用于测量桨扇空中数据的桨扇试验器

技术领域

本发明涉及桨扇测量技术领域，特别是一种用于测量桨扇空中数据的桨扇试验器。

背景技术

桨扇发动机相比其它喷气式发动机拥有耗油率低的主要优点，同时还具备巡航高度高和巡航速度快的优势。这些优点促使桨扇发动机在低空低速任务条件下更适合被推广使用。设计性能优异的桨扇发动机及其鲁棒的控制系统需要有完善的桨扇发动机的部件级模型，然而高精度的桨扇发动机物理模型需要高置信度的桨扇部件特性规律。桨扇部件具备小直径多桨叶的特点，对转桨扇的前排桨叶提供大部分推进力，而后排桨扇叶片可消除前排桨叶产生的涡旋，从而降低使用过程中产生的振动和噪声。

桨扇发动机的当量涵道比很大，它会随着飞行马赫数的增加，推力下降的很快，因此桨扇发动机的设计点一般选取为巡航状态。桨扇部件模型的构建，方法是基于试验数据对桨扇模型进行修正，因此需要设计桨扇试验器搭载无人飞行器获取桨扇部件特性数据。

由于试验数据对桨扇部件的特性的重要性，设计测试精度高的桨扇试验器来获取试验数据是必不可少的，而到目前为止缺乏一种满足空中测量桨扇数据功能的试验器。

背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于测量桨扇空中数据的桨扇试验器，其针对桨扇空中数据采集，测量精度高、结构轻巧，获得桨扇的转速数据和拉力数据，同时也可以测量电动机的输入功率，能够有效对桨扇部件模型进行修正，得到更可靠的桨扇部件模型，进而获得桨扇部件特性图。

本发明的目的是通过以下技术方案予以实现。

一种用于测量桨扇空中数据的桨扇试验器包括，

中介轴承，其包括中介轴承外圈和中介轴承内圈，所述中介轴承外圈基于第一桨扇叶片的轮毂端面轴向定位，中介轴承内圈基于第二桨扇轴的轴肩轴向定位，

第一桨扇叶片，所述第一桨扇叶片通过内部轮毂的花键孔与第一桨扇轴的花键轴部分相连接，

第一深沟球轴承及第一轴承座装配体，其支承所述第一桨扇轴，其中，第一深沟球轴承的内圈与第一桨扇轴过盈配合，装配体基于所述第一桨扇轴的轴肩轴向定位，第一深沟球轴承的外圈与第一轴承座的内圈过盈配合，第一轴承座内圈突出部位对第一深沟球轴承外圈的2/3处轴向定位，第一轴承座内圈周向布置齿顶，第一轴承座外圈周向布置齿根，所述齿顶与齿根径向定位，第一轴承座的端盖与第一轴承座的外圈螺栓固定，

第一电动机，其连接并驱动所述第一桨扇轴旋转以致动所述第一桨扇叶片以第一转速旋转，

功率计，其设在第一电子调速器和第一电动机的连接电路之间，测量第一电动机的输入功率信号，第一电动机与第二电动机因为由同一控制器进行控制所以产生的功率信号一致，

第一电子调速器，其连接所述第一电动机以调节其转速，

压力传感器，其测量第一和第二桨扇叶片产生的合拉力，压力传感器设在第一轴承座内圈与第一轴承座端盖之间的螺纹孔中，压力传感器的引线从第一轴承座端盖周向布置的孔槽中探出，由于第一桨扇叶片和第二桨扇叶片类型选择分别为一个正桨与一个反桨，所以产生的拉力方向一致，压力传感器测量的信号为第一桨扇叶片和第桨扇叶片所产生的合力，

第二桨扇叶片，其包括定位安装所述中介轴承内圈的轴肩，所述第二桨扇叶片在其轴心位置连接第二桨扇轴，

第二轴承及第二轴承座装配体，其支承所述第二桨扇轴，第二轴承内圈与第二桨扇轴过盈配合并轴肩定位，第二轴承的外圈与第二轴承座经由弹性垫片定位，

第二电动机，其连接并驱动所述第二桨扇轴旋转以致动所述第二桨扇叶片以第二转速旋转，

转速传感器，其包括设在第二轴承座端盖上的半导体端和周向布置在第二桨扇轴上的多个磁吸片，所述半导体端朝向所述磁吸片以测量所述第二转速，

第二电子调速器，其连接所述第二电动机以调节其转速，

处理单元包括，

控制器，其发送第一信号到所述第一电子调速器和第二电子调速器以调节第一转速和第二转速，

存储单元，其存储压力传感器、转速传感器、功率计所测量的数据，存储单元包括RAM存储器和SD卡。

所述的用于测量桨扇空中数据的桨扇试验器中，第一电子调速器和第二电子调速器分别具备速度闭环控制，以根据控制器给定的预定转速实现电机转速闭环控制，所述第二转速和第一转速反向等速，存储单元包括RAM存储器和SD卡。

