專利名稱：用于葉片和翼型的壓力及流分離的測量的接觸傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種流體動力學電阻式接觸傳感器，其用于測量翼型上的流體壓力， 其中，所測量的壓力可以是空氣壓力或液體壓力。本發(fā)明還涉及允許流體動力學傳感器測 量翼型的性能參數(shù)的翼型裝備布置，該翼型可以是風力渦輪葉片。 根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種流體動力學電阻式接觸傳感器，其適合于測 量翼型上的流體壓力。該傳感器包括導電的壓敏元件。導電的底板可操作地連接到壓敏元 件的一端上。導電的壓力傳感膜片可操作地連接到壓敏元件的第二端上，用于施加預負荷， 并感測與環(huán)境壓力相關的力。電絕緣體將底板和壓力傳感膜片分離。提供了用于將壓力傳 感膜片接合到底板上的裝置。還提供了用于提供穿過壓敏元件的電流的裝置。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種用于制造適合于流體壓力的測量的流體動力 學電阻式接觸傳感器的方法。該方法包括提供導電的底板，并將壓敏元件的一端安裝在底 板上。該方法還包括將導電的壓力傳感膜片安裝在壓敏元件的第二端之上，并將壓力傳感 膜片與底板電隔離。該方法還包括將壓力傳感膜片與底板接合。 根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供了一種用于流體動力學電阻式接觸傳感器的風力渦
4輪葉片的裝備結構，這種電阻式接觸傳感器適合于測量與風力渦輪葉片性能相關的流體動力學參數(shù)。該結構包括多個流體動力學電阻式接觸傳感器，該接觸傳感器包括由聚合物和傳導填料形成的壓敏傳導復合材料，其中，所述多個接觸傳感器根據(jù)預定的形式而分布在風力渦輪葉片的表面上。該結構還包括一種針對位于風力渦輪葉片上的多個流體動力學電阻式接觸傳感器的安裝結構，其適合于在風力渦輪運轉的期間將多個流體動力學電阻式接觸傳感器保持固定在合適的位置上。還提供了裝置以用于在位于葉片上的多個流體動力學電阻式接觸傳感器和數(shù)據(jù)采集終端之間電氣地傳送信號。
當參照附圖并閱讀以下詳細描述時，將更好地理解本發(fā)明的這些以及其它的特征、方面和優(yōu)點，其中，在所有附圖中，相似的標號表示相似的部件，其中
圖1A圖示了用于測量流體壓力的流體動力學壓力傳感器的一個實施例的等距視圖； 圖1B圖示了流體動力學電阻式接觸壓力傳感器的一個實施例的橫截面； 圖1C圖示了流體動力學電阻式接觸壓力傳感器的第二實施例的橫截面，該傳感
器采用了用于將底板和壓力傳感膜片接合的非金屬夾具； 圖1D圖示了壓敏元件的平坦形狀的頂面和壓力傳感膜片之間的接觸基于壓敏元件在底板上的定位的變化； 圖1E圖示了壓敏元件105的凸頂面的冠頂和壓力傳感膜片之間的接觸；
圖1F圖示了用于將傳感器空腔抽真空的過程； 圖1G圖示了來自壓力模式下的傳感器的壓力輸出信號的線性度； 圖2圖示了安裝在翼型上的流體動力學電阻式接觸傳感器的布置； 圖3圖示了針對制造流體動力學電阻式接觸壓力傳感器的方法的流程； 圖4A圖示了沿著葉片的全部翼弦分布并捕獲圍繞翼型的全部壓力分布的流體動
力學電阻式接觸壓力傳感器； 圖4B圖示了沿著前緣壓力面分布并可以提供與滯流點和迎角相關的特定信息的流體動力學電阻式接觸壓力傳感器以及沿著后緣分布并可以用于獲取翼弦上的失速數(shù)據(jù)的流體動力學電阻式接觸壓力傳感器； 圖4C圖示了沿著全部前緣和全部后緣的至少一個而分布的流體動力學電阻式接觸壓力傳感器； 圖4D圖示了可以由分布在前緣吸力面上的流體動力學電阻式接觸壓力傳感器捕獲的前緣吸力峰值壓力和頂壁壓力； 圖5A-5E分別圖示了針對全跨度分布；外1/3跨度，葉片尖端的外跨度；內1/3跨
度；以及中間跨度而提供的流體動力學電阻式接觸壓力傳感器； 圖6A圖示了沿著葉片表面以偏斜安裝的形式安裝的傳感器； 圖6B圖示了葉片上的后緣插件； 圖6C圖示了用于葉片的后緣插件的放大圖； 圖6D圖示了針對后緣插件內的通道的局部截面圖A-A ; 圖6E圖示了穿過用于后緣插件的通道空腔入口的局部截面圖B-B ;
圖7圖示了一種用于測試的沿著風力渦輪葉片的翼弦的流體動力學電阻式接觸 傳感器的示范性分布； 圖8A-8C圖示了沿著風力渦輪葉片的全部軸向跨度分布的傳感器； 圖9圖示了永久性地安裝在風力渦輪葉片的外表中的傳感器； 圖10圖示了用于帶內的多個流體動力學電阻式接觸傳感器的封裝布置的一個實
施例； 圖11圖示了用于與流體動力學電阻式接觸傳感器一起采用的數(shù)據(jù)傳送裝置的實 施例； 圖12A圖示了一種用于將來自安裝在葉片或輪葉上的傳感器的一個引線連接到 后緣插件上的布置； 圖12B圖示了從葉片或輪葉上的傳感器至數(shù)據(jù)采集終端的電連接的放大圖。 圖13圖示了一種用于裝備布線的備選表面布置。 部件列表 100流體動力學電阻式接觸傳感器；101高度；102直徑；103外部壓力；104外圓
