CN104111157B - 一种检查风洞测量设备初读数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种检查风洞测量设备初读数的方法，风洞试验前，以200Hz～500Hz的采样率连续采集测量设备初读数10秒；对采集到的初读数进行计算，分别求出各测量设备初读数信号的幅频特性、均值、峰峰值及对应的物理量等特征值；将各测量设备初读数信号当前的特征值与该设备正常时的特征值及设备的性能指标等进行比较分析，实现对测量设备的工作状态进行检查和确认的目的。采用本发明方法对风洞测量设备初读数进行检查时，初读数采样率高达200Hz～500Hz，数据量大，携带信息多；比较确认时从大量数据中提炼出信号频谱特征、峰峰值、物理量、当前值等进行分析，使得对初读数的检查更加深入和全面。

Description

一种检查风洞测量设备初读数的方法

技术领域

本发明属航空航天工业空气动力学风洞试验技术领域，涉及一种检查风洞测量设备初读数的方法。

背景技术

作为试验空气动力学重要组成部分的风洞试验,其主要任务是利用风洞进行飞行器模拟试验,测量飞行器模型在风洞中的姿态及感受到的力、力矩、压力、温度等物理量。此测量工作，由风洞测量设备完成。风洞测量设备初读数，就是风洞测量设备在风洞试验前的输出值。

为了保证风洞测量数据的准确可靠，需要在风洞试验前对测量设备的工作状态进行全面的检查和确认，目前，这种检查和确认工作主要是通过检查测量设备初读数的方法实现的。现行的检查风洞测量设备初读数的方法是：风洞试验前随机的采集2～5个测量设备的初读数，当班岗位人员根据经验对初读数进行人工的分析、判断，从而确认测量设备的工作状态。现行的检查风洞测量设备初读数的方法的主要缺点是：

检查初读数时，只是随机的采集2～5个的初读数，初读数的数据少且无时序关系，无法从初读数中提取到测量设备输出信号的频域特征和波形信息，所以也就不能从频域特征和输出曲线波形等方面对设备进行更加深入的检查和分析；

人工分析和判别时，因不方便进行较为复杂的物理量转换、精准度估算和频谱分析的计算等，所以只能进行电压值的简单比对，使分析判断较为肤浅；

不同的测量设备分析判别的规则不一致，岗位人员掌握需要时间和经验的积累；

从上述方法的缺点可以看出，此检查方法只能对测量设备作表层的分析判别，无法对测量设备进行较为深入的检查，容易造成测量设备的深层故障难以被发现，从而导致测量数据质量下降甚至数据报废的严重后果。

发明内容

为了实现在风洞试验前，对测量设备进行全面、深入的检查，及时发现风洞测量设备的故障。本发明提出的方法是：风洞试验前，以200Hz～500Hz的采样率连续采集测量设备初读数10秒；对采集到的初读数进行计算，分别求出各测量设备初读数信号的幅频特性、均值、峰峰值及对应的物理量等特征值；将各测量设备初读数信号当前的特征值与该设备正常时的特征值及设备的性能指标等进行比较分析，实现对测量设备的工作状态进行检查和确认的目的。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种检查风洞测量设备初读数的方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：选取参考初读数，读取当前大气压Pa、当前温度T、当前角度等的值；

步骤2：根据测量系统的i通道连接的传感器或者天平的精准度、量程和信号类型等，分别设置i通道的分析判别阈值。i通道的分析判别阈值包括：物理量差量限值⊿Pi、测值差量限值⊿Vi、低频干扰限值F1i、振动干扰限值F2i、电源干扰限值F3i、高频干扰限值F4i；其中i为通道序号，取值为1、2、3、……n，n为在用的通道总数；

步骤3：风洞试验前，调整模型到迎角零度位置静止，数据采集系统以200Hz～500Hz的采样率连续采集测量设备所在通道的初读数10秒，得到2000～5000个初读数；