所述的用于测量桨扇空中数据的桨扇试验器中，控制器包括地面遥控器，其发射高频脉冲信号被安装在桨扇试验器上的接收机接收，接收机放大并解调高频脉冲信号以传送给第一电子调速器和第二电子调速器，第一电子调速器和第二电子调速器根据接收到高频信号调节占空比，第一电子调速器和第二电子调速器输出PWM信号控制第一电动机和第二电动机的转速，转速传感器将采集的转速信号以电压脉冲信号形式发送给AD转换器转换成数字信号，并传递给DSP系统完成转速信号的采集与存储，功率计测量第一电动机的输入功率信号，并通过AD转换器和DSP系统存储到RAM和SD卡，压力传感器中的电阻膜片感受到应力产生电阻值，通过测量该电阻值的电压信号值并经过功率放大器放大形成0-3V电压信号，通过DSP系统上的AD转化器将电压信号转换成数字信号，所述数字信号先存入RAM作为中转，再存入SD卡。

所述的用于测量桨扇空中数据的桨扇试验器中，第一电动机左端放置由配件箱支架固定的第一配件箱，第一配件箱放置接收机、普通12V锂电池，第一大容量航模锂电池，第一电子调速器、功率计、功率放大器、DSP系统及其AD转换器、RAM存储器、SD卡，第二电动机右端放置由配件箱支架固定的第二配件箱，第二配件箱放置第二大容量航模锂电电池、第二电子调速器。

所述的用于测量桨扇空中数据的桨扇试验器中，DSP系统经由射频模块接收控制器的第二信号控制数据采集开启和关闭。

所述的用于测量桨扇空中数据的桨扇试验器中，功率计连接在第一电子调速器和第一电动机之间以测量第一电动机的功率信号，

所述的用于测量桨扇空中数据的桨扇试验器中，所述第一桨扇叶片通过其轮毂的局部花键孔与第一桨扇轴的花键轴端啮合连接，第一桨扇轴与第一电动机通过第一联轴器相连接，所述第二桨扇叶片通过其轮毂的局部花键孔与第二桨扇轴的花键轴端啮合连接，第二桨扇轴与第二电动机通过第二联轴器相连接。

所述的用于测量桨扇空中数据的桨扇试验器中，所述第一电动机由第一电动机座上盖和第一电动机座下盖夹紧固定，所述第二电动机由第二电动机座上盖和第二电动机座下盖夹紧固定。

所述的用于测量桨扇空中数据的桨扇试验器中，桨扇试验器的所有部件在周向的截面直径不大于所述第一桨扇轮毂或第二桨扇轮毂的直径。

所述的用于测量桨扇空中数据的桨扇试验器中，所述第一桨扇叶片第二桨扇叶片均为被测试的缩比桨叶模型。

所述的用于测量桨扇空中数据的桨扇试验器中，第一桨扇叶片第二桨扇叶片轴向同向布置但转速方向相反，所述第二轴承座上设有用于测量第二桨扇叶片的第二转速的转速传感器。

本发明桨扇试验器由结构设计和电控及数据采集回路两部分组成。结构设计部分包括部件组成及相互之间的安装定位方式，以及压力传感器、转速传感器和功率计的布置方式。电控部分包括硬件控制设备的连接方式，遥控输出的高频脉冲信号直接控制电动机的电压值，进而改变电动机的转速大小。使用压力传感器采集桨扇产生的拉力值，数据采集利用功率放大器将信号传送给DSP系统，进而储存到对应的存储设备中。桨扇试验器可靠的结构是测试数据的基础，而电控及数据采集回路是转速控制和数据获取的直接方式，两者相辅相成，为高置信度的数据获取提供基础。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使得本发明的技术手段更加清楚明白，达到本领域技术人员可依照说明书的内容予以实施的程度，并且为了能够让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，下面以本发明的具体实施方式进行举例说明。