周；105壓敏元件；106第一端；107第二端；108平的表面；109頂面；110空腔；115底板； 116底板的底面；117底板的頂面；118圓形的接觸線；119圓頂接觸；120變化的定位；122
包含在空腔中的空氣；123空腔中的真空；125壓力傳感膜片；126圓頂?shù)捻斆妫?27圓頂?shù)?br>
下側；128圓頂?shù)耐庵苓叢糠郑?30真空腔室；131密封件；132力；133壓制裝置；133線性 度；134復合隔膜；135紙墊圈；136環(huán)氧樹脂隔膜；145電絕緣體；165預負荷力；175冠頂； 176凸頂面；185電絕緣夾具；190電氣引線；191底板上的位置；192壓力傳感膜片上的位
置；195電流；198電阻；210流體動力學電阻式接觸傳感器；220翼型；230入射氣流；240上
表面；245下表面；250平滑的氣流；255流分離；260尾流；400翼型橫截面；405全部翼弦； 410前緣壓力面；415后緣；420全部前緣；425全部后緣；430前緣吸力面；500葉片；510全
部跨度；520外1/3跨度；530尖端跨度;540內1/3跨度;550中間跨度;600葉片;601吸力
側；602壓力側；610傳感器；620表面；630弦線；640偏斜安裝的形式；650角度；660前緣；
670后緣；676標定元件；685通道空腔；690束；691通道入口 ；692傳感器引線；694入射角； 700傳感器；710第一位置；720第二位置；730第三位置；740第四位置；750第五位置；800
風力渦輪葉片；810前緣跨度；820后緣跨度；830全部多個跨度；900葉片；910葉片外表；
920葉片芯部；930電阻式接觸傳感器；940來自傳感器的導線對；950導線束；1010傳感器
帶；1015帶的頂面；1020流體動力學電阻式接觸傳感器；1025壓力傳感膜片；1030底板；
1040空氣動力學電阻式接觸傳感器；1050帶的背面；1060來自傳感器的傳感導線；1065導
線束；1070葉片的表面；1080葉片；1085前緣；1090后緣；1100風力渦輪葉片裝備結構； 1105傳感器；1110葉片；1115后緣；1120數(shù)據(jù)采集終端(DAT) ;1125傳感器接線；1130壓力 信號；1135后緣上的導線束；1150處理器；1160遠離葉片的無線傳輸；1170至處理器的數(shù) 據(jù)信號；1180滑環(huán)；1190輔助動力；1210流體動力學電阻式接觸傳感器；1215傳感器接線；
1220葉片；1225葉片表面；1230后緣;1240后緣插件;1250公共引線;1255數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 公共端；1260信號引線；1265通道；1270數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；1310空氣動力學電阻式接觸傳感
器;1320傳感器接線;1330葉片通孔;1340葉片。
具體實施例方式
本發(fā)明的以下實施例具有許多優(yōu)點，包括在渦輪葉片上提供作為薄的流線型補綴 的壓力傳感器，其不會對葉片結構和流體動力學特征造成影響。傳感器允許消除端口與管 道，消除滯后現(xiàn)象，抑制方向性，并提供相對于以前的機械壓力測量的增加的頻率響應，從 而實現(xiàn)一種更精確的測量。此外，薄的傳感器補綴可允許結合到葉片表面中，以用于實時的 風力渦輪性能測量和實時的渦輪控制能力。另外，出于診斷和確認的目的，可將接觸補綴應 用到表面上。 最近，已經(jīng)研制出各種接觸傳感器，該接觸傳感器包括由聚合物和傳導填料形成 的傳導復合材料。接觸傳感器的復合材料可具有與聚合物基本相同的物理特征且導電，其 電阻作為傳感器上的負荷的函數(shù)。傳感器可提供與涉及負荷的信息相關的實時的動力學信 息。由Clark等所描述的先前的申請(U. S. 2006/0184067)涉及與接觸應力(與感測元件 材料的直接物理接觸)相關的參數(shù)的測量。在由Clark等所描述的接觸申請中，應用于傳 感器的力涉及部件之間的接觸，例如發(fā)生在人體中的諸如膝關節(jié)或髖關節(jié)的關節(jié)面內的接 觸。這種接觸提供了作用在傳感器上的正向力。 本發(fā)明涉及用于測量流體壓力的流體動力學傳感器，其中，所測量的流體壓力可 以是氣體壓力或液體壓力。流體壓力的測量提供了有利于流體動力學設計和控制的流場信 息?？稍谝硇偷谋砻嫔蠝y量流體壓力，該翼型可以是風力渦輪葉片，但不限于此。所測量的 氣體壓力可以是空氣壓力。在空氣壓力的情況下，測量可包括環(huán)境空氣壓力，包括作為圍繞 葉片翼型的流場的效應的圍繞標準大氣壓的變化。因此，需要傳感器對響應于關于標準大 氣壓的正向和負向的變化。本創(chuàng)造性的的傳感器被預加負荷，以將力施加于壓敏材料上，從 而建立操作點，容許對標準環(huán)境壓力之上和之下的壓力變化的響應。 為了應用于精確的壓力測量以確定被安裝傳感器的結構的流體動力學性能，傳感
