CN101832852B - 一种高精度水洞阻力测量天平 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度水洞阻力测量天平，它包括：天平支架、弹性变形梁、刚性联接支架、非磁性横梁、磁致伸缩位移传感器、磁针、传感器安装支架。阻力测量天平支架和传感器安装支架与水洞盖板联接；弹性变形梁右端的M20的外螺柱穿过天平支架上φ20的通孔，并用M20的螺帽紧固联接；刚性联接支架与弹性变形梁之间采用两个M6的螺栓联接；磁针过盈镶嵌于非磁性横梁左端小孔内。通过磁致伸缩位移传感器测量小磁针的位移量间接测量水洞实验模型所受阻力，具有结构简单、精度高的特点，能够广泛应用于水洞阻力对比实验中。

Description

一种高精度水洞阻力测量天平

技术领域

本发明涉及一种用于流体阻力测量的装置，具体地说，涉及一种高精度水洞阻力测量天平。

背景技术

目前，流体动力实验中所用的常规方法是使用天平测量，按其工作原理可分为机械式天平和应变式天平。

机械式天平是由模型支撑系统、模型姿态机构、力与力矩分解机构、传力系统、平衡测量元件、架车与天平测量控制系统组成。它是通过天平上的机械构件进行力的分解与传递，用机械平衡元件或力传感器来测量作用在模型上的流体动力载荷。机械式天平有较宽的载荷测量范围，同时能够将模型上的流体动力进行分解，由每个测量元件进行独立测量。其缺点是结构复杂、精度不够高，存在各个流体动力分量之间的干扰。

应变式天平是由天平弹性元件、应变计与测量电桥组成。在实验当中，应变式天平承受着作用在模型上的流体动力载荷，并且把该载荷传递到支撑系统上。天平弹性元件在流体动力载荷作用下产生变形，其应变与外力大小成正比。粘贴在天平表面的应变计同时也产生变形，使其电阻发生变化，该变化由应变计组成的惠斯顿电桥来测量，并通过处理得到作用在模型上的流体动力载荷。应变式天平具有质量轻、响应快、设计加工简单等优点，但是这种天平对温度、湿度等环境因素要求较高，在水洞实验中其精度受环境温度、湿度影响较大。

现有的水洞流体阻力实验中，通常采用四分力天平，该测力天平虽然具有较宽的载荷测量范围，而且可以同时测量几个分力，但是由于受环境影响，其精度达不到要求。而在阻力测量实验中，通常关心的只是阻力的大小，即一个方向上的力，并且时常需要进行阻力对比实验，所对比的阻力值相差也不是很大，这就要求天平在所测阻力的一个很小的范围内有很高的精度，而对量程没有太大的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适合于水洞流体实验环境的高精度阻力测量天平。该水洞流体阻力测量天平是在不改变实验模型的现有姿态情况下，通过长杆几何放大作用把微小变形量放大，然后测量放大后的位移量并相应得到所测的阻力。高精度水洞阻力测量天平是安装在水洞盖板上，所有部件均不与水流直接接触，因此测量元器件的精度受实验环境的影响非常小，其静校准度能够达到0.02％。

本发明所述的高精度水洞阻力测量天平主要由天平支架、弹性变形梁、刚性连接支架、非磁性横梁、磁致伸缩位移传感器、水洞盖板、磁针、传感器支架等部分组成。高精度水洞阻力测量天平通过非磁性横梁的放大作用，把弹性变形梁的变形从几何意义上放大，同时不造成天平变形，通过测量镶嵌在非磁性横梁左端部的小磁针位移量来达到测量弹性变形梁变形量的目的。由于有了非磁性横梁的几何放大作用，弹性变形梁不再需要很大的变形量。较常规天平而言，弹性变形梁的应变量与所测的力具有更好的线性关系，相对应小磁针的位移量与所测的力之间也具有更好的线性关系，因此天平的精度更高。在阻力实验之前，该天平需要进行静校实验，静校的方法是在刚性联接支架上a处(如图1示)施加一系列一定大小的水平方向的力，并测量小磁针的位移量，得到位移量和力的对应点，通过线性拟合得到这两者的线性关系。实验时，通过模型联接杆将模型连接到刚性连接支架左下角的法兰盘上，通过测量小磁针的位移量，并根据静校数据对应得到实验模型所受力的大小。由于实验模型受自身重力及水的浮力作用，使整个天平系统会有一个微小的偏转，因此，在给水洞加大水流速前还应该把这个静态数据测量出来，通过实验值减去静态数据即可得到实验模型所受到的阻力。

