CN103983417B - 一种柱形投放物气动力检测装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种柱形投放物气动力检测装置及测量方法属于气动力检测领域，涉及一种可用于航空航天领域的气动力检测装置及测量方法。检测装置是由柱形投放物前部、柱形投放物中部、柱形投放物后部、杆式天平和若干个紧定、固定螺钉组成。杆式天平由后连接杆、2个隔热板、中连接杆、晶组垫、晶体组、预紧轴、前连接杆、屏罩构成。测量方法是通过对柱形投放物中的杆式天平施加力或力矩，来观测输出端的电荷量，采用多电极布置多区域电荷输出叠加的解耦方法，实现该三个力或力矩的测量，同样利用两个Y0切型晶组可实现两个切向力和法向转矩的测量。该测量装置工艺性好、稳定好、成本较小且杆式天平固有频率高、响应快，所采用的测量方法精确度高。

Description

一种柱形投放物气动力检测装置及测量方法

技术领域

本发明属于气动力检测领域，涉及一种可用于航空航天领域的气动力检测装置及测量方法。

背景技术

国防及航空航天领域中的导弹、武器等飞行速度越来越快，在超高速的环境下，导弹武器等分离阶段的非定常气动载荷问题的检测显得尤为重要，这就对气动力检测装置的设计技术提出了新的挑战。为研究内埋武器分离特性，解决武器分离阶段的非定常气动载荷测量问题，需借助风洞试验手段，利用高频响的动态杆式天平准确测量内埋武器在穿越舱口剪切层阶段的真实气动载荷，分析瞬时气动力对武器分离特性的影响，进而采取有利的流动控制手段改善武器的分离时刻和姿态，保证其安全分离。

传统的气动力检测装置主要包括基于应变片的应变式多维力测量装置和基于压电效应的多维压电式测试系统。前者质量轻、响应快，但应变式传感器刚度较低，一般用于模型的静态测力；后者通常以四组压电式三分力传感器或六组压电式单向力传感器，采取一定空间布置的方法来实现，高刚度、高固有频率、高灵敏度、稳定性优良。目前已在轨/姿控火箭发动机脉冲推力矢量测量和高频脉冲推力测量等领域应用。

通过在柱形投放物中合理的安置杆式天平来检测其分离阶段的非定常气动载荷测量问题，柱形投放物气动力检测装置的核心是杆式天平，杆式天平的核心是压电式三分力传感器，由于目前检测装置中所需的压电式三分力传感器是基于压电石英晶体纵向效应和横向效应制成的，采用X0切型或Y0切型的石英晶片整体电荷输出，造成多维力测量时传感器布置的空间尺寸大，在很多重要工程的重要项目中限制了其应用范围的拓展。杆式天平因受柱形投放物自身结构尺寸的影响，其设计空间有限；并且，因为五维力同时测量，晶片间存在耦合现象。

发明内容

本发明要解决的技术难题是克服上述现有的技术缺陷，借助于高频响的动态杆式天平在柱形投放物中的合理设计安装，来检测柱形投放物分离阶段的非定常气动载荷测量问题。同时利用一种具备多维力测量功能的多维力压电石英晶组，采用合理的测量方法，可以改变传统的气动力检测装置中多维压电式测试系统尺寸过大，某些场合无法应用的难题，可应用于需要多维力动态测量而对尺寸有限制的场合。

本发明所采用的技术方案是：一种柱形投放物气动力检测装置是由柱形投放物前部1、柱形投放物中部3、柱形投放物后部9、杆式天平和若干个紧定、固定螺钉组成；杆式天平由后连接杆7、2个隔热板13和10、中连接杆6、晶组垫5、晶体组12、预紧轴4、前连接杆14、屏罩11构成；其中，晶体组12由2个Y0切型晶组、1个X0切型晶组和2片接地电极组成；柱形投放物前部1的内部有阶梯孔，其后端内圆柱面a与柱形投放物中部前端外圆柱面a＇配合，柱形投放物前部1通过2个固定螺钉2与柱形投放物中部3连接在一起；柱形投放物中部3的内部空腔用来安装杆式天平，柱形投放物中部3后端内圆柱面b和柱形投放物后部9的前端外圆柱面b＇配合。