器和傳感器安裝方案必須是流體動力學流線型的，從而不干擾沿著表面的氣流。 適合于測量流體壓力的流體動力學傳感器包括壓敏元件；導電的底板，可操作地
連接到壓敏元件一端上；導電的壓力傳感膜片，可操作地連接到壓敏元件第二端上，并適合
于將預負荷和與環(huán)境壓力相關的力施加于壓敏元件上。電絕緣體將底板和壓力傳感膜片分
離。提供了用于將壓力傳感膜片接合到底板上的裝置。還提供了用于提供穿過壓敏元件的
電流的裝置。 圖1A圖示了用于測量流體壓力的流體動力學電阻式接觸傳感器100的一個實施 例的等距視圖。可在翼型的表面上測量流體壓力。流體壓力可以是空氣壓力，并且翼型可 以是風力渦輪葉片，但不限于此。圖1B圖示了流體動力學電阻式接觸傳感器100的一個實 施例的橫截面圖。圖1C圖示了用于流體動力學電阻式接觸傳感器100的第二實施例的橫 截面圖。 壓敏元件105可設置在位于壓敏元件的第一端106處的底板115和位于第二端 107處的壓力傳感膜片125之間。底板115可配置成諸如不銹鋼的導電的高強度材料的平 板。底板115足夠堅固，以避免響應于環(huán)境壓力變化而產(chǎn)生的物理變形。底板115還可成 形為圓盤形狀。用于底板115的材料還可包括其它高強度的導電材料，例如鋁。底板115 的底面116可以是平的。底板115的底面116還可包括曲率，適合于放置在表面上的特定 的測量位置。這里，可設定底面116的曲率，使其相當于即將被安裝底板的表面的曲率。底
7板115的頂面117可以是平的。 在傳感器100的一個實施例中，壓敏元件105傳導復合材料組成，該傳導復合材料 由聚合物和傳導填料形成。在傳感器的另一實施例中，壓敏元件105可由壓電材料形成，或 者為在頂部、中間或底部具有壓電涂層的元件。壓敏元件105可成形為紐扣或圓盤形狀，并 且可包括位于第一端106的基本平坦的表面108和位于第二端107的表面109，其分別與底 板115和壓力傳感膜片125相接合。 壓力傳感膜片125(也被稱為圓頂)可包括薄的金屬薄膜。薄的金屬薄膜優(yōu)選由 諸如不銹鋼的高強度的導電材料組成。用于壓力傳感膜片125的材料還可包括其它高強度 的傳導材料，例如鋁。壓力傳感膜片125可安裝在壓敏元件105的第二端107之上，在底板 115之上形成圓頂。由壓敏元件105形成的圓頂可在底板115的頂面117之上張開至外周 邊部分128處，并延伸至與底板115的圓盤半徑大致相當?shù)陌霃教帯Ｔ趫A頂125和底板115 之間不被壓敏元件105占據(jù)的空間中形成了空腔110。 圖1D圖示了在壓敏元件105的平坦形狀的頂面109和壓力傳感膜片125之間的 接觸120基于壓敏元件105在底板115上的定位的變化。壓敏元件105的頂面109可以是 平坦的，其與圍繞外圓周104的圓頂形狀的壓力傳感膜片125的下側127構成圓形線接觸 118。平頂面109的外圓周104與圓頂125之間的接觸在某種程度上受到壓敏元件在底板 115上的改變的定位120的影響，導致因壓力測量中的變化而引起的接觸區(qū)域。
為了減小因壓力測量中的變化而引起的接觸區(qū)域，壓敏元件105的頂面109可包 括與圓頂125的下側127相符的凸起形狀。用于壓敏元件的頂面的另一方面可包括與圓頂 125的下側127的曲率不相等的凸起形狀曲率。在這方面，只有壓敏元件105的冠頂175接 觸圓頂125。冠頂175和圓頂125之間的接觸面積保持相對恒定，與壓敏元件105在底板 115上的定位無關，從而在壓敏元件105上獲得更恒定的電流通量并因而獲得更加能夠重 復的壓力信號。圖1E圖示了在壓敏元件105的凸頂面176的冠頂175和壓力傳感膜片125 之間的接觸。傳感器提供了大約+/_4000帕的范圍內的大約1%或以下的精度的測量。
