)良好。

在密封室中進(jìn)行風(fēng)速計(jì)測(cè)試的實(shí)驗(yàn)裝置。圖片由Frontiers提供（修改）

研究人員指出，需要進(jìn)一步改進(jìn)才能在商業(yè)應(yīng)用中部署這種傳感器技術(shù)。他們繼續(xù)研究 PVDF 和其他智能材料。該研究的合著者、俄亥俄州立大學(xué)機(jī)械和航空航天工程教授馬塞洛·達(dá)皮諾希望他們的工作能夠影響風(fēng)力渦輪機(jī)等應(yīng)用，以產(chǎn)生清潔和有效的能源。