附图说明

通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。

在附图中：

图1是根据本发明一个实施例的用于测量桨扇空中数据的桨扇试验器的剖面结构示意图；

图2是根据本发明一个实施例的用于测量桨扇空中数据的桨扇试验器的轴测示意图；

图3是根据本发明一个实施例的用于测量桨扇空中数据的桨扇试验器的轴承及轴承座装配体剖面结构示意图；

图4是根据本发明一个实施例的用于测量桨扇空中数据的桨扇试验器的轴承及轴承座装配体轴测图的结构示意图；

图5是根据本发明一个实施例的用于测量桨扇空中数据的桨扇试验器的电控及数据采集回路示意图。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。

具体实施方式

下面将参照附图1至附图5更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。

为了更好地理解，如图1至图5所示，一种用于测量桨扇空中数据的桨扇试验器包括，

中介轴承10，其包括中介轴承外圈、中介轴承内圈和滚动体，所述中介轴承外圈基于第一桨扇叶片9的轮毂端面轴向定位，中介轴承内圈基于第二桨扇轴15的轴肩轴向定位，

第一桨扇叶片9，所述第一桨扇叶片9通过内部轮毂的花键孔与第一桨扇轴6的花键轴部分相连接，

第一深沟球轴承25及第一轴承座装配体8装配体，其支承所述第一桨扇轴6，第一深沟球轴承25的内圈与第一桨扇轴6过盈配合且基于所述第一桨扇轴6的轴肩轴向定位，第一深沟球轴承25的外圈与轴承座的内圈过盈配合且第一轴承座内圈突出部位对第一深沟球轴承25外圈的2/3处轴向定位，第一轴承座内圈与第一轴承座外圈基于其周向布置的齿顶与齿根径向定位，第一轴承座的端盖与第一轴承座的外圈螺栓固定，

第一电动机3，其连接并驱动所述第一桨扇轴6旋转以致动所述第一桨扇叶片9以第一转速旋转，

第一电子调速器，其连接所述第一电动机3以调节其转速，

压力传感器29，其设在轴承座内圈与轴承座端盖的螺纹孔，测量第一第二桨扇叶片产生的合拉力的压力传感器29，压力传感器29的引线从轴承座端盖周向孔槽内探出，

第二桨扇叶片11，所述第二桨扇叶片11在其轴心位置通过内部花键孔与第二桨扇轴15相连接，

第二轴承14及第二轴承座13装配体，其支承所述第二桨扇轴15，第二轴承14内圈与第二桨扇轴15过盈配合并轴肩定位，第二轴承14的外圈与第二轴承座13经由弹性垫片定位，

第二电动机20，其连接并驱动所述第二桨扇轴15旋转以致动所述第二桨扇叶片11以第二转速旋转，

转速传感器30，其包括设在第二轴承座13端盖上的半导体端和周向布置在第二桨扇轴15上的多个磁吸片，所述半导体端朝向所述磁吸片以测量所述第二转速，

第二电子调速器，其连接所述第二电动机20以调节其转速，

处理单元包括，

控制器，其发送第一信号到所述第一电子调速器和第二电子调速器以调节第一转速和第二转速，

DSP系统，其经由射频模块接收控制器的第二信号控制数据采集开启和关闭，

存储单元，其连接所述DSP系统、压力传感器29、转速传感器30、功率计，用来存储三类传感器的测试数据。

在一个实施例中，转速传感器包括设在第二轴承座上的半导体端和周向布置在第二桨扇轴上的4个磁吸片。

在一个实施例中，现有的桨扇部件特性主要包括风洞测试，载人飞机平台的数据测试。本发明的压力传感器布置方法独特，采用桨扇叶片的缩比模型，拥有结构体积小、数据测试精度高的特点，可以巧妙地与微型固定翼无人机相结合。以微型无人机做为测试平台，提供测试所需的高空飞行环境，桨扇试验器作为测试主体，负责采集桨扇测试数据。本发明与风洞测试相比，可以提供高空测试环境，比风洞测试环境更加真实，相比载人无人机平台的测试方法，拥有测试成本大幅降低的重要优势。