圖1G圖示了來自壓力模式下的傳感器的壓力輸出信號的線性度的曲線圖。在本 發(fā)明的又一方面，可將傳感器100的位于底板115和壓力傳感膜片125之間的內部空腔110 抽成真空。內部空腔110的除氣以兩種方式改善了傳感器100的性能。傳感電流195流過 壓敏元件105的電阻，產(chǎn)生熱量，加熱內部空腔中的空氣，并造成傳感器100內部的壓力變 化。空腔110內的內部壓力的變化影響壓敏元件105上的力，并改變傳感器的壓力信號。此 外，將內部空腔110抽真空可將壓敏元件105保持在壓力模式135下，在該壓力模式中，相 對于內部空腔110中的壓力高于傳感器IOO外的壓力的情況，壓力信號輸出130的線性度 133增強。 壓力傳感膜片105的外周邊部分128可通過電絕緣體145而與底板115保持物理 分離和電分離，電絕緣體145可以是絕緣隔膜。電絕緣隔膜可以是環(huán)氧樹脂隔膜。此外，如 圖1B的插圖中所示，電絕緣體145可包括基于具有環(huán)氧樹脂隔膜136的紙膜135或其它墊 圈的復合隔膜134。在底板115和壓力傳感膜片125之間要求電絕緣以捕獲與壓力相關的 電信號。對于由聚合物和傳導填料形成的傳導復合材料，壓敏元件105的相對末端之間的 電阻值響應于施加在壓力傳感膜片125上的環(huán)境壓力而變化。 壓力傳感膜片125必須保持與底板115相接合，即使如上所述，其必須保持與底板
8115電隔離，并因此保持物理隔離。通過上述的環(huán)氧樹脂隔膜可保持接合，將壓力傳感膜片 125的外周表面128密封至底板115的外周表面，同時提供電絕緣。 在壓力傳感膜片125和底板115之間提供沒有粘合能力的電絕緣體145的情況 下，可提供電絕緣(非金屬)的夾具185，以在外緣上將壓力傳感膜片125和底板115夾在 一起，如圖1C中所示。 壓力傳感膜片和底板115之間的接合將圓頂保持拉緊，將預負荷力165施加在壓 敏元件105上。當通過外緣上的環(huán)氧樹脂隔膜或夾具而與底板接合時圓頂?shù)木_定位確立 了預負荷力165的大小。預負荷力165容許即使當接觸傳感器的環(huán)境壓力下降到名義環(huán)境 壓力之下時，也會在壓敏元件105上保持壓縮力(并從而保持與壓力相關的電阻輸出)。
平的底板115具有極大的剛性，使其不會在外部壓力103變化時發(fā)生顯著變形。 足夠薄的壓力傳感膜片105響應于因變形而施加于頂面126上的外部壓力103的變化。增 加的外部壓力103在壓敏元件105上使圓頂125向下變形，利用增加的壓力施加更大的力。 降低的外部壓力103減少了圓頂125的向下變形和在壓敏元件105上的力。
壓敏元件105上的力的變化改變了在一端106和第二端107之間的電阻。因為圓 頂125和底板115被電絕緣體145物理分離，所以外部電勢可應用在位于底板115上的位 置191和位于壓力傳感膜片125上的位置192之間的接線190上，驅動電流(I) 195，以響應 于環(huán)境壓力103而感測壓敏元件105的電阻198的變化。 傳感器100的整體高度減少了對傳感器表面之上的氣流的干涉。保持傳感器的整 體高度(H) (101，圖1A)至大約2mm，將限制對可能進行壓力測量的表面之上的層流的干涉， 例如風力渦輪葉片或輪葉(wing)的表面。此外，用于壓力傳感膜片的圓頂形狀提供了與減 少對表面之上的氣流干涉相一致的光滑表面。流體動力學傳感器的直徑(D) (102，圖1A)整 體上可被限制為大約25mm。 圖2圖示了安裝在翼型220上的流體動力學電阻式接觸傳感器210的布置。傳感 器沿著翼型的翼弦設置在上表面240和下表面245上。入射的氣流230撞擊在翼型220上。 入射的氣流230圍繞翼型220的上表面240和下表面245流動。圖中顯示翼型220失速， 平滑的氣流250沿著下表面240流動，但流分離255在上表面240之上產(chǎn)生尾流260。傳 感器210的壓力測量可提供數(shù)據(jù)以診斷失速，迎角以及其它關于翼型性能的流體動力學條 件。 本發(fā)明的又一方面提供了一種用于制造適合于測量傳感器外部的流體壓力的流 體動力學電阻式接觸傳感器的方法。圖3圖示了針對該方法的流程圖。在步驟310中，提 供了導電的底板115。提供步驟還可包括使底板115的底面116成形，以便于安裝在其中一 個平坦表面和輪廓面上，例如翼型、葉片或輪葉的表面上。步驟320包括將壓敏元件105的 第一端106安裝到底板115上。 步驟330提供將導電的壓力傳感膜片125安裝在壓敏元件105的第二端107之上。 安裝步驟還可包括將壓力傳感膜片125定位在壓敏元件105的第二端107之上，以在底板 115之上形成圓頂。步驟340包括將壓力傳感膜片125與底板115物理隔離且電隔離。這 種隔離可包括在底板和壓敏元件之間插入電絕緣體145。這種插入可更加特定地應用于壓 力傳感膜片125的外周邊底部128和底板115的外周表面上。插入電絕緣體145的步驟還 可包括插入環(huán)氧樹脂隔膜，其充當絕緣體。插入步驟還可包括插入環(huán)氧樹脂136和諸如紙墊圈135的其它材料的復合隔膜134。 步驟350致力于接合壓力傳感膜片125與底板115。接合壓力傳感膜片125與底板 115的步驟還可包括定位壓力傳感膜片125，以在壓敏元件105上建立指定的預負荷165。 定位步驟還可包括根據(jù)低于名義環(huán)境壓力的預期的環(huán)境壓力范圍而建立針對指定的預負 荷的最小值。