CN115655641B - 一种用于风洞天平校准的高精度加载施力装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种用于风洞天平校准的高精度加载施力装置及方法，属于航空航天气动力试验技术领域，本发明为了解决校准风洞天平时，在砝码盘上添加砝码会产生惯性力，影响天平校准精准度的问题。包括托盘连杆、阻尼力监测装置、十字阻尼器和阻尼油槽；十字阻尼器包括两个交叉相连的阻尼板，且两个阻尼板的端面相垂直，阻尼力监测装置包括分别与两个阻尼板一一对应同向设置的测力元件，托盘连杆的上端通过钢丝吊在测量舵上，托盘连杆的下端依次与阻尼力监测装置和十字阻尼器相连，十字阻尼器延伸至所述阻尼介质油中，本发明实现了快速高精度的天平校准施力加载，有效对***的稳定状态进行判稳，减小人为观测误差，进而提高加载施力的准确。

Description

一种用于风洞天平校准的高精度加载施力装置及方法

技术领域

本发明属于航空航天气动力试验技术领域，尤其涉及一种用于风洞天平校准的高精度加载施力装置及方法。

背景技术

风洞天平用于测量风洞试验中作用在飞行器上的气动力载荷。按工作原理可以分为机械天平、光纤天平、压电天平等。目前常用的是应变天平，采用应变电测原理，在敏感元件上粘贴应变片并组成电桥，将材料体受载变形的应变转化为电信号测量。通过预先标定建立载荷与电信号的映射关系。使用中根据测量的电信号及标定时得到的关系式即可计算出飞行器的气动力载荷。

对风洞天平进行校准标定，并得到其输出载荷与电压的关系系数，是研制风洞天平的关键步骤之一。目前常用的风洞天平校准方法是将风洞天平安装到专用的校准架上，并在天平上安装专用加载头，通过施力机构对加载头上的加载点施加预定载荷，以此实现对天平校准载荷的施加，同时记录天平的载荷值及天平的输出信号，再用数学方法计算出载荷与信号的关系系数。因此校准时载荷施加的准确程度，直接决定了风洞的天平的精准程度。手动砝码式施力加载方式具有精度高、可靠性好、成本低、维护方便等特点，在风洞天平校准中被广泛的使用，是中、小载荷的天平校准的首选加载方式。此种方式存在的问题是在砝码盘上添加砝码时会导致砝码盘晃动，载荷加载***产生惯性力，影响校准的精准度。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于风洞天平校准的高精度加载施力装置，以解决校准风洞天平时，在砝码盘上添加砝码会导致砝码盘晃动，加载施力装置产生惯性力，影响风洞天平校准精准度的问题。本发明所采用的技术方案如下：

一种用于风洞天平校准的高精度加载施力装置，包括托盘连杆、砝码托盘、阻尼力监测装置、十字阻尼器和阻尼油槽；

十字阻尼器包括两个竖直设置的阻尼板，两个阻尼板交叉相连，且两个阻尼板的端面相垂直，两个阻尼板的重心线相重合；

阻尼力监测装置包括由上至下依次相连的上连接部、第一方向测力元件、中间连接部、第二方向测力元件和下连接部，第一方向测力元件和第二方向测力元件均为竖直设置的平板形金属构件，在第一方向测力元件的两侧端面上各粘贴两个应变片，并组成电桥，定义该电桥为U₁，在第二方向测力元件的两侧端面上各粘贴两个应变片，并组成电桥，定义该电桥为U₂；

托盘连杆上设有砝码托盘，托盘连杆的上端与钢丝相连，托盘连杆的下端与上连接部相连，下连接部与十字阻尼器相连，阻尼油槽内设有阻尼介质油，十字阻尼器延伸至所述阻尼介质油中，第一方向测力元件和第二方向测力元件的端面分别与两个阻尼板的端面一一对应同向设置，托盘连杆、上连接部、第一方向测力元件、中间连接部、第二方向测力元件和下连接部的重心线均与十字阻尼器的重心线重合。

所述阻尼介质油为机油。

阻尼板为矩形板。

托盘连杆上设有限位螺母，托盘连杆的上端穿过砝码托盘，并通过限位螺母将砝码托盘托起。

砝码托盘为圆板，托盘连杆穿过砝码托盘的轴心。

上连接部、中间连接部和下连接部为直径相等的金属圆柱。

第一方向测力元件为宽度5mm、厚度1mm的金属板。

第二方向测力元件为宽度5mm、厚度1mm的金属板。

阻尼力监测装置为一体成型构件。

本发明还提供了一种用于风洞天平校准的高精度加载施力方法，采用了上述一种用于风洞天平校准的高精度加载施力装置完成，包括如下步骤：

步骤1：对U₁和U₂分别供电，供电电压均为5V；

步骤2：按校准风洞天平的载荷要求，在砝码托盘上添加标准砝码；

步骤3：当U₁和U₂的输出电压均在1μv以内时，判定加载施力装置惯性力为零，加载施力装置处于稳定状态，可以对风洞天平进行铰链力矩应变电信号的采集。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