在一个实施例中，本试验器整体结构采用近似对称布置的方案。如图1所示，结构I和结构II除桨扇轴、轴承、轴承座、轴承座支架外其余部件均完全相同。第一桨扇叶片9通过其轮毂的局部花键孔与第一桨扇轴6的花键轴端啮合连接，第一桨扇轴6与电动机轴3通过第一联轴器5相连接，第一电动机3由第一电动机座上盖24和第一电动机座下盖23夹紧固定。电动机左端放置第一配件箱1，其由第一配件箱支架2固定，第一配件箱内部放置接收机、第一大容量航模锂电池，电子调速器、功率计、功率放大器、DSP最小系统及其AD转换器、普通12V锂电池、RAM存储器、SD卡。第一桨扇轴6与第二桨扇轴15通过中介轴承10连接，中介轴承10的外圈由第一桨扇叶片9内孔阶梯定位安装，其内圈由第二桨扇轴15的轴肩安装定位。转速传感器布置在第二轴承座13上、在第二桨扇轴15上周向布置4个磁吸片，将转速传感器的半导体端正对轴上磁吸片方向。功率计连接第一电子调速器与第一电机之间，其自身放置在第一配件箱内部测量数据。第一结构与第二结构整体安装方案对称，只有局部安装不一，并且第二配件箱内放置第二大容量航模锂电池和第二电子调速器。两者的轴承座安装方案不同，具体指，第二深沟球轴承14内圈与第二桨扇轴15同样采用过盈配合并使用轴肩定位，第二深沟球轴承14外圈与第二轴承座13过渡配合使用弹性垫片定位，第二轴承座13安装固定在第二轴承座支架12上。

如图3和图4所示，第一深沟球轴承25的内圈与第一桨扇轴6采用过盈配合连接，并利用第一桨扇轴6上的轴肩进行轴向定位，而第一深沟球轴承25的外圈与第一轴承座内圈26采用过渡配合，同时使用轴承座内圈26突出部位对第一深沟球轴承25外圈的2/3处完成轴向定位，第一轴承座内圈26与第一轴承座外圈27利用周向布置的齿顶与齿根完成径向定位，第一轴承座端盖28与第一轴承座外圈通过螺栓固定，压力传感器29布置在第一轴承座内圈26与第一轴承座端盖28的的螺纹孔内，压力传感器的引线从第一轴承座端盖周向孔槽内探出，该压力传感器可测量第一第二桨扇叶片产生的合拉力。

整个结构设计所有的截面直径都与桨扇轮毂直径的尺寸相当，是为了防止因尺寸不匹配而出现对桨扇入口气流出现的扰流状况，导致所测量参数不准确的结果发生。

所述的用于测量桨扇空中数据的桨扇试验器的优选实施例中，第一电子调速器和第二电子调速器分别具备速度闭环控制以根据控制器给定的预定转速实现电机转速闭环控制，所述第二转速和第一转速反向等速，存储单元包括RAM存储器和SD卡。

所述的用于测量桨扇空中数据的桨扇试验器的优选实施例中，控制器包括地面遥控器，其发射高频脉冲信号被安装在桨扇试验器上的接收机接收，接收机放大并解调高频脉冲信号以传送给第一电子调速器和第二电子调速器，第一电子调速器和第二电子调速器根据接收到信号调整内部占空比输出PWM波，分别控制第一电动机3和第二电动机20的转速，转速传感器30将采集的转速信号以电压脉冲信号形式发送给AD转换器转换成数字信号，并传递给DSP系统完成转速信号的采集与存储，功率计测量第一电动机3的输入功率信号，并通过AD转换器和DSP系统存储到RAM和SD卡，压力传感器29中的电阻膜片感受到应力产生电阻值，通过测量该电阻值的电压信号值并经过功率放大器放大形成0-3V电压信号，通过DSP系统上的AD转化器将电压信号转换成数字信号，所述数字信号先存入RAM作为中转，再存入SD卡。

所述的用于测量桨扇空中数据的桨扇试验器的优选实施例中，第一电动机3左端放置由配件箱支架固定的第一配件箱1，第一配件箱1放置接收机、普通12V锂电池，第一大容量航模锂电池、第一电子调速器、功率计、功率放大器、DSP系统及其AD转换器和存储单元，第二电动机20右端放置由第二配件箱支架固定的第二配件箱19，第二配件箱19放置第二大容量航模锂电池、第二电子调速器。

所述的用于测量桨扇空中数据的桨扇试验器的优选实施例中，功率计连接在第一电子调速器和第一电动机3之间用来测量第一电动机3的功率信号，

所述的用于测量桨扇空中数据的桨扇试验器的优选实施例中，所述第一桨扇叶片9通过其轮毂的局部花键孔与第一桨扇轴6的花键轴端啮合连接，第一桨扇轴6与第一电动机3通过第一联轴器5相连接，所述第二桨扇叶片11通过其轮毂的局部花键孔与第二桨扇轴15的花键轴端啮合连接，第二桨扇轴15与第二电动机20通过第二联轴器16相连接。