接合步驟還可包括利用環(huán)氧樹脂隔膜的電絕緣體145或利用電絕緣夾185而 使壓力傳感膜片的外周邊底部接合到底板的外周表面上。 步驟355還可包括將傳感器100的內部空腔110抽真空。可通過在接合壓力傳感 膜片125與底板115的期間將傳感器保持在真空腔室130中來將內部空腔110抽真空。當 進行抽真空時，該步驟可包括提供壓制機構，該壓制機構通過具有針對壓制機構的側面的 密封件的容器而壓縮壓力傳感膜片。圖IF圖示了用于當接合圓頂125與底板115且封閉 壓敏元件105時，將底板115和圓頂125之間的空腔110抽真空的過程。當力132施加于 壓制機構134上，以指定的預負荷在壓敏元件105之上接合圓頂125與底板115時，在具有 密封件131的真空腔室130中進行該過程，同時絕緣膜145密封傳感器并保持內部空腔110 中的真空。 用于制造流體動力學電阻式接觸傳感器100的方法還包括根據(jù)步驟360，使流體 動力學傳感器的高度小于葉片上的氣流邊界層的高度。該方法還包括根據(jù)步驟370，通過提 供圓頂?shù)谋砻鎭沓尚蝹鞲衅鞯耐庑屋喞赃_到該高度。 本發(fā)明的又一方面是一種用于流體動力學電阻式接觸傳感器的裝備結構，該傳感 器適合于測量與翼型、葉片和輪葉的性能相關的流體動力學參數(shù)。以下實施例致力于用于 測量風力渦輪葉片性能的測量的裝備方案(scheme)，然而，該裝備方案并不局限于風力渦 輪葉片。 該結構包括多個傳感器，其優(yōu)選利用由聚合物和傳導填料形成的傳導復合材料。 接觸傳感器可根據(jù)預定的形式分布在風力渦輪葉片的表面上。風力渦輪葉片上的多個流體 動力學電阻式接觸傳感器的安裝結構適合于在風力渦輪運轉期間保持傳感器固定在合適 位置。提供了用于在位于葉片上的多個流體動力學電阻式接觸傳感器和數(shù)據(jù)采集終端之間 電氣地傳送信號的裝置。 根據(jù)期望獲得的流體動力學信息而建立傳感器的預定的形式。多個傳感器通常可 沿著葉片的至少一個翼弦的表面而安裝，沿著上表面和下表面分布。在圖4A-4D中，顯示 了可能為風力渦輪葉片的翼型400的橫截面圖。圖4A圖示了沿著全部的翼弦405的傳感 器的分布，該傳感器捕獲圍繞翼型的全部壓力分布。圖4B圖示了沿著前緣壓力面410 (大 約全部翼弦的20% )分布的針對與滯流點和迎角相關的特定信息的傳感器以及沿著后緣 415(大約全部翼弦的20%)分布的用于獲得翼弦處的失速數(shù)據(jù)的傳感器。圖4C圖示了沿 著至少全部前緣420和全部后緣425(各為翼弦的20% )的其中一個而分布的傳感器。如 圖4D中所示，利用分布在前緣吸力面430(大約翼弦的50% )上的傳感器可捕獲前緣吸力 峰值壓力和頂壁壓力。 類似地可沿著在預定的軸向位置選擇的葉片的多個翼弦提供多個傳感器。圖 5A-5E圖示了葉片500上的傳感器分布?？梢匀鐖D5A中所示，針對全部跨度分布510而提 供傳感器；可以如圖5B中所示，針對外l/3跨度520而提供傳感器；可以如圖5C中所示，針 對葉片尖端外跨度530而提供傳感器；可以如圖5D中所示，針對內1/3跨度540而提供傳感器；以及可以如圖5E中所示，針對中間跨度550而提供傳感器。 圖6A圖示了通常沿著葉片600的至少一個弦線630的表面620而安裝的傳感器 610，該傳感器可通常以相對于前緣660和后緣670之間的弦線630偏斜安裝的形式640建 立。這種偏斜安裝的形式減小了一個傳感器對葉片600之上的空氣流形式的干涉，并從而 減小了針對沿著葉片的翼弦的下游傳感器的壓力。傳感器相對于弦線630的偏斜安裝的形 式640可形成高達約15度的角度650。這種相對于弦線630的有限偏離不在所測量的壓力 中產(chǎn)生偏離位于弦線本身的相應位置上的壓力的顯著變化。如果將傳感器610安裝在葉片 的外表面上，那么接線680可沿著葉片表面620延伸至后緣670，隨后沿著后緣插件675組 成束690，如圖6A中所示。將布線特征設計成確保最小的流破壞(flow disruption)，并為 傳感器接線提供天氣和環(huán)境保護。 圖6B圖示了葉片上的后緣插件。圖6C圖示了用于葉片的后緣插件的放大圖。圖 6D圖示了針對后緣插件內的通道的局部截面圖A-A。圖6E圖示了穿過用于后緣插件的通 道空腔入口的局部截面圖B-B。 葉片600包括吸入側601和壓力側602。針對布線傳感器引線692的優(yōu)選盡可能 實際地位于壓力側602。在葉片的后緣670上，可提供后緣插件675。后緣插件675可由金 屬或復合物質組成。放大圖6C顯示了后緣插件675，其在后緣670處呈漸縮形，并包括用于 將后緣插件675保持在葉片600上的合適位置的標定元件676和677。后緣插件675包括 用于傳感器引線691延伸的縱向通道空腔685。 圖6D圖示了從吸力面601看時的葉片局部截面圖，其圖示了從葉片的吸力面601 進入通道空腔685中的針對傳感器引線的通道入口 691。