新型风传感器起飞以提高无人机性能

研究人员开发了一种有效率的风传感器，以提高无人机、气球和其他自主飞机的起飞和着陆稳定性。

对自动驾驶飞行器的需求正在上升——一些预测预测市场价值将从 2019 年的 45.6 亿美元飞跃到 2027 年的 162.3 亿美元。在这个市场中，风传感器（或“风速计”）对于监测风速和起飞和降落时的方向。 风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。

国家空域系统中的自主飞机。图片（修改）由NASA提供

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目前，飞行器使用皮托管来测量空速。这些管子包含静止的移动流体。停滞压力与其他参数一起用于确定流体流速或空速。然而，这些管子需要电加热器来防止流体冻结，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稳定性，俄亥俄州立大学的研究人员近期开发了一种翼型风速计，它重量轻、功耗低且对压力变化更敏感。研究人员遇到了现有风速计的哪些设计挑战？

风速计的类型

当前的许多风传感器价格昂贵、耗能高或大气阻力大，因此不适合小型飞机。

常见的风速计是机械式风速计。它包含一个轮子，轮子的辐条末端带有杯子或螺旋桨，其中一个附有磁铁。每次磁铁通过磁敏开关时，它都会提供风速读数。然而，机械风速计的尺寸、响应时间慢和高气动阻力使其不适用于航空应用。?

热线风速计体积小，精度高。这里，温度梯度是通过使用桥式电路的热敏电阻来测量的。加热元件需要不断加热，导致能耗高。

转杯式电子风速计示意图。图片由大英百科全书提供

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另一种流行的风传感器是风速计，它根据压电片等活性材料中的气流引起的变形来测量风速。虽然它们体积小且功耗较低，但阻力风速计的传感范围和精度有限，并且高度依赖于温度。?

声波风速计等基于传感器的方法测量发射和接收的声波之间的传播时间或相位差，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。该传感器是一个翼型套筒，可安装在系绳系统上以减少空气动力阻力。

该团队使用一种称为聚偏二氟乙烯 (PVDF) 的聚合物作为压电翼型，利用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、能量收集和其他模块。

翼型风速计示意图。图片由Frontiers提供

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机翼充当风向标，以稳定的“迎角”定向。这是弦（附有箔片）与气流方向之间的角度。角位置可用于确定风向，PVDF薄膜的电压或电容变化与风速有关。角位置由集成在翼型中的磁力计确定。它提供相对于地球磁场的风向。

新的翼型风速计在行动

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，他们在风洞中对其进行了测试。该传感器在这两项测试中都表现很好。

在密封室中进行风速计测试的实验装置。图片由Frontiers提供（修改）

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研究人员指出，需要进一步改进才能在商业应用中部署这种传感器技术。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马塞洛·达皮诺希望他们的工作能够影响风力涡轮机等应用，以产生清洁和有效的能源。?