所述的用于测量桨扇空中数据的桨扇试验器的优选实施例中，所述第一电动机3由第一电动机座上盖和第一电动机座下盖夹紧固定，所述第二电动机20由第二电动机座上盖和第二电动机座下盖夹紧固定。

所述的用于测量桨扇空中数据的桨扇试验器的优选实施例中，桨扇试验器的所有部件在周向的截面直径不大于所述第一桨扇轮毂或第二桨扇轮毂的直径。

所述的用于测量桨扇空中数据的桨扇试验器的优选实施例中，所述第一桨扇叶片9第二桨扇叶片11均为被测试的缩比对转桨扇叶片。

所述的用于测量桨扇空中数据的桨扇试验器的优选实施例中，第一桨扇叶片9第二桨扇叶片11轴向同向布置且转速方向相反，所述第二轴承座上设有用于测量第二桨扇叶片的第二转速的转速传感器，

在一个实施例中，如图5所示，桨扇试验器总体框架分为控制、数据和供电三路。其中控制路主要由控制器、接收器和射频模块构成；数据路主要由压力传感器29、转速传感器30、功率计、DSP最小系统、RAM存储器、SD卡等组成；供电路主要由第一大容量航模电池、第二大容量航模电池、普通12V锂电池和转电压模块构成。具体地，通过接收器接收地面控制器的信号并传给电调，电调接收信号后调整直流无刷电机的电压和电流，通过两个直流无刷电机分别带动对转桨扇两个桨叶。同时通过射频模块接收地面控制器的信号并传给DSP最小系统，控制数据采集功能的开启和关闭。压力传感器29的桨扇拉力数据、转速传感器30的转速数据和第一电机3的功率数据通过数据调理模块和DSP最小系统先后存入RAM和SD卡，回到地面后再将SD卡中的数据导入地面电脑。同时，为减轻整体系统的重量，通过两块大容量航模电池分别给两个电调供电，一块普通锂电池给拉压力传感器29的功率放大器供电，并且经过降压模块后给DSP最小系统供电。

在一个实施例中，地面遥控器发射高频脉冲信号被安装在试验器上的接收机接收，接收机将接受到的高频脉冲信号放大并解调完毕，把高频信号传送给第一电子调速器和第二电子调速器，第一电子调速器和第二电子调速器调节内部占空比输出PWM波，从而改变无刷电机的转速，实现第一电动机和第二电动机的转速控制。同时电调本身具备速度闭环控制功能，可以根据遥控器给定的具体预设转速，实现电机转速的精准闭环控制。安装在第二轴承座13的转速传感器30采集贴有磁吸片的第二桨扇轴15的转速信号，该转速信号将以电压脉冲信号形式发送给AD转换器转换成数字信号，并传递给DSP最小系统，完成转速信号的采集与存储。在第一电调与第一电机3之间接入功率计以测量第一电机3的输入功率信号，通过AD转换器和DSP最小系统将信号逐步存储到RAM和SD卡。

在一个实施例中，桨扇的拉力由轴承座内圈26与轴承座端盖28的微小形变和位移传递给拉压力传感器29，压力传感器29中的电阻膜片感受到应力变化时会产生不同的电阻值，通过测量该电阻的电压信号值并通过再经过功率放大器放大，形成标准的0-3V电压信号，随后通过DSP最小系统上的AD转化器将标准电压信号转换成数字信号。考虑到存储速度和容量的差异，ADC转换的数字信号先存入存储速度较快的RAM作为中转，再存入SD卡，防止因为DSP系统掉电而失去数据。

在一个实施例中，接收机收到手持遥控器的指令后，将该信号同时传递给两个电子调速器，电子调速器可以改变对称两端的电动机的电压，进而同时改变两端的转速。当达到试验测试环境条件时，DSP系统接送遥控器信号，开启数据采集功能，持续采集转速信号、压力信号、功率信号、并通过DSP最小系统存储到RAM和SD卡中，完成数据采集后，接收遥控器指令关闭数据采集功能。以此方式完成整个过程的空中桨扇试验器数据采集。

工业实用性

本发明所述的用于测量桨扇空中数据的桨扇试验器可以在桨扇领域制造并使用。

以上结合具体实施例描述了本申请的基本原理，但是，需要指出的是，在本申请中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本申请的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本申请为必须采用上述具体的细节来实现。

为了例示和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本申请的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。