杆式天平的前连接杆14左、右两端都有螺纹内孔，左端呈圆锥状，即为圆锥左端c，其插入到柱形投放物中部3的锥孔中,同时，前连接杆14左端的螺纹孔通过与螺杆15的螺杆配合面d的配合来实现杆式天平的固定；隔热板13中间有螺纹孔，预紧轴4呈阶梯状，左右两端是螺杆，左端螺杆穿过隔热板13与前连接杆右端螺纹孔配合，从而实现前连接杆14、隔热板13、预紧轴4三者的固定连接。

中连接杆6为阶梯状轴，左端有螺纹内孔，右端为螺杆；晶体组12和晶组垫5依次套在预紧轴4右端的螺杆之上，中连接杆6右端螺杆旋入到中连接杆6左端的螺孔中，屏罩11通过螺纹连接拧在晶组垫5和预紧轴4上。

后连接杆7呈阶梯状，左端有螺纹孔，右端是光杆e；中连接杆右端螺杆穿过隔热板10与后连接杆左端的螺纹孔配合连接，后连接杆右端光杆e插入到柱形投放物后部9的左端光孔e＇中，柱形投放物后部9通过3个紧定螺钉8与柱形投放物中部3连接在一起。

检测装置采用的测量方法是：通过对柱形投放物中的杆式天平施加力或力矩，来观测输出端的电荷量，利用晶体组12中的X0切型晶组在法向力、除法向转矩外的另外两个转矩的作用下产生耦合感生电荷的方法，采用多电极布置多区域电荷输出叠加的解耦方法，实现该三个力或力矩的测量，同样利用两个Y0切型晶组可实现两个切向力和法向转矩的测量；具体步骤如下；

1)在一个Y0切型晶组中，有一个电极O₁,输出电荷Q₁,可实现力Fy的测量，且柱形投放物晶体组中的晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比，故有

F_y＝Q₁S₁(1)

式中，S₁为电荷灵敏度系数，单位N/C，Q₁为测得电荷量；

2)在另一个Y0切型晶组中，有两个电极O₂和O₃,输出电荷Q₂和Q₃，可实现力Fz和力矩Mx的测量，具体公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{F}_Z=Q_2{S}_2+Q_3{S}_3\\ M_X=Q_3{S}_3-Q_2{S}_2\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中，S₂和S₃为电荷灵敏度系数，单位N/C，Q₂和Q₃为测得电荷量；

3)在X0切型晶组中，有四个电极O₄、O₅、O₆和Q₇，输出电荷Q₄、Q₅、Q₆、Q₇，可实现力矩My和Mz的测量，公式如下所示：

$\left\{\begin{array}{c}{M}_z=(Q_6{S}_6+Q_7{S}_7)-(Q_4{S}_4+Q_5{S}_5)\\ M_y=(Q_5{S}_5+Q_6{S}_6)-(Q_4{S}_4+Q_7{S}_7)\end{array}\right.---\left(3\right)$

式中，S₄、S₅、S₆、S₇为电荷灵敏度系数，单位N/C，Q₄、Q₅、Q₆、Q₇为测得电荷；根据式(1)、式(2)和式(3)即可计算作用于柱形投放物的五维力。

本发明的显著效果是：所发明的一种柱形投放物气动力检测装置，通过合理的设计杆式天平的结构及其合理布置其在柱状柱形投放物中的位置，同时利用一种具备多维力测量功能的多维力压电石英晶组，采用合理的测量方法，能够准确地测试出柱形投放物在分离阶段的非定常气动载荷测量问题，可改变传统的气动力检测装置中多维压电式测试系统尺寸过大，某些场合无法应用的难题。该测量装置结构简单、工艺性好、稳定好，杆式天平固有频率高、响应快、输出准确度高。

附图说明

图1为柱形投放物气动力检测装置的局部剖视图。

图2为杆式天平的局部剖视图，其中：1-柱形投放物前部，2-固定螺钉，3-柱形投放物中部，4-预紧轴，5-晶组垫，6-中连接杆，7-后连接杆，8-紧定螺钉，9-柱形投放物后部，10-隔热板，11-屏罩，12-晶体组，13-隔热板，14-前连接杆，15-螺杆，a-柱形投放物前部后端内圆柱面，a＇-柱形投放物中部前端外圆柱面，b-柱形投放物中部后端内圆柱面，b＇-柱形投放物后部前端外圆柱面，ｃ-前连接杆圆锥状左端，ｄ-螺杆配合面，ｅ-后连接杆右端螺杆，e＇-柱形投放物后部左端光孔。

