CN109000879A - 一种风洞天平温度漂移修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风洞天平温度漂移修正方法，利用地面温度试验箱测量天平元件上各应变计的温度特性，得到各应变计阻值随温度变化的函数关系，然后根据试验过程中的应变计温度计算相应的应变计阻值，利用惠斯通电桥计算公式计算桥路输出,并表征为此时天平桥路特征温度的函数，最后根据实际风洞试验中的天平初读数和三个受力及位姿相同状态下的数据对该公式进行修正，得到最终的本次试验中天平桥路初读数随特征温度变化的曲线；本发明能够利用该发明对温度梯度引起的风洞应变天平温度漂移进行修正，特别是对温度效应呈现非线性的桥路也能进行很好的修正；该方法既适用于暂冲式风洞，也可以应用于连续式风洞，而且均能得到较好的修正效果；该方法适用的温度范围更为广泛。

Description

一种风洞天平温度漂移修正方法

技术领域

本发明属于航空航天测力试验气动力测量技术领域，尤其是涉及一种风洞应变天平温度漂移修正方法。

背景技术

单纯因温度变化而造成的风洞应变天平桥路输出变化称为温度漂移。温度漂移作为应变天平的重要技术指标，直接影响天平测量精准度。造成温度漂移的原因主要有两个：一方面，在风洞试验过程中天平同一桥路上各应变计粘贴处的温度变化不同，即存在温度梯度，会引起桥路输出的变化。另一方面，不同应变计阻值对温度的响应不同，即应变计的温度特性不同，也会造成桥路输出的变化。

目前应对温度漂移的方法主要有两种：一种方法是通过补偿来抑制温度漂移，该方法在地面温度试验箱中测得天平桥路输出随温度变化的曲线，然后在桥路中增加一定长度的阻值对温度敏感的补偿丝，用于抵消应变计阻值变化带来的影响。补偿丝的阻值与温度变化呈线性关系，补偿丝的长度由定性公式计算，需要反复进行温度试验，改变补偿丝长度，才能将温度漂移控制在要求的范围内。该方法适用于桥路温度特性呈现线性或者接近线性的情况，对一些温度特性为非线性的桥路，很难得到满意的结果。此外，该方法需要合理设置温度补偿范围，温度范围过小，无法覆盖风洞试验时的天平温度状况，温度范围太大，会增加补偿难度。更为重要的是，天平在温度试验箱中的升温环境和方式，与风洞试验过程中天平的升温环境和方式存在明显差异，天平体温度变化明显不同，由温度梯度造成的温度漂移无法得到补偿，温度补偿后天平实际工作时依然存在温度漂移，而且没有得到有效的测量和控制。另一种方法是通过挑选相互匹配的应变计来减少温度漂移。该方法将多个应变计粘贴在测试元件上，利用地面温度箱测量每个应变计的温度特性，从中选择温度特性接近的应变计作为同一桥路的备用应变计。将同一桥路的备用应变计从测试元件上揭下，粘贴到天平元件上，组成桥路。由于同一桥路中各应变计的温度特性接近，能够减少由于应变计温度特性不同造成的温度漂移，并且能够在一定程度上避免桥路温度特性呈现非线性，但该方法同样对温度梯度引起的温度漂移无法应对，同时由于在应变计揭下、重粘的过程中有可能对应变计造成损伤，应变计消耗较大。

发明内容

本发明为了克服现有技术的上述缺点提出一种新的温度漂移修正方法。该方法能够通过在地面温度试验和风洞试验中获得的温度数据拟合出天平在某次试验过程中未受载读数即初读数随天平特征温度的变化曲线，从而达到对天平温度漂移进行修正的目的。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种风洞天平温度漂移修正方法,包括以下步骤：

步骤一：在天平的弹性元件上粘贴电阻应变计，并在应变计对应位置处粘贴热电阻；

步骤二：将天平放入到地面温度试验箱中，设置目标温度；

步骤三；对温度试验箱进行升温或者降温，在升温或者降温的过程中测量天平每个应变计阻值变化，并利用热电阻测量对应应变计的温度变化情况，将温度设为自变量，应变计阻值设为因变量，拟合函数；