圖6E圖示了針對通道入口 691貫 穿后緣插件675而進入縱向通道空腔685中的局部截面圖B-B。傳感器引線692穿過通道 入口 691而進入縱向通道空腔685中。根據(jù)材料、通道寬度、通道壁厚以及傳感器導線的尺 寸選擇，入口 691可形成約15度至約30度的入射角694。 圖7圖示了一種用于測試方案的沿著風力渦輪葉片的翼弦的流體動力學電阻式 接觸傳感器700的示范性分布。每組20個傳感器的多個組沿著葉片的五個翼弦設置在約r =47m的第一位置710、約r = 25m的第二位置720、約r = 16. 5m的第三位置730、約r = 11. 5m的第四位置740以及約r = llm的第五位置750，所有位置均相對于葉片根部而言。
傳感器還可沿著風力渦輪葉片800的全部軸向跨度分布。圖8A圖示了沿著全部 前緣段810的傳感器分布，其中，作為一個示例，傳感器可分布在約1/3至內側部分，1/3至 中間部分，1/3至外側部分，以及頂端處的4%。圖8B圖示了沿著全部后緣段820的傳感器 分布，其中，作為一個示例，傳感器可分布在約1/3至內側部分，1/3至中間部分，1/3至外側 部分，以及頂端處的4%。圖8C圖示了沿著前緣和后緣之間的全部多個跨度830的傳感器 分布。 多個傳感器還可以以集中的形式安裝在風力渦輪葉片的特定的表面部分上，以提 供更全面的壓力信息，并從中提供用于相關聯(lián)的表面部分的流體動力學性能。此外，應該認 識到以前描述的傳感器形式是示范性的，并且可被用于適合于特定的測量或控制方案的不 同的組合和布置。 風力渦輪葉片的裝備結構可包括用于傳感器的安裝結構，其中流體動力學電阻式 接觸傳感器永久性地固定在葉片的表面中。利用在葉片粘合過程中建立的粘合，可提供在葉片表面內的合適位置處的永久安裝。圖9圖示了永久性地安裝在葉片外表的層壓層910中的傳感器。用于永久性地安裝的傳感器的傳感器引線可穿過層壓層910和葉片的芯部920而延伸至葉片900內的導線束950。 備選地，風力渦輪葉片裝備結構可包括將流體動力學電阻式接觸傳感器安裝到葉片的外表面上。根據(jù)所期望的預定形式用膠水或環(huán)氧樹脂將單獨的傳感器粘合到葉片的外表面上可提供這種安裝?？商峁┻@種安裝以用于監(jiān)視連續(xù)的風力渦輪葉片性能，但還可更頻繁地用于將在初始安裝測試、周期性的性能測量以及故障查找中所使用的臨時測試裝備，如圖7中所示。 作為用于安裝在外表面上的又一備選，可提供傳感器的封裝布置。這種封裝布置可包括以預定形式布置的多個傳感器，其中該封裝附連到外表面上。該封裝布置還可包括用于封裝內的傳感器的接線。這種封裝還可在背面提供膠水或粘合物質，用于連接到葉片的外表面上。 圖10顯示了封裝布置的一個實施例，該封裝布置可包括沿著帶1010的長度而布置的多個流體動力學電阻式接觸傳感器1020。帶1010可由塑料、布或類似的柔性材料形成，耐水、風以及風力渦輪葉片環(huán)境中的其它因素。傳感器1020可根據(jù)預定的形式而安裝在帶1010中。壓力傳感膜片1025可在帶1010的頂面1015上暴露于外部壓力，而底板1030被保持在帶1010內?？梢杂媚z水和環(huán)氧樹脂來將傳感器1020粘合到帶1010上，或者可將其封閉在帶材料中，只有壓力傳感膜片1025暴露于外部空氣。 雖然可提供沿順翼展方向的布置，但例如可將帶1010布置成沿著葉片1080的翼弦或葉片的翼弦的一部分延伸。帶1010的背部1050可配備有膠水或其它粘合劑，以用于附連到葉片誦的外表面1070上。 帶1010還可包括內置的導線對1060，其來自針對安裝在帶1010上的各個單獨傳感器1020的傳感連接。帶1010中的內置導線1060可在束1065中延伸至葉片的后緣1090或延伸至穿過葉片1090的通孔(未顯示)，如以上針對安裝在外表面上的其它傳感器所述。
考慮到當在針對風力渦輪葉片的物理高度和風力/天氣條件下工作時將傳感器應用于葉片外表面上的相關困難，這種封裝可極大地有利于將多個傳感器應用于葉片的外表面上。雖然該封裝顯示為帶，但應該意識到，在本發(fā)明的范圍內還可以以不同形狀、方式和布置提供其它的實施例。 圖11圖示了可與流體動力學電阻式接觸傳感器一起采用的用于傳送數(shù)據(jù)的裝置的一個實施例。風力渦輪葉片裝備結構iioo包括用于在葉片1110上的多個流體動力學電阻式接觸傳感器1105和數(shù)據(jù)采集終端(DAT)1120之間電氣地傳送信號的裝置。針對將DAT1120放置在葉片上或葉片內，可提供若干備選方案。DAT 1120可以出于測試目的而表面安裝于葉片上，并進行傳送至遠離葉片的存儲處或處理位置1150的無線數(shù)據(jù)傳送1140。來自傳感器接線1125的數(shù)據(jù)可通過葉片1110中的導線束1130或表面導線束1135，例如沿著葉片1110的后緣1115而被供給至DAT 1120處。DAT 1120可更加永久性地安裝在葉片內，其中，這種DAT可通過滑環(huán)1180或類似的機構而提供遠離葉片的無線傳輸1160或遠離葉片的有線傳輸1170。 DAT還可通過滑環(huán)1180來接收動力1190。此外，DAT 1120可儲存用于隨后下載的數(shù)據(jù)。 各個流體動力學電阻式接觸傳感器1105包括一對引線1125。 一個引線連接到壓力傳感膜片上，而第二引線連接到底板上(見圖i)。用于在葉片iiio上的流體動力學電