图3为柱形投放物加载实验示意图，其中：1-柱形投放物，2-钢丝绳，3-支撑架，4-定滑轮，5-托盘。

图4为柱形投放物受力作用示意图，其中：Fy-法向力，Fz-侧向力，My-偏航力矩，Mx-滚转力矩，Mz-俯仰力矩。

图5为关于法向力Fy电压输出值与加载力值的关系曲线图。

图6为关于侧向力Fz电压输出值与加载力值的关系曲线图，其中：横坐标的单位是牛顿N，纵坐标的单位是伏特V。

图7为关于偏航力矩My电压输出值与加载力矩值的关系曲线。

图8为关于滚转力矩Mx电压输出值与加载力矩值的关系曲线。

图9为关于俯仰力矩Mz电压输出值与加载力矩值的关系曲线，其中：横坐标的单位是牛顿米N·m，纵坐标的单位是伏特V。

具体实施方式

结合技术方案和附图详细说明本发明的实施过程，如图2所示，首先组装出杆式天平，将预紧轴4左端螺杆穿过隔热板13的螺孔，旋入到前连接杆14右端的螺纹孔中，实现前连接杆14、隔热板13、预紧轴4三者的固定连接。

晶体组12包括2个Y0切型晶组和1个X0切型晶组以及2片接地电极，在各自引出电极的两面涂导电胶来将晶片粘结在一起，这样便形成一个五维力传感器组合晶组。将晶体组12和晶组垫5依次套在预紧轴4右端的螺杆之上，通过对预紧轴4施加预紧力，将其右端螺杆旋入到中连接杆6左端的螺孔中，从而将晶体组12紧靠在晶组垫5上，实现了预紧轴4、晶体组12、晶组垫5、中连接杆6四者之间的连接固定；同时为了防止外界因素对晶体组干扰，造成检测不准确，屏罩11通过螺纹连接拧在晶组垫5和预紧轴4上，保护晶体组免受外界干扰。

如图2所示，隔热板10中间有螺孔，起到一定的隔热作用；中连接杆右端螺杆穿过隔热板10与后连接杆左端的螺纹孔配合连接，这样便组装成一个完整的杆式天平。

如图1所示，将杆式天平与柱形投放物组合在一起，前连接杆14的圆锥左端c插入到柱形投放物中部的锥孔中,同时使左端螺纹孔与螺杆15的螺杆配合面d配合，来实现杆式天平的固定。然后将柱形投放物前部后端内圆柱面a与柱形投放物中部前端外圆柱面a＇接触，并通过2个固定螺钉2连接在一起。将后连接杆右端光杆e插入到柱形投放物后部左端的光孔e＇中，同时使柱形投放物中部后端内圆柱面b和柱形投放物后部前端外圆柱面b＇接触，并通过3个紧定螺钉8连接在一起。至此，柱形投放物气动力检测装置的组合安装就完成了。

本发明的测量方法及原理是：晶体组12包括2个Y0切型晶组，和1个X0切型晶组以及2片接地电极。X0切型晶组由两片X0切型的石英晶片和四片相同形状的X0引出电极O₄、O₅、O₆和O₇组成；一种Y0切型晶组由两片Y0切型的石英晶片和一片Y0整体引出电极O₁组成；另一种Y0切型晶组由两片Y0切型的石英晶片和两片形状相同的Y0引出电极Q₂和Q₃组成。

在一个Y0切型晶组中，Y0切型晶片有一个电极O₁,输出电荷Q₁,可实现力Fy的测量，且柱形投放物晶组中的晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比；在另一个Y0切型晶组中，Y0切型晶片有两个电极O₂和O₃,输出电荷Q₂和Q₃，可实现力Fz和力矩Mx的测量；在X0切型晶组中，X0切型晶片有四个电极O₄、O₅、O₆和Q₇，输出电荷Q₄、Q₅、Q₆、Q₇可实现力矩My和Mz的测量。根据式(1)、式(2)和式(3)即可计算作用于晶组上的五维力。