该阻力测量天平适用于水洞阻力的测量，静校准度能够达到0.02％，并且其机构简单、成本低，有利于在水洞阻力测量对比实验及其减阻实验中广泛使用。

下面结合附图和实施方式对本发明高精度水洞阻力测量天平作进一步详细的说明。

附图说明

1-天平支架    2-弹性变形梁    3-刚性连接支架    4-非磁性横梁

5-磁致伸缩位移传感器    6-水洞盖板    7-小磁针    8-传感器支架

图1为本发明高精度水洞阻力测量天平系统示意图。

图2为本发明高精度水洞阻力测量天平的弹性变形梁局部放大图。

图3为本发明高精度水洞阻力测量天平的非磁性横梁左端部局部放大图。

图4为本发明高精度水洞阻力测量天平的天平支架示意图。

图5为本发明高精度水洞阻力测量天平的弹性变形梁示意图。

图6为本发明高精度水洞阻力测量天平的刚性连接支架示意图。

具体实施方式

图1为本发明高精度水洞阻力测量天平示意图。阻力测量天平支架1和传感器支架8呈倒L型，材料选用2Cr13不锈钢，通过四个圆周阵列分布的M8螺栓与水洞盖板6联接。弹性变形梁2由45号钢加工而成，在其右端直径28mm长5mm的台阶段的右侧加工30×M20的螺柱，弹性变形梁2右端的M20的螺柱穿过天平支架1上20的通孔，并通过M20的螺帽与天平支架1上φ20的通孔紧固联接。该天平所测量的阻力沿水平方向。为了避免其它方向力的干扰作用，弹性变形梁2左端设计成水平方向宽，竖直方向窄的形状，如图5所示。该设计使得弹性变形梁2对水平分量的载荷敏感，能够产生相对明显的变形，而对其它分量的载荷不敏感。为了保证弹性变形梁2左端宽面处于水平、窄面处于竖直位置，在A处设计一个M4的螺钉来定位，如图2所示。刚性联接支架3是由高强度的2Cr13不锈钢制作而成，它与弹性变形梁2之间采用两个M6的螺栓联接，如图6所示。刚性联接支架3的作用是联接弹性变形梁2、模型支杆和非磁性横梁4三部分，其中模型支杆是通过4个M4的螺栓联接在刚性联接支架3左下方的法兰盘上，如图6中C向所示。非磁性横梁4是位移量几何放大的主要部分，该部件由非磁性的工程塑料加工而成。非磁性横梁4右端加工有M8的外螺纹段，通过外螺纹段与刚性联接支架3左端M8的螺纹孔联接。非磁性横梁4的左端开有一个φ0.5的小孔，在小孔中过盈镶嵌一个磁针7，如图3所示，该磁针直径为0.5mm，其右端过盈镶嵌于非磁性横梁4左端小孔内。磁致伸缩位移传感器5具有分辨率高、精度高、稳定性好、可靠性高、响应时间快、工作寿命长等优点，该传感器通过螺钉固联于传感器支架8的右下端。

实验时，实验模型在水动力F作用下，在弹性变形梁2部分产生一个弯矩M，使其产生弹性变形，同时也使非磁性横梁4左端的小磁针7的位置发生变化，通过磁致伸缩位移传感器5来感应其位移，通过实验前的静校拟合数据相对应得到实验值。考虑到实验时震动的影响，拟采用震动频率10-20倍的采样频率来采集数据，所测得的数据的均值即为该天平所测得的力的应变信号，通过后期数据处理即可获得阻力值。根据杠杆放大倍数L2/L1(根据需要具体选取)可以得知该天平系统端部1mm的位移量造成整个天平大约0.02°-0.04°的偏转量，这对模型姿态及其所受阻力的影响很小，不影响测量精度。位移传感器测量精度为微米量级，精度上完全达到要求，而且这种传感器采用的是磁致伸缩原理，避免与非磁性横梁4的直接接触，从而避免了对测量产生的误差。

Claims (3)

1.一种高精度水洞阻力测量天平，包括天平支架、弹性变形梁、刚性联接支架、非磁性横梁、磁致伸缩位移传感器、磁针、传感器支架，其特征在于：阻力测量天平支架(1)和传感器支架(8)与水洞盖板(6)联接；弹性变形梁(2)右端的M20的螺柱穿过天平支架(1)上φ20的通孔，使用螺母紧固联接，刚性联接支架(3)与弹性变形梁(2)之间采用两个M6的螺栓联接，磁针(7)过盈镶嵌于非磁性横梁(4)左端小孔内，非磁性横梁(4)通过其右端M8的外螺纹与刚性联接支架(3)联接，磁致伸缩位移传感器(5)位于磁针(7)正上方，通过螺钉固联于传感器支架(8)的右下方。

2.根据权利要求1所述的高精度水洞阻力测量天平，其特征在于：呈L形状的天平支架(1)和传感器支架(8)采用2Cr13不锈钢材料，通过四个圆周阵列分布的M8螺栓与水洞盖板(6)连接。

3.根据权利要求1所述的高精度水洞阻力测量天平，其特征在于：弹性变形梁(2)左端为水平方向宽、竖直方向窄的形状，右端直径28mm、长5mm的台阶段的右侧加工30×M20的螺柱，通过一个M4的螺钉来定位。

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