CN112362293A - 一种风洞天平弹性角修正***及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种风洞天平弹性角修正***及其使用方法，所述风洞天平弹性角修正***，包括风洞天平、天平支杆、天平套筒、支撑装置、加速度计、电压采集卡、工控机、以及与风洞天平配合使用的标准质量砝码。本发明的风洞天平弹性角修正***在体轴系下进行风洞天平弹性角修正，相对于在地轴系下进行修正，无需考虑支杆变形；本发明利用加速度计自动获取角度信息，相比于传统的人工通过象限仪或水泡读取角度信息，该方法工作效率高，可减少人为误差；此外，本发明设计的加速度工装的安装平面法线，即加速度计敏感轴方向，与水平面成5°夹角指向上，这样设计可减小角度换算值波动，且避免加速度计输出过零。

Description

一种风洞天平弹性角修正***及其使用方法

技术领域

本发明涉及风洞试验技术领域，尤其是涉及一种风洞天平弹性角修正***及其使用方法。

背景技术

风洞天平是风洞试验中测量模型受力的传感器，是风洞试验的核心传感器。风洞天平弹性角的含义是：风洞天平受载时会发生弹性变形，变形量和载荷大小有关，该变形量就是对应天平的天平弹性角。标定出天平弹性角和受载的函数关系，在试验中根据风洞模型载荷获取试验模型变形量，进而对模型标称姿态进行修正。

标定天平弹性角和受载函数关系的过程称为天平弹性角修正，其是风洞测力试验必不可少的部分。天平弹性角修正***一般包括如下装置：天平支杆、天平套筒、标准质量砝码、砝码架、角度传感器，工控机。通常的修正流程是：将天平固定于天平支杆，天平套筒套在天平外部，将砝码通过砝码架悬挂于天平套筒臂为天平加载，并利用角度传感器采集天平弹性变形，减去空载时的天平弹性变形即获取当前载荷下的天平弹性角。得到所有载荷下的天平弹性角之后，拟合出天平弹性角和受载的函数关系，并基于此在风洞试验中对模型姿态进行修正。其中，陈景伟等人撰写的专利“一种风洞天平弹性角校准修正装置及方法:CN 108760227 A[P].2018.”主要针对天平支杆变形进行校正，其中对于天平弹性角的采集，该专利采用常规的水泡进行读取，其弊端是工作效率低，易带入人为误差。

因此，提供一种工作效率高、误差小的风洞天平弹性角修正***具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种风洞天平弹性角修正***及其使用方法，能够有效提高天平弹性角修正的工作效率，减少人为误差的问题。

为了实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：

根据本发明实施例的第一方面，提供一种风洞天平弹性角修正***，包括风洞天平、天平支杆、天平套筒、支撑装置、加速度计、电压采集卡、工控机、以及与风洞天平配合使用的标准质量砝码，

所述的风洞天平安装在天平支杆上，所述的天平支杆固定在支撑装置上，所述的天平套筒套设在风洞天平上，所述的加速度计安装在天平套筒上，所述的加速度计与电压采集卡连接，所述电压采集卡与工控机连接。

进一步的，所述的风洞天平弹性角修正***还包括用于固定加速度计的加速度计工装，该加速度计工装固定在天平套筒上。

进一步的，所述的风洞天平弹性角修正***还包括用于悬挂标准质量砝码的砝码架。

进一步的，所述加速度计安装平面的法线为加速度计敏感轴方向，加速度计敏感轴方向与水平面成5°夹角指向上。

进一步的，加速度计敏感轴指向天平轴向或径向，用以测量天平轴向和径向变形。

进一步的，所述的电压采集卡带有为加速度计供电的电压输出通道。

进一步的，所述标准质量砝码用于提供标准载荷；所述加速度计用于测量弹性变形；所述电压采集卡用于采集加速度计输出信号；所述工控机用于信号软件滤波、弹性角计算和弹性角公式拟合。

根据本发明实施例的第二方面，提供一种风洞天平弹性角修正***的使用方法，包括以下步骤：

步骤1：组装好天平弹性角修正***之后，确定载荷序列m_i，并测量空载状态下的天平弹性变形θ₀；

步骤2：分别按照步骤1所得的载荷序列m_i，悬挂标准质量砝码，并基于加速度计测量每一个载荷下的天平弹性变形θ_i；

步骤3：根据步骤1所得的所述空载状态下的天平弹性变形θ₀和步骤2 所得的所述每一个载荷下的天平弹性变形θ_i，计算每一载荷下的天平弹性角θ_i0，计算公式为θ_i0＝θ_i-θ₀；