本发明的实验过程是在风洞天平标定实验台上完成的，实验台的性能直接影响测量结果的质量与效率，并且能够模拟柱形投放物的工作状态，实验台的刚度要足够大以避免因实验台的变形影响测量结果。实验台主要由滑轮和钢丝绳组成，滑轮与天平的相对水平位置可调整，滑轮的摩擦力小，位置调整准确，加载砝码的托盘悬挂在天平的加载构件上，如图3所示；图4为柱形投放物受力示意图。

具体的实验方法如下：

1、将柱形投放物后端与支撑架相连接，使其固定在实验台上，将杆式天平中五维力传感器组合晶组12的2个接地电极接地，将7个输出端O₁、O₂、O₃、O₄、O₅、O₆和O₇与电荷放大器连接，然后再经数据采集卡与计算机软件连接，来对数据进行采集,调整电荷放大器灵敏度为4.00N/Pc,每次加载力前需将电荷放大器及计算机软件清零。

2、如图3所示，首先在托盘G1上依次加2kg的砝码1个、2个、3个、4个、5个，相当于依次在法向y上加20N、40N、60N、80N、100N的力，记录Fy的输出端O₁的值。

3、卸掉G1上的砝码，电荷放大器和计算机测量软件清零，在托盘G2上依次加2kg的砝码1个、2个、3个、4个、5个，相当于依次在侧向z上加20N、40N、60N、80N、100N的力，记录关于Fz的输出端(O₂+O₃)的值。

4、卸掉G2上的砝码，电荷放大器和计算机测量软件清零，托盘G3和G4作用点相距9cm,在G3和G4上依次同时加0.5kg砝码1个、2个、3个、4个、5个，相当于加力矩0.45N·m、0.9N·m、1.35N·m、1.8N·m、2.25N·m，记录My的输出端(O₅+O₆-O₄-O₇)的值。

5、卸掉G3和G4上的砝码，首先在托盘G1上加上2个0.5kg砝码，使杆式天平出于水平位置，同时对Y0切型晶组进行预紧，使测量结果准确；托盘G5和G6作用点距杆式天平传感器晶组12cm，在G5和G6上同时加0.05kg砝码4个，测量软件清零，然后将G5上4个砝码依次拿下，相当于加力矩0.06N·m、0.12N·m、0.18N·m、0.24N·m，记录Mx的输出端O₃-O₂的值。

6、卸掉G6上的砝码，托盘G7和G8作用点距杆式天平传感器晶组13cm,在G7和G8上同时加0.5kg砝码4个，软件清零后将G8上4个砝码依次拿下，相当于加力矩0.65N·m、1.3N·m、1.95N·m、2.6N·m，记录Mz的输出端(O₆+O₇-O₄-O₅的值。

实验得到的关于法向力Fy电压输出值与加载力值的关系曲线如图5所示，关于侧向力Fz电压输出值与加载力值的关系曲线如图6所示，关于偏航力矩My电压输出值与加载力矩值的关系曲线如图7所示，关于滚转力矩Mx电压输出值与加载力矩值的关系曲线如图8所示，关于俯仰力矩Mz电压输出值与加载力矩值的关系曲线如图9所示，可以看出该测量装置的线性度及准确度都很好。

本发明一种柱形投放物气动力检测装置通过合理的设计杆式天平的结构，及其合理布置其在柱形投放物中的位置，同时利用一种具备多维力测量功能的多维力压电石英晶组，采用合理的测量方法，能够准确地测试出柱形投放物在分离阶段所受到的偏航力矩My、俯仰力矩Mz、滚转力矩Mx、法向力Fy、侧向力Fz，可以改变传统的气动力检测装置多维压电式测试系统尺寸过大，某些场合无法应用的难题。该测量装置结构简单、工艺性好、稳定性好、测试准确，杆式天平固有频率高、响应快、输出准确度高。

Claims (2)