钢丝用于传递加载载荷，托盘连杆用于连接钢丝和用于安装砝码托盘，砝码托盘用于托住加载用的砝码，在阻尼力监测装置的测力元件上粘贴应变片，并组成惠斯通电桥，用于监测两个方向的阻尼力，十字阻尼器延伸至阻尼介质油中，起到快速收敛停止振动的作用，本发明通过十字阻尼器及阻尼力监测装置有效消除风洞天平加载时砝码晃动带来的误差，实现了快速高效高精度的天平校准施力加载，有效对***的稳定状态进行判定，减小人为观测误差，进而提高加载施力的准确性。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的主视图；

图3是阻尼力监测装置的结构示意图；

图4是阻尼力监测装置的主视图；

图5是阻尼力监测装置的左视图；

图6是十字阻尼器的结构示意图；

图7是阻尼力监测装置左视方向应变片的布置方式图；

图8是阻尼力监测装置主视方向应变片的布置方式图；

图9是U₁电桥图；

图10是U₂电桥图。

图中：1-钢丝、2-托盘连杆、3-砝码托盘、4-阻尼力监测装置、41-上连接部、42-第一方向测力元件、43-中间连接部、44-第二方向测力元件、45-下连接部、5-十字阻尼器、51-阻尼板、6-阻尼油槽、7-限位螺母、81-第一应变片、82-第二应变片、83-第三应变片、84-第四应变片、85-第五应变片、86-第六应变片、87-第七应变片、88-第八应变片。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

本发明所提到的连接分为固定连接和可拆卸连接，所述固定连接即为不可拆卸连接包括但不限于折边连接、铆钉连接、粘结连接和焊接连接等常规固定连接方式，所述可拆卸连接包括但不限于螺栓连接、卡扣连接、销钉连接和铰链连接等常规拆卸方式，未明确限定具体连接方式时，默认可在现有连接方式中找到至少一种连接方式实现该功能，本领域技术人员可根据需要自行选择。例如：固定连接选择焊接连接，可拆卸连接选择螺栓连接。

以下将结合附图，对本发明作进一步详细说明，以下实施例是对本发明的解释，而本发明并不局限于以下实施例。

实施例1：如图1-6所示，一种用于风洞天平校准的高精度加载施力装置，包括托盘连杆2、砝码托盘3、阻尼力监测装置4、十字阻尼器5和阻尼油槽6；

十字阻尼器5包括两个竖直设置的阻尼板51，两个阻尼板51交叉相连，且两个阻尼板51的端面相垂直，两个阻尼板51的重心线相重合，阻尼板51各处厚度相等，故阻尼板51的重心线也是竖向的轴心线；

阻尼力监测装置4包括由上至下依次相连的上连接部41、第一方向测力元件42、中间连接部43、第二方向测力元件44和下连接部45，第一方向测力元件42和第二方向测力元件44均为竖直设置的平板形金属构件，在第一方向测力元件42的两侧端面上各粘贴两个应变片，并组成电桥，定义该电桥为U₁，在第二方向测力元件44的两侧端面上各粘贴两个应变片，并组成电桥，定义该电桥为U₂；

托盘连杆2上设有砝码托盘3，托盘连杆2的上端与钢丝1相连，钢丝1的上端穿过测量舵的加载孔，并与加载头相连，加载头与测量舵上下相抵，钢丝1通过加载头吊装在测量舵上，托盘连杆2的下端与上连接部41相连，下连接部45与十字阻尼器5相连，阻尼油槽6内设有阻尼介质油，十字阻尼器5延伸至所述阻尼介质油中，第一方向测力元件42和第二方向测力元件44的端面分别与两个阻尼板51的端面一一对应同向设置，托盘连杆2、上连接部41、第一方向测力元件42、中间连接部43、第二方向测力元件44和下连接部45的重心线均与十字阻尼器5的重心线重合。

所述阻尼介质油为机油。

阻尼板51为矩形板。

托盘连杆2上设有限位螺母7，托盘连杆2的上端穿过砝码托盘3，并通过限位螺母7将砝码托盘3托起。

砝码托盘3为圆板，托盘连杆2穿过砝码托盘3的轴心。

上连接部41、中间连接部43和下连接部45为直径相等的金属圆柱。

第一方向测力元件42为宽度5mm、厚度1mm的金属板。

第二方向测力元件44为宽度5mm、厚度1mm的金属板。

阻尼力监测装置4为一体成型构件。

钢丝1用于传递加载载荷，托盘连杆2用于连接钢丝1和用于安装砝码托盘3，砝码托盘3用于托住加载用的砝码，在阻尼力监测装置4的测力元件上粘贴应变片，并组成惠斯通电桥，用于监测两个方向的阻尼力，十字阻尼器5延伸至阻尼介质油中，起到快速收敛停止振动的作用，本发明通过十字阻尼器5及阻尼力监测装置4有效消除风洞天平加载时砝码晃动带来的误差，实现了快速高效高精度的天平校准施力加载，有效对***的稳定状态进行判定，减小人为观测误差，进而提高加载施力的准确性。