步骤4：根据步骤1所得的载荷序列m_i和步骤3所得的天平弹性角θ_i0，拟合获取载荷风洞天平弹性角函数关系式，从而完成风洞天平弹性角修正。

进一步的，步骤1和步骤2所述测量天平弹性变形过程包含以下步骤：

a、确定电压采集卡采集频率f_u，并利用电压采集卡采集加速度计输出电压序列U(i)；

b、确定低通滤波截止频率f_c，并设计切比雪夫II型滤波器对加速度计输出电压序列U(i)进行低通滤波，得到滤波后的加速度计输出电压序列 U_f(i)；

c、取连续n个U_f(i)并计算平均值，得到平均加速度计电压输出

d、计算当前时刻加速度a(k)，

式中，U_max为加速度计敏感轴指向地轴时的输出电压，即加速度计输出的最大电压；g为当地的重力加速度；

e、计算当前载荷下的弹性变形θ_i，

进一步的，步骤1和步骤2所述测量天平弹性变形过程还包括在步骤e 结束后回到步骤a，循环采集。

本发明实施例具有如下优点：本发明实施例提供一种风洞天平弹性角修正***及其使用方法，本发明的风洞天平弹性角修正***在体轴系下进行风洞天平弹性角修正，相对于在地轴系下进行修正，无需考虑支杆变形；本发明利用加速度计自动获取角度信息，相比于传统的人工通过象限仪或水泡读取角度信息，该方法工作效率高，可减少人为误差；此外，本发明设计的加速度工装的安装平面法线，即加速度计敏感轴方向，与水平面成 5°夹角指向上，这样设计可减小角度换算值波动，且避免加速度计输出过零；而加速度计工装与天平套筒通过单个螺钉连接，可使加速度计敏感轴指向天平轴向或径向，用以测量天平轴向和径向变形。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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。

图1为本发明实施例1提供的一种风洞天平弹性角修正***的结构示意图；

图2为本发明实施例1提供的一种风洞天平弹性角修正***中加速度计与加速度计的结构示意图之一；

图3为本发明实施例1提供的一种风洞天平弹性角修正***中加速度计与加速度计的结构示意图之二；

图4为本发明实施例3提供的一种风洞天平弹性角修正***中风洞天平弹性变形测量方法的流程图；

附图标记说明：1-风洞天平；2-天平支杆；3-支撑装置；4-天平套筒； 5-加速度计；6-加速度计工装；7-电压采集卡；8-工控机；9-标准质量砝码； 10-砝码架；11-加速度计敏感轴。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、" 长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、" 水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、 "第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种风洞天平弹性角修正***，包括风洞天平1、天平支杆2、支撑装置3、天平套筒4、加速度计5、加速度计工装 6、电压采集卡7、工控机8、以及与风洞天平1配合使用的标准质量砝码9；

所述的风洞天平1安装在天平支杆2上，所述的天平支杆2固定在支撑装置3上，所述的天平套筒4套设在风洞天平1上，所述的加速度计5 安装在天平套筒4上，天平套筒4相当于风洞试验模型，用于风洞天平1 加载，所述的加速度计5与电压采集卡7连接，所述电压采集卡7与工控机8连接。

所述标准质量砝码9用于提供标准载荷；所述加速度计5用于测量弹性变形；所述电压采集卡7用于采集加速度计5输出信号；所述工控机8 用于信号软件滤波、弹性角计算和弹性角公式拟合。

优选的，如图2所示，所述的风洞天平弹性角修正***还包括用于固定加速度计5的加速度计工装6，该加速度计工装6固定在天平套筒4上。如图3所示，所述加速度计安装6平面的法线为加速度计敏感轴11方向，加速度计敏感轴11方向与水平面成5°夹角指向上，这样设计可减小角度换算值波动，且避免加速度计5输出过零。