1.一种柱形投放物气动力检测装置，其特征是，检测装置由柱形投放物前部(1)、柱形投放物中部(3)、柱形投放物后部(9)、杆式天平和若干个紧定、固定螺钉组成；杆式天平由后连接杆(7)、第二隔热板(13)和第一隔热板(10)、中连接杆(6)、晶组垫(5)、晶体组(12)、预紧轴(4)、前连接杆(14)、屏罩(11)构成；其中，晶体组(12)由2个Y0切型晶组、1个X0切型晶组和2片接地电极组成；柱形投放物前部(1)的内部有阶梯孔，其后端内圆柱面(a)与柱形投放物中部(3)的前端外圆柱面(a＇)配合，柱形投放物前部(1)通过2个固定螺钉(2)与柱形投放物中部(3)连接在一起；柱形投放物中部(3)的内部空腔用来安装杆式天平，柱形投放物中部(3)后端内圆柱面(b)和柱形投放物后部(9)的前端外圆柱面(b＇)配合；

杆式天平的前连接杆(14)左、右两端都有螺纹内孔，左端呈圆锥状，即为圆锥左端(c)，其插入到柱形投放物中部(3)的锥孔中,前连接杆(14)左端的螺纹孔通过与螺杆(15)的螺杆配合面(d)的配合来实现杆式天平的固定；第二隔热板(13)中间有螺纹孔，预紧轴(4)呈阶梯状，左右两端是螺杆，左端螺杆穿过第二隔热板(13)与前连接杆右端螺纹孔配合，从而实现前连接杆(14)、第二隔热板(13)、预紧轴(4)三者的固定连接；

中连接杆(6)为阶梯状轴，左端有螺纹内孔，右端为螺杆；晶体组(12)和晶组垫(5)依次套在预紧轴(4)右端的螺杆之上，预紧轴(4)右端的螺杆旋入到中连接杆(6)左端的螺孔中，屏罩(11)通过螺纹连接拧在晶组垫(5)和预紧轴(4)上；

后连接杆(7)呈阶梯状，左端有螺纹孔，右端是光杆(e)；中连接杆右端螺杆穿过第一隔热板(10)与后连接杆左端的螺纹孔配合连接，后连接杆右端光杆(e)插入到柱形投放物后部(9)的左端光孔(e＇)中，柱形投放物后部(9)通过3个紧定螺钉(8)与柱形投放物中部(3)连接在一起。

2.如权利要求1所述的一种柱形投放物气动力检测装置，其特征是，检测装置采用的测量方法是通过对柱形投放物中的杆式天平施加力或力矩，来观测输出端的电荷量，利用晶体组(12)中的X0切型晶组在法向力、除法向转矩外的另外两个转矩的作用下产生耦合感生电荷的方法，采用多电极布置多区域电荷输出叠加的解耦方法，实现二个力矩测量，同样利用两个Y0切型晶组可实现两个切向力和法向转矩的测量；具体步骤如下；

1)在一个Y0切型晶组中，有一个电极O₁,输出电荷Q₁,可实现力Fy的测量，且柱形投放物晶体组中的晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比，故有

F_y＝Q₁S₁(1)

式中，S₁为电荷灵敏度系数，单位N/C，Q₁为测得电荷量；

2)在另一个Y0切型晶组中，有两个电极O₂和O₃,输出电荷Q₂和Q₃，可实现力Fz和力矩Mx的测量，具体公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{F}_Z=Q_2{S}_2+Q_3{S}_3\\ M_X=Q_3{S}_3-Q_2{S}_2\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中，S₂和S₃为电荷灵敏度系数，单位N/C，Q₂和Q₃为测得电荷量；

3)在X0切型晶组中，有四个电极O₄、O₅、O₆和O₇，输出电荷Q₄、Q₅、Q₆、Q₇可实现力矩My和Mz的测量，公式如下所示：

$\left\{\begin{array}{c}{M}_z=(Q_6{S}_6+Q_7{S}_7)-(Q_4{S}_4+Q_5{S}_5)\\ M_y=(Q_5{S}_5+Q_6{S}_6)-(Q_4{S}_4+Q_7{S}_7)\end{array}\right.---\left(3\right)$

式中，S₄、S₅、S₆、S₇为电荷灵敏度系数，单位N/C，Q₄、Q₅、Q₆、Q₇为测得电荷；

根据式(1)、式(2)和式(3)即可计算作用于柱形投放物的五维力。