阻式接觸傳感器1105和數(shù)據(jù)采集終端1120之間電氣地傳送信號的裝置可包括在葉片粘合的期間安裝于葉片的表面內的傳感器，這對引線1125還可穿過葉片的外表和葉片的芯部而延伸至葉片內部。 一旦進入葉片內，則來自單獨的傳感器的這對引線可組入導線束1130中。 還可提供一種布置，以利用葉片或輪葉中的現(xiàn)存結構或備選結構，從而充當用于來自傳感器的輸出的公共電氣路徑。圖12A圖示了一種用于將來自安裝在葉片或輪葉上的傳感器的一個引線連接到后緣插件上的布置。圖12B圖示了從葉片或輪葉上的傳感器至數(shù)據(jù)采集終端的電連接的放大圖。傳感器1210沿著葉片或輪葉1220設置。傳感器接線1215布置在葉片或輪葉1220的表面1225之上，延伸至后緣1230。在后緣1230處，用于傳感器接線的這對引線的公共引線1250可連接到后緣插件1240上。后緣插件1240可由導電材料組成。用于傳感器1210的公共引線1250可通過后緣插件而連接到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的公共端或接地端1255上。來自各個傳感器1210的較高側或信號引線1260可連接到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)1270的單獨的通道1265上。后緣插件的使用極大地減少了葉片中的接線。信號引線1260的至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的縱向布線可與圖6A-E—致。應該意識到，還可以以備選的傳感器布置和數(shù)量、傳感器的位置以及傳感器的接線來提供本發(fā)明的其它實施例。
在備選的布置中，葉片可以不具有導電的后緣插件。相反，本發(fā)明將使用防雷電纜或其它類型的導體，其典型地沿著葉片的內部從尖端布置至根部。公共引線可作為防雷保護系統(tǒng)的一部分而接地，或者可設計成主要防雷保護系統(tǒng)。用于將傳感器連接到防雷電纜或其它導體上的方法大致相似。 在一種備選的風力渦輪葉片裝備結構中，用于在具有沿著葉片的表面設置的接線的傳感器和DAT之間電氣地傳送的裝置，來自各個單獨的傳感器的成對引線可沿著葉片的表面而延伸至后緣，并沿著后緣而進行布線。在后緣處，來自多個傳感器的多對引線可加入一個或多個導線束。 在風力渦輪葉片裝備結構的另一備選方案中，用于電氣地傳送的裝置可包括在多個傳感器區(qū)域附近穿過葉片的外表和芯部而設置的通 L。例如在以上所述的其中一種布置中，多個傳感器的區(qū)域可沿著葉片表面而形成。來自形成于葉片1340的區(qū)域中的各個單獨的流體動力學電阻式接觸傳感器1310的成對引線(接線)1320可穿過葉片中的通孔1330。在葉片內可提供導線束，其適合于接受來自單獨的表面安裝的傳感器的成對引線。葉片內的導線束可連接到葉片內的無線DAT上，或如上所述遠離葉片。 來自各個傳感器的成對引線的公共引線可連接到可能已經(jīng)存在于葉片內的公共電氣路徑上。例如，防雷保護系統(tǒng)可包括耐用的導線，其沿著葉片的跨度在內部延伸，并包括延伸至葉片的表面上的傳導元件?？梢詫鞲衅鞯囊粋€導線連接到內部跨度或防雷保護系統(tǒng)的表面?zhèn)鲗窂缴稀溥x地，可采用在某些葉片系統(tǒng)中所使用的傳導的后緣插件作為公共連接路徑，如圖13中所示。借助于通過上述公共路徑而連接的公共引線，用于各個傳感器的成對引線的僅一個信號引線需要在導線束內延伸。 在風力渦輪葉片裝備結構的另一方面中，數(shù)據(jù)采集終端可將電阻值從轉換器傳送至處理器裝置，該處理器裝置適合于將電阻值轉換成壓力值。由沿著葉片的翼弦的接觸傳感器所提供的壓力值還可被諸如圖11中的1150的處理器裝置處理，以確定葉片的空氣動
13力學性能特征。更具體地說，沿著葉片的翼弦的壓力測量可用于圖2中所示的流分離的確定。來自圖4A-4D、圖5A-5E以及圖8A-8C中所示的各種配置以及其它集中形式中的傳感器的壓力測量還可用來檢測流分離、滯流點、迎角、升力和阻力以及風速。此外，借助應用于壓力分布的后處理技術，可確定風切變(wind shear)、上升流(up flow)以及偏航誤差(yawerror)0 雖然在本文中描述了各種實施例，但是從說明書中應該意識到，在本發(fā)明的范圍內可進行元件的各種組合、變化或改良。