优选的，所述的风洞天平弹性角修正***还包括用于悬挂标准质量砝码9的砝码架10。

优选的，所述的加速度计敏感轴11指向风洞天平1轴向或径向，用以测量风洞天平1轴向和径向变形。

优选的，所述的电压采集卡7用于采集加速度计5输出信号并为加速度计5供电，因此电压采集卡7带有为加速度计供电的电压输出通道。

具体修正方法如下：按照预先设定载荷，将标准质量砝码9悬挂于套筒臂；利用安装在加速度计工装6上的加速度计5获取其敏感到的加速度电压值，并由电压采集卡7进行采集；对加速度电压值进行低通滤波；滤波后反算出弹性角信息。重复多次上述动作，获取多个载荷下的风洞天平1 弹性角，最终得到载荷-风洞天平弹性角函数关系式。

该修正***的优点在于：1、天平弹性角修正过程在体轴系下进行，无需考虑天平支杆2变形；2、利用加速度计5自动获取角度信息，相比于传统的人工通过象限仪或水泡读取角度信息，该方法工作效率高，可减少人为误差。

实施例2

在采取实施例1技术方案的基础上，提供一种风洞天平弹性角修正***的使用方法，包括以下步骤：

步骤1：组装好天平弹性角修正***之后，确定载荷序列m_i，i＝1,2,3…，并测量空载状态下的天平弹性变形θ₀；

步骤2：分别按照步骤1所得的载荷序列m_i,i＝1,2,3…，悬挂标准质量砝码9，并基于加速度计5测量每一个载荷下的天平弹性变形θ_i,i＝1,2,3…；

步骤3：根据步骤1所得的所述空载状态下的天平弹性变形θ₀和步骤2 所得的所述每一个载荷下的天平弹性变形θ_i,i＝1,2,3…，计算每一载荷下的天平弹性角θ_i0,i＝1,2,3…，计算公式为θ_i0＝θ_i-θ₀,i＝1,2,3…；

步骤4：根据步骤1所得的载荷序列m_i，i＝1,2,3…和步骤3所得的天平弹性角θ_i0,i＝1,2,3…，拟合获取载荷风洞天平弹性角函数关系式，从而完成风洞天平弹性角修正。

步骤1和步骤2所述的天平弹性变形的采集方法是天平弹性角修正的核心。利用加速度计采集角度信息自动化程度高，工作效率高，可减少人为误差。

实施例3

在采取实施例2技术方案的基础上，如图3所示，步骤1和步骤2所述测量天平弹性变形过程包含以下步骤：

a、确定电压采集卡7采集频率f_u，并利用电压采集卡7采集加速度计5输出电压序列U(i),i＝1,2,3…；

b、确定低通滤波截止频率f_c，并设计切比雪夫II型滤波器对加速度计5输出电压序列U(i),i＝1,2,3…进行低通滤波，得到滤波后的加速度计5输出电压序列U_f(i),i＝1,2,3…；

c、取连续n个U_f(i)并计算平均值，得到平均加速度计电压输出

d、计算当前时刻加速度a(k)，

式中，U_max为加速度计敏感轴11指向地轴时的输出电压，即加速度计输出的最大电压；g为当地的重力加速度；

e、计算当前载荷下的弹性变形θ_i，

f、在步骤e结束后回到步骤a，循环采集。

以下结合具体实施案例对本发明进行详细说明：

一种风洞天平弹性角修正***，包括如下装置：天平支杆2、天平套筒 4、标准质量砝码9、砝码架10、加速度计5、加速度计工装6、电压采集卡7，工控机8。基于上述装置，按下列步骤开展天平弹性角修正：

步骤1：组装好天平弹性角修正***之后，确定载荷序列m_i,i＝1,2,3…，并测量空载状态下的天平弹性变形θ₀；

步骤2：分别按照步骤1所得的所述载荷序列m_i,i＝1,2,3…悬挂标准质量砝码，并测量每一个载荷下的天平弹性变形θ_i,i＝1,2,3…；

步骤3：根据步骤1所得的所述空载状态下的天平弹性变形θ₀和步骤2 所得的所述每一个载荷下的天平弹性变形θ_i,i＝1,2,3…，得到每一载荷下的天平弹性角θ_i0,i＝1,2,3…，计算公式如下：