实施例2：如图7-10所示，本发明还提供了一种用于风洞天平校准的高精度加载施力方法，采用了上述一种用于风洞天平校准的高精度加载施力装置完成，包括如下步骤：

步骤1：在第一方向测力元件42的前侧端面上下粘贴第一应变片81和第二应变片82，在第一方向测力元件42的后侧端面上下粘贴第三应变片83和第四应变片84，第一应变片81、第二应变片82、第三应变片83和第四应变片84组成U₁电桥；在第二方向测力元件44的左侧端面上下粘贴第五应变片85和第六应变片86，在第二方向测力元件44的右侧端面上下粘贴第七应变片87和第八应变片88，第五应变片85、第六应变片86、第七应变片87和第八应变片88组成U₂电桥；

步骤2：对U₁和U₂分别供电，供电电压均为5V；

步骤3：按校准风洞天平的载荷要求，在砝码托盘3上添加标准砝码；

步骤4：当U₁和U₂的输出电压均在1μv以内时，判定加载施力装置惯性力为零，加载施力装置处于稳定状态，可以对风洞天平进行铰链力矩应变电信号的采集。

以上实施例只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没有超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于风洞天平校准的高精度加载施力装置，其特征在于：包括托盘连杆(2)、砝码托盘(3)、阻尼力监测装置(4)、十字阻尼器(5)和阻尼油槽(6)；

十字阻尼器(5)包括两个竖直设置的阻尼板(51)，两个阻尼板(51)交叉相连，且两个阻尼板(51)的端面相垂直，两个阻尼板(51)的重心线相重合；

阻尼力监测装置(4)包括由上至下依次相连的上连接部(41)、第一方向测力元件(42)、中间连接部(43)、第二方向测力元件(44)和下连接部(45)，第一方向测力元件(42)和第二方向测力元件(44)均为竖直设置的平板形金属构件，在第一方向测力元件(42)的两侧端面上各粘贴两个应变片，并组成电桥，定义该电桥为U₁，在第二方向测力元件(44)的两侧端面上各粘贴两个应变片，并组成电桥，定义该电桥为U₂；

托盘连杆(2)上设有砝码托盘(3)，托盘连杆(2)的上端与钢丝(1)相连，托盘连杆(2)的下端与上连接部(41)相连，下连接部(45)与十字阻尼器(5)相连，阻尼油槽(6)内设有阻尼介质油，十字阻尼器(5)延伸至所述阻尼介质油中，第一方向测力元件(42)和第二方向测力元件(44)的端面分别与两个阻尼板(51)的端面一一对应同向设置，托盘连杆(2)、上连接部(41)、第一方向测力元件(42)、中间连接部(43)、第二方向测力元件(44)和下连接部(45)的重心线均与十字阻尼器(5)的重心线重合。

2.根据权利要求1所述的一种用于风洞天平校准的高精度加载施力装置，其特征在于：所述阻尼介质油为机油。

3.根据权利要求1所述的一种用于风洞天平校准的高精度加载施力装置，其特征在于：阻尼板(51)为矩形板。

4.根据权利要求1所述的一种用于风洞天平校准的高精度加载施力装置，其特征在于：托盘连杆(2)上设有限位螺母(7)，托盘连杆(2)的上端穿过砝码托盘(3)，并通过限位螺母(7)将砝码托盘(3)托起。

5.根据权利要求4所述的一种用于风洞天平校准的高精度加载施力装置，其特征在于：砝码托盘(3)为圆板，托盘连杆(2)穿过砝码托盘(3)的轴心。

6.根据权利要求1所述的一种用于风洞天平校准的高精度加载施力装置，其特征在于：上连接部(41)、中间连接部(43)和下连接部(45)为直径相等的金属圆柱。

7.根据权利要求1所述的一种用于风洞天平校准的高精度加载施力装置，其特征在于：第一方向测力元件(42)为宽度5mm、厚度1mm的金属板。

8.根据权利要求1所述的一种用于风洞天平校准的高精度加载施力装置，其特征在于：第二方向测力元件(44)为宽度5mm、厚度1mm的金属板。

9.根据权利要求6-8任一项所述的一种用于风洞天平校准的高精度加载施力装置，其特征在于：阻尼力监测装置(4)为一体成型构件。

10.一种用于风洞天平校准的高精度加载施力方法，采用权利要求1-9任一项所述的一种用于风洞天平校准的高精度加载施力装置完成，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：对U₁和U₂分别供电，供电电压均为5V；

步骤2：按校准风洞天平的载荷要求，在砝码托盘(3)上添加标准砝码；

步骤3：当U₁和U₂的输出电压均在1μv以内时，判定加载施力装置惯性力为零，加载施力装置处于稳定状态，可以对风洞天平进行铰链力矩应变电信号的采集。