步骤4：采用计算公式(1)～计算公式(5)，依次计算出i通道当前初读数的下列参数值；

1)峰峰值d_Vi；

2)峰峰值d_Vi对应的物理量差值d_Pi；

3)平均初读数对应的物理量与当前压力或者当前温度、当前角度、当前天平力等物理量的差量d_APi；

4)初读数在频域0.1Hz～3Hz区间内最大的干扰数据P_max1i；

5)初读数在频域3Hz～49Hz区间内最大的干扰数据P_max2i；

6)初读数在频域49Hz～51Hz区间内最大的干扰数据P_max3i；

7)初读数在频域51Hz～90Hz区间内最大的干扰数据P_max4i；

d_Vi＝max(Vi(t))-min(Vi(t)) (1)

d_Pi＝d_Vi*Ki (2)

d_APi＝|average(Vi(t))*Ki+Bi-PNi| (3)

其中公式中：

d_Vi为初读数的峰峰值；

AV_Vi为初读数的平均值；

d_Pi为d_Vi对应的物理量差值；

d_APi为AV_Vi对应的物理量与当前压力或者当前温度、当前角度、当前天平力等物理量的差量；

Vi(t)为i通道初读数的采集值；

t为数据采集的时刻，取值为0，1/采样率，2/采样率，……，10秒；

Ki是i通道传感器的一次项工作系数或者是天平元的主项系数；

Bi为i通道传感器零次项工作系数；

PNi为i通道物理量的当前值，对于压力传感器，当前的物理量为当前大气压值；对于温度传感器，当前的物理量为当前温度；对于迎角传感器，当前角度为0°等；

FFT、average、max、min分别为傅里叶变换、求平均、求最大、最小值的函数名；

i为通道号，取值为1、2、3、……n；

j为频段分区编号，取值为1、2、3、4,j的值不同，计算P_maxji时的频率范围不同：

当j＝1时，频率范围取0.1Hz～3Hz区间；

当j＝2时，频率范围取3Hz～49Hz区间；

当j＝3时，频率范围取49Hz～51Hz区间；

当j＝4时，频率范围取51Hz～90Hz区间；

步骤5：依次将i通道的初读数计算的结果d_Vi、d_Pi、d_APi；P_max1i、P_max2i、P_max3i、P_max4i与i通道判别阈值⊿Pi、⊿Vi、F1i、F2i、F3i、F4i进行比较判别，给出i通道测量设备工作情况的检查结果；

其中,步骤1所述的读取参考初读数、当前大气压Pa、当前温度T、当前角度是为步骤4的计算和步骤5的比较、分析提供参考数据的；

步骤1所述的参考初读数,是与当前试验状态一致或者试验状态相近的,且已被确认为正常的以往车次的初读数；

步骤1所述的当前大气压Pa、当前温度T、当前角度的值，必须采用非被检查的设备测得，且测量的精准度要与测量系统中被检查设备的精准度相当；如：当前的大气压可通过高精度的气压表或者数字压力源RUSKA等获得；当前温度可通过高精度的温度计获得；当前角度可以采用高精准度的倾斜仪测得；

步骤2所述的i通道的物理量差量限值⊿Pi是与连接在i通道上的传感器或者天平的性能密切相关的值,是传感器或者天平能允许的最大测量误差的范围，即当传感器或者天平的测量误差超过⊿Pi时，将被视为故障状态。⊿Pi可通过将传感器或者天平的量程和精准度指标相乘得到；

步骤2所述的i通道的测值差量限值⊿Vi值是i通道在连接传感器或者天平的情况下，i通道能允许的电压的波动范围，即当i通道电压波动超过⊿Vi时，将被视为设备故障或者通道参数设置不合理。

步骤2所述的i通道的低频干扰限值F1i、振动干扰限值F2i、电源干扰限值F3i、高频干扰限值F4i是连接在i通道的传感器或者天平信号在正常情况下频谱特征参数的最大值，该值的确定需要对大量的正常初读数和故障初读数进行频谱计算分析后确定。