θ_i0＝θ_i-θ₀,i＝1,2,3…

步骤4：根据步骤1所得的所述载荷序列m_i,i＝1,2,3…和步骤3所得的所述的天平弹性角θ_i0,i＝1,2,3…，得到载荷-风洞天平弹性角函数关系式。

其中，步骤1和步骤2所述的测量天平弹性变形过程包含以下6个步骤：

a、利用电压采集卡采集加速度计输出电压序列U(i),i＝1,2,3…，其中电压采集卡采集频率f_u为200Hz；

b、利用切比雪夫II型滤波器对加速度计输出电压序列U(i),i＝1,2,3…进行低通滤波，其中截止频率f_c为20Hz，得到滤波后的加速度计输出电压序列 U_f(i),i＝1,2,3…。

c、取连续200个U_f(i)并计算平均值，得到平均加速度计电压输出

d、计算当前时刻加速度a(k)：

式中，U_max为加速度计敏感轴11指向地轴时的输出电压，即加速度计输出的最大电压；g为当地的重力加速度，本实施例取g＝9.8015。

e、计算当前载荷下的弹性变形θ_i

f、回到步骤a，循环采集。

需要说明的是，上述实施过程中的滤波截止频率f_c和采集频率f_u等参数可依据实际情况酌情修改，并非是本发明的实施方式限定。对于本专利所属领域的从业人员来说，在上述说明的基础之上可以酌情修改相关滤波参数。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种风洞天平弹性角修正***，其特征在于：包括风洞天平、天平支杆、支撑装置、天平套筒、加速度计、电压采集卡、工控机、以及与风洞天平配合使用的标准质量砝码；

所述的风洞天平安装在天平支杆上，所述的天平支杆固定在支撑装置上，所述的天平套筒套设在风洞天平上，所述的加速度计安装在天平套筒上，所述的加速度计与电压采集卡连接，所述电压采集卡与工控机连接。

2.根据权利要求1所述的风洞天平弹性角修正***，其特征在于：还包括用于固定加速度计的加速度计工装，该加速度计工装固定在天平套筒上。

3.根据权利要求1所述的风洞天平弹性角修正***，其特征在于：还包括用于悬挂标准质量砝码的砝码架。

4.根据权利要求1所述的风洞天平弹性角修正***，其特征在于：所述加速度计安装平面的法线为加速度计敏感轴方向，加速度计敏感轴方向与水平面成5°夹角指向上。

5.根据权利要求4所述的风洞天平弹性角修正***，其特征在于：加速度计敏感轴指向天平轴向或径向，用以测量天平轴向和径向变形。

6.根据权利要求1所述的风洞天平弹性角修正***，其特征在于：所述的电压采集卡带有为加速度计供电的电压输出通道。

7.根据权利要求1所述的风洞天平弹性角修正***，其特征在于：

所述标准质量砝码用于提供标准载荷；

所述加速度计用于测量弹性变形；

所述电压采集卡用于采集加速度计输出信号；

所述工控机用于信号软件滤波、弹性角计算和弹性角公式拟合。

8.一种如权利要求1所述风洞天平弹性角修正***的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：组装好天平弹性角修正***之后，确定载荷序列m_i，并测量空载状态下的天平弹性变形θ₀；

步骤2：分别按照步骤1所得的载荷序列m_i，悬挂标准质量砝码，并基于加速度计测量每一个载荷下的天平弹性变形θ_i；

步骤3：根据步骤1所得的所述空载状态下的天平弹性变形θ₀和步骤2所得的所述每一个载荷下的天平弹性变形θ_i，计算每一载荷下的天平弹性角θ_i0，计算公式为θ_i0＝θ_i-θ₀；

步骤4：根据步骤1所得的载荷序列m_i和步骤3所得的天平弹性角θ_i0，拟合获取载荷风洞天平弹性角函数关系式，从而完成风洞天平弹性角修正。

9.根据权利要求8所述风洞天平弹性角修正***的使用方法，其特征在于，步骤1和步骤2所述测量天平弹性变形过程包含以下步骤：

a、确定电压采集卡采集频率f_u，并利用电压采集卡采集加速度计输出电压序列U(i)；

b、确定低通滤波截止频率f_c，并设计切比雪夫II型滤波器对加速度计输出电压序列U(i)进行低通滤波，得到滤波后的加速度计输出电压序列U_f(i)；

c、取连续n个U_f(i)并计算平均值，得到平均加速度计电压输出

d、计算当前时刻加速度a(k)，

式中，U_max为加速度计敏感轴指向地轴时的输出电压，即加速度计输出的最大电压；g为当地的重力加速度；

e、计算当前载荷下的弹性变形θ_i，

10.根据权利要求9所述风洞天平弹性角修正***的使用方法，其特征在于，步骤1和步骤2所述测量天平弹性变形过程还包括在步骤e结束后回到步骤a，循环采集。

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