權利要求
一種流體動力學電阻式接觸傳感器(100)，適合于測量翼型上的流體壓力(103)，所述傳感器包括壓敏元件(105)；導電的底板(115)，可操作地連接到所述壓敏元件(105)的一端(106)上；導電的壓力傳感膜片(125)，可操作地連接到所述壓敏元件(105)的第二端(107)上，用于向所述壓敏元件(105)施加預負荷(165)和與環(huán)境壓力相關的力(103)；電絕緣體(145)，將所述底板(115)和所述壓力傳感膜片(125)分離；用于將所述壓力傳感膜片(125)接合到所述底板(115)上的裝置(185)；以及用于提供穿過所述壓敏元件(105)的電流(195)的裝置(190)。
2. 根據(jù)權利要求l所述的流體動力學電阻式接觸傳感器(100)，其特征在于，所述壓敏 元件(105)包括壓電材料。
3. 根據(jù)權利要求l所述的流體動力學電阻式接觸傳感器(100)，其特征在于，所述壓敏 元件(105)包括由聚合物和傳導填料形成的傳導復合材料。
4. 根據(jù)權利要求2或3所述的流體動力學電阻式接觸傳感器(100)，其特征在于，所述 壓敏元件(105)根據(jù)所述壓力傳感膜片(125)的外表面(104)上的環(huán)境壓力(103)而呈現(xiàn) 在所述底板(115)和所述壓力傳感膜片(125)之間變化的電阻。
5. 根據(jù)權利要求2或3所述的流體動力學電阻式接觸傳感器(100)，其特征在于，所述 壓敏元件(105)包括圓盤形元件。
6. 根據(jù)權利要求3所述的流體動力學電阻式接觸傳感器(100)，其特征在于，所述導電 的壓力傳感膜片(125)包括在所述壓敏元件(125)的第二端(107)之上拉伸而形成圓頂 形狀的金屬薄膜。
7. 根據(jù)權利要求6所述的流體動力學電阻式接觸傳感器(100)，其特征在于，所述電 絕緣體包括位于所述壓力傳感膜片(125)的外周邊底部(128)和所述底板(115)的外周 邊表面(118)之間的環(huán)氧樹脂隔膜(136)，以及包括位于所述壓力傳感膜片(128)的外周 邊底部(128)和所述底板(115)的外周邊表面(118)之間的紙墊圈(135)的環(huán)氧樹脂隔膜 (136)中的至少一個。
8. 根據(jù)權利要求7所述的流體動力學電阻式接觸傳感器(100)，其特征在于，用于將 所述壓力傳感膜片(125)接合到所述底板(115)上的裝置包括位于所述壓力傳感膜片 (125)的外周邊底部(128)和所述底板(115)的外周邊表面(118)之間的環(huán)氧樹脂隔膜 (136)，該環(huán)氧樹脂隔膜將所述壓力傳感膜片(125)結合到所述底板(115)上。
9. 根據(jù)權利要求7所述的流體動力學電阻式接觸傳感器(100)，其特征在于，用于將 所述壓力傳感膜片(125)接合到所述底板(115)上的裝置包括應用于所述壓力傳感膜片 (125)的外周邊底部(128)的外緣(187)和所述底板(115)的外周邊表面(118)的外緣 (186)之間的電絕緣夾具(185)，該電絕緣夾具將所述壓力傳感膜片(125)結合到所述底板 (115)上。
10. —種用于制造適合于流體壓力(103)的測量的流體動力學電阻式接觸傳感器 (100)的方法，包括:提供導電的底板(115);將壓敏元件(105)的一端(106)安裝在所述導電的底板(115)上；瞎導電的壓力傳感膜片(125)安裝在所述壓敏元件(105)的第二端(107)之上； 瞎所述導電的壓力傳感膜片(125)與所述導電的底板(115)電隔離；以及 瞎所述導電的壓力傳感膜片(125)與所述導電的底板(115)接合。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種基于聚合物的流體動力學接觸傳感器(100)，其基于不同的環(huán)境壓力下的橫跨傳感器的電阻率變化而測量環(huán)境壓力(103)。該傳感器(100)可應用于翼型結構，例如風力渦輪葉片(110)，且不影響葉片結構和流體動力學特征。該傳感器(100)還可應用于流體測量。壓敏元件(105)可設置在位于壓敏元件的第一端(106)的底板(115)和位于第二端(107)的壓力傳感膜片(125)之間。壓敏元件(105)可由傳導復合材料形成，該傳導復合材料由聚合物和傳導填料組成。在該傳感器的另一實施例中，壓敏元件(105)可由壓電材料形成，或者由在其頂部、中間或底部具有壓電涂層的元件形成。
文檔編號G01L9/02GK101788360SQ20091017302
公開日2010年7月28日 申請日期2009年8月26日 優(yōu)先權日2008年8月26日
發(fā)明者B·S·蓋伯, J·F·萊昂納, K·G·皮爾斯, R·P·格賴姆利, 鄭大年 申請人:通用電氣公司