低频干扰限值F1i是正常情况下i通道0.1Hz～3Hz频段频谱特征参数的最大值；

振动干扰限值F2i是正常情况下i通道3Hz～49Hz频段频谱特征参数的最大值；

电源干扰限值F3i是正常情况下i通道49Hz～51Hz频段频谱特征参数的最大值；

高频干扰限值F4i是正常情况下i通道51Hz～90Hz频段频谱特征参数的最大值；

步骤4所述的计算d_APi参数，对于天平通道或者传感器通道计算的方法和物理量的含义均是不同的。当该通道连接的是天平时，d_APi是当前天平感受的力和力矩与参考初读数状态天平感受的力和力矩的差量的绝对值，计算时必须将此天平各元的平均初读数与参考初读数各元的差代入天平公式中迭代计算而得到；当该通道是传感器通道时，d_APi是平均初读数测得的物理量与当前物理量差的绝对值，计算时通过将平均初读数代入传感器的计算公式计算出物理量再减去当前物理量的方法得到。当前物理量的含义也是随传感器的类型而改变的，例如，当i通道连接压力传感器时，当前物理量为当前的大气压；当i通道连接温度传感器时，当前物理量为当前温度；当i通道连接倾角传感器时，当前物理量为当前角度。

从上述本发明的各项技术特征可以看出：

采用本发明方法对风洞测量设备初读数进行检查时，采用200Hz～500Hz的采样率采集初读数，数据量大，携带信息多，为深入分析初读数信号的频谱和波形提供了可能；同时也可以通过对初读数数据的频谱分析来辨识信号、定位干扰源和故障点，拓展了观察初读数数据的视角；本发明方法采用了较为全面的电压值、物理量、当前值、峰峰值、频谱特征值等多种变量的计算分析，使得对初读数的检查更加的深入和全面；此外，该检查初读数的方法非常便于自动化的实现对初读数的采集、计算、分析判断等，所以也有助于提高初读数检查的效率，减轻人员的劳动强度。

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是一种检查风洞测量设备初读数的方法的流程图；

表1是某风洞判别经验值的参考数据。

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。

图1为本发明的一种检查风洞测量设备初读数的方法的流程图。该流程包括下列步骤：

步骤201，选取参考初读数，选取设备状态正常且与当前试验状态接近或者一致的试验车次的初读数作为参考初读数；获取当前气压、温度等的物理值。通过高精度的气压表、温度表或者大气压传感器、温度传感器等获取当前气压、温度的物理值；

步骤202，参考表1，根据通道连接设备的情况和经验，分别设置各个通道的物理量差量限值⊿Pi、测值差量限值⊿Vi、低频干扰限值F1i、振动干扰限值F2i、电源干扰限值F3i、高频干扰限值F4i的值，其中i为通道号，取值为1、2、3、……n；

步骤203，设置初读数采集的采样率为200Hz～500Hz，调整模型到迎角0°静止；

步骤205，连续采集10秒初读数数据，得到2000～5000个点的初读数；

步骤207，依据计算公式(1)～计算公式(5)，依次求出各个通道的下列值：

1)各通道初读数的峰峰值d_Vi，采用公式(1)计算；

2)各通道初读数峰峰值对应的物理量差值d_Pi，采用公式(2)计算；

3)各传感器通道平均初读数测得的物理量与当前值差的绝对值d_APi，采用公式(3)计算；

4)天平通道平均初读数和参考初读数的差引起天平力、力矩变化的绝对值d_APi，采用天平迭代公式计算；

5)通道初读数在频域0.1Hz～3Hz区间内最大的干扰数据P_max1i，采用公式(4)、公式(5)计算，频域区间取0.1Hz～3Hz；

6)通道初读数在频域3Hz～49Hz区间内最大的干扰数据P_max2i，采用公式(4)、公式(5)计算，频域区间取3Hz～49Hz；

7)通道初读数在频域49Hz～51Hz区间内最大的干扰数据P_max3i，采用公式(4)、公式(5)计算，频域区间取49Hz～51Hz；

8)通道初读数在频域51Hz～90Hz区间内最大的干扰数据P_max4i，采用公式(4)、公式(5)计算，频域区间取51Hz～90Hz；

步骤211，依次读取i通道初读数的计算结果数据d_Vi、d_Pi、AV_Pi；P_max1i、P_max2i、P_max3i、P_max4i，其中i依次等于1、2、3、……n，n为通道的个数；

