研究人員開發(fā)了一種有效率的風傳感器，以提高無人機、氣球和其他自主飛機的起飛和著陸穩(wěn)定性。

對自動駕駛飛行器的需求正在上升——一些預測預測市場價值將從 2019 年的 45.6 億美元飛躍到 2027 年的 162.3 億美元。在這個市場中，風傳感器（或“風速計”）對于監(jiān)測風速和起飛和降落時的方向。 風傳感器對于優(yōu)化飛機和小型飛行器的軌跡至關重要。他們還預測和優(yōu)化風力渦輪機的性能。

國家空域系統(tǒng)中的自主飛機。圖片（修改）由NASA提供

目前，飛行器使用皮托管來測量空速。這些管子包含靜止的移動流體。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)，這會降低小型和微型飛行器的效率。 

為了提高自動駕駛飛機的穩(wěn)定性，俄亥俄州立大學的研究人員近期開發(fā)了一種翼型風速計，它重量輕、功耗低且對壓力變化更敏感。研究人員遇到了現(xiàn)有風速計的哪些設計挑戰(zhàn)？

風速計的類型

當前的許多風傳感器價格昂貴、耗能高或大氣阻力大，因此不適合小型飛機。

常見的風速計是機械式風速計。它包含一個輪子，輪子的輻條末端帶有杯子或螺旋槳，其中一個附有磁鐵。每次磁鐵通過磁敏開關時，它都會提供風速讀數(shù)。然而，機械風速計的尺寸、響應時間慢和高氣動阻力使其不適用于航空應用。 

熱線風速計體積小，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量的。加熱元件需要不斷加熱，導致能耗高。

轉(zhuǎn)杯式電子風速計示意圖。圖片由大英百科全書提供

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

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

采用智能材料的新型風速計

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

該團隊使用一種稱為聚偏二氟乙烯 (PVDF) 的聚合物作為壓電翼型，利用風壓產(chǎn)生的能量為風速計提供動力。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。

翼型風速計示意圖。圖片由Frontiers提供

機翼充當風向標，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向，PVDF薄膜的電壓或電容變化與風速有關。角位置由集成在翼型中的磁力計確定。它提供相對于地球磁場的風向。

新的翼型風速計在行動

研究人員在密封室中測試了他們的設備以確定其靈敏度。然后，他們在風洞中對其進行了測試。該傳感器在這兩項測試中都表現(xiàn)很好。

在密封室中進行風速計測試的實驗裝置。圖片由Frontiers提供（修改）

研究人員指出，需要進一步改進才能在商業(yè)應用中部署這種傳感器技術。他們繼續(xù)研究 PVDF 和其他智能材料。該研究的合著者、俄亥俄州立大學機械和航空航天工程教授馬塞洛·達皮諾希望他們的工作能夠影響風力渦輪機等應用，以產(chǎn)生清潔和有效的能源。