步骤四：多次重复步骤三，对同一应变计的函数系数进行平均，得到平均后的应变计阻值随温度变化的函数；

步骤五：对电阻应变计组桥后再进行试验，利用热电阻实时测量天平各应变计的温度，利用步骤四中得到的应变计阻值随温度变化的函数计算出天平各应变计在不同时刻下由于温度变化引起的阻值变化，并利用惠斯通电桥理论计算公式计算该时刻下电桥由温度变化引起的理论输出，同时计算该时刻下天平桥路特征温度，将整个试验中电桥由温度变化引起的理论输出拟合为天平特征温度的二次多项式；

步骤六：利用风洞试验中天平初读数、受力及位姿相同情况下的天平桥路输出数据和相应时刻的天平桥路特征温度对电桥由温度变化引起的天平理论输出公式进行修正，得到本次风洞试验中由于温度变化引起的天平桥路输出修正值。修正后的公式形式为：

其中，其中U为实时温度修正的天平初读数，T为天平特征温度，T₁、T₂、T₃为风洞试验过程中三个受力相同情况下天平体的特征温度，ΔT₁为当前特征温度与T₁之间的差值，ΔT₂为当前特征温度与T₂之间的差值，a和b是应变计的温度系数，c₁、c₂、d₁、d₂是天平的受力系数，c₀是天平初读数系数，利用地面温度试验中得到的每个应变计阻值随温度的变化规律和风洞试验过程中每个时刻下每个应变计的温度变化数据，得到系数a和b的值，利用风洞试验过程中三个相同受力条件下的天平读数得到系数c₁、c₂、d₁、d₂的值，利用风洞试验前采集到的天平初读数得到系数c₀的值；

步骤七：利用步骤六中得到的修正后的公式计算本次风洞试验中任意时刻的天平初读数从而消除温度漂移对天平测量带来的误差。

在上述技术方案中，所述步骤一中的电阻应变计在步骤五之前没有组桥。

在上述技术方案中，所述步骤一中对应位置是指在地面温度试验和风洞试验过程中与对应的应变计粘贴处具有相同温度变化的位置。

在上述技术方案中，所述步骤二中的目标温度近于天平在风洞试验过程中的温度变化范围。

在上述技术方案中，所述步骤五中的特征温度是桥路中各应变计温度的平均值。

本发明的工作原理是：在现有条件下，风洞试验过程中无法实时采集天平未受风载情况下的读数，即天平初读数，只能利用风洞试验前的初读数代表不同时刻下的初读数计算天平不同时刻的受载。由于存在温度漂移，天平初读数会因为天平体温度变化而不同，此时依然采用试验前的初读数计算受载情况就会造成测量误差。现有的温度漂移修正方法主要立足于控制温度漂移的大小，而新的方法立足于准确计算风洞试验过程中不同时刻下的温度漂移量值。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

一是能够利用该发明对温度梯度引起的风洞应变天平温度漂移进行修正，特别是对温度效应呈现非线性的桥路也能进行很好的修正；二是该方法既适用于暂冲式风洞，也可以应用于连续式风洞，而且均能得到较好的修正效果；三是该方法适用的温度范围更为广泛；四是该方法利用实际风洞试验中的数据温度漂移进行修正，修正效果更好。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1天平俯仰力矩元应变计、热电阻粘贴位置图；

图2应变计温度特性曲线。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

实施例一

以某天平俯仰力矩元为例，如图1所示，俯仰力矩元1和3号应变计粘贴在同一个垂直于X轴的截面上，2和4号应变计粘贴在另一个截面上。试验表明，在整个试验过程中，对前后组合元件而言，垂直于X轴的同一截面上天平体温度变化基本相同，所以在该例中只需要在这两个截面上合适位置粘贴pt100测温计即可。

安装天平和支杆，一同放入温度试验箱中。由室温开始升温至一号测温计测得的温度达到70℃为止。在升温过程中每间隔2s采集四片应变计的阻值数据和两片pt100温度数据。将1、3号应变计阻值随1号pt100测温计测得的温度的变化关系拟合为二次多项式，将2、4号应变计阻值随2号pt100测温计测得的温度的变化关系也拟合为二次多项式，得到的四个公式。

重复升温5次，每个应变计均得到5个拟合公式，将这5个公式对应的系数进行平均，得到平均后的计算公式，四个应变计平均后的变化曲线如图2所示，计算公式为:

按照1、2号应变计为对臂，3、4号应变计为对臂的方式组成惠斯通电桥。

某次暂冲式风洞试验的基本步骤为：将天平、支杆安装到风洞支撑机构上；安装模型，攻角零位，采集初读数，同时开始记录时间并持续测量、同步记录天平读数和pt100测温计的温度数据；保持攻角零位启动风洞，待流场建立后采集第一次攻角零位的天平桥路输出，之后每次改变攻角后待流场稳定采集对应天平桥路输出，记录时间。

攻角变化过程为：由攻角零位开始，阶梯增大攻角，至最大正攻角后阶梯减小攻角，攻角第二次零位，然后负方向阶梯增大攻角，至最大负攻角后阶梯减小攻角，至攻角第三次零位后停止吹风。

利用吹风过程中1号pt100测温计采集到的温度和1、3号应变计的阻值与温度变化的计算公式计算不同时刻应变计由温度变化引起的阻值变化，同样计算2、4号应变计不同时刻的阻值变化。利用惠斯通电桥理论计算公式计算不同时刻天平由温度变化引起的理论桥路输出，并将其拟合为时间的二次多项式。

U₀＝-0.0000101×T²-0.00258×T+2.22

利用风洞试验中天平初读数、三次攻角零位情况下的天平桥路输出数据和相应时刻的天平桥路特征温度对电桥由温度变化引起的天平理论输出公式进行修正，修正后的公式形式为：

其中U为修正后的天平初读数，T为天平桥路特征温度，T₁、T₂、T₃为风洞试验过程中三次攻角零位情况下天平桥路特征温度，ΔT₁为当前特征温度与T₁之间的差值，ΔT₂为当前特征温度与T₂之间的差值。系数a和b的值与修正前一致，系数c₁、c₂、d₁、d₂的值由风洞试验过程中三次攻角零位情况下的天平读数和相应时刻的桥路特征温度计算得到，系数c₀的值由风洞试验前采集到的天平初读数计算得到。最终本次风洞试验天平初读数随特征温度变化的公式为：

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (5)

1.一种风洞天平温度漂移修正方法,其特征在于包括以下步骤：

步骤一：在天平的弹性元件上粘贴电阻应变计，并在应变计对应位置处粘贴热电阻；

步骤二：将天平放入到地面温度试验箱中，设置目标温度；

步骤三；对温度试验箱进行升温或者降温，在升温或者降温的过程中测量天平每个应变计阻值变化，并利用热电阻测量对应应变计的温度变化情况，将温度设为自变量，应变计阻值设为因变量，拟合函数；

步骤四：多次重复步骤三，对同一应变计的函数系数进行平均，得到平均后的应变计阻值随温度变化的函数；

步骤五：对电阻应变计组桥后再进行试验，利用热电阻实时测量天平各应变计的温度，利用步骤四中得到的应变计阻值随温度变化的函数计算出天平各应变计在不同时刻下由于温度变化引起的阻值变化，并利用惠斯通电桥理论计算公式计算该时刻下电桥由温度变化引起的理论输出，同时计算该时刻下天平桥路特征温度，将整个试验中电桥由温度变化引起的理论输出拟合为天平特征温度的二次多项式；

步骤六：利用风洞试验中天平初读数、受力及位姿相同情况下的天平桥路输出数据和相应时刻的天平桥路特征温度对电桥由温度变化引起的天平理论输出公式进行修正，得到本次风洞试验中由于温度变化引起的天平桥路输出修正值。修正后的公式形式为：

其中，其中U为实时温度修正的天平初读数，T为天平特征温度，T₁、T₂、T₃为风洞试验过程中三个受力相同情况下天平体的特征温度，ΔT₁为当前特征温度与T₁之间的差值，ΔT₂为当前特征温度与T₂之间的差值；

步骤七：利用步骤六中得到的修正后的公式计算本次风洞试验中任意时刻的天平初读数从而消除温度漂移对天平测量带来的误差。

2.根据权利要求1所述的一种风洞天平温度漂移修正方法,其特征在于所述步骤一中的电阻应变计在步骤五之前没有组桥。

3.根据权利要求1所述的一种风洞天平温度漂移修正方法,其特征在于所述步骤一中对应位置是指在地面温度试验和风洞试验过程中与对应的应变计粘贴处具有相同温度变化的位置。

4.根据权利要求1所述的一种风洞天平温度漂移修正方法,其特征在于所述步骤二中的目标温度近于天平在风洞试验过程中的温度变化范围。

5.根据权利要求1所述的一种风洞天平温度漂移修正方法,其特征在于所述步骤五中的特征温度是桥路中各应变计温度的平均值。