步骤213，读取i通道的⊿Pi、⊿Vi、F1i、F2i、F3i、F4i的值；

步骤216，检查i通道初读数的峰峰值d_Vi是否小于i通道测值差量限值⊿Vi，是，进入步骤218；否则，进行步骤217；

步骤217，显示故障信息“i通道跳数较大，请确认通道的量程及滤波设置！”,进入步骤218；

步骤218，检查i通道初读数峰峰值对应的物理量是否小于i通道物理量差量限值⊿Pi，是，进入步骤220；否则，进行步骤219；

步骤219，显示故障信息“i通道传感器or天平精度下降，请检查其工作情况！”,进入步骤220；

步骤220，检查i通道平均初读数测得的物理量与当前值差的绝对值d_APi是否小于i通道传感器或者天平允许的最大误差⊿Pi，是，进入步骤222；否则，进行步骤221；

步骤221，显示故障信息“i通道传感器or天平准度下降，请检查工作系数等！”,进入步骤222；

步骤222，检查i通道初读数在频域0.1Hz～3Hz区间内最大的干扰数据P_max1i是否小于i通道的低频干扰限值F1i，是，进入步骤224；否则，进行步骤223；

步骤223，显示故障信息“i通道有低频(3Hz)干扰,请确认采集的状态为静态？”,进入步骤224；

步骤224，检查i通道初读数在频域3Hz～49Hz区间内最大的干扰数据P_max2i是否小于i通道的振动干扰限值F2i，是，进入步骤226；否则，进行步骤225；

步骤225，显示故障信息“i通道有振动干扰,请确认模型无振动？”,进入步骤226；

步骤226，检查i通道初读数在频域49Hz～51Hz区间内最大的干扰数据P_max3i是否小于i通道电源干扰限值F3i，是，进入步骤228；否则，进行步骤227；

步骤227，显示故障信息“i通道有50Hz干扰,请确认供电、滤波设置正常？”,进入步骤228；

步骤228，检查i通道初读数在频域51Hz～90Hz区间内最大的干扰数据P_max4i是否小于i通道高频干扰限值F4i，是，进入步骤233；否则，进行步骤229；

步骤229，显示故障信息“i通道有高频干扰,请确认滤波设置正常？”,进入步骤233；

步骤233，判断是否是最后的通道，是，进入步骤235；否则，进入步骤234；

步骤234，继续下一通道判别，返回步骤211；

步骤235，结束初读数检查。

表1 某风洞判别经验值的参考数据

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 (8)

1.一种检查风洞测量设备初读数的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤一：选取参考初读数，读取当前大气压Pa、当前温度T、当前角度的值；

步骤二：根据测量系统的i通道连接的传感器或者天平的精准度、量程和信号类型，分别设置i通道的分析判别阈值，i通道的分析判别阈值包括：物理量差量限值⊿Pi、测值差量限值⊿Vi、低频干扰限值F1i、振动干扰限值F2i、电源干扰限值F3i、高频干扰限值F4i；其中i为通道序号，取值为1、2、3、……n，n为在用的通道总数；

步骤三：风洞试验前，调整模型到迎角零度位置静止，数据采集系统以200Hz～500Hz的采样率连续采集测量设备所在通道的初读数10秒，得到2000～5000个初读数；

步骤四：依据计算公式(1)～计算公式(5)，依次计算出i通道当前初读数的下列参数值：

1)峰峰值d_Vi；

2)峰峰值d_Vi对应的物理量差值d_Pi；

3)平均初读数对应的物理量与当前压力或者当前温度、当前角度、当前天平力物理量的差量d_APi；

4)初读数在频域0.1Hz～3Hz区间内最大的干扰数据P_max1i；

5)初读数在频域3Hz～49Hz区间内最大的干扰数据P_max2i；

6)初读数在频域49Hz～51Hz区间内最大的干扰数据P_max3i；

7)初读数在频域51Hz～90Hz区间内最大的干扰数据P_max4i；

d_Vi＝max(Vi(t))-min(Vi(t)) (1)

d_Pi＝d_Vi*Ki (2)

d_APi＝|average(Vi(t))*Ki+Bi-PNi| (3)

${\mathrm{Vi}}^{,}\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}Vi\left(t\right),& |AV\_Vi|\&GreaterEqual;2\\ Vi\left(t\right)+2,& 0\&le;AV\_Vi<2\\ Vi\left(t\right)-2,& 0>AV\_Vi>-2\end{array}\right.---\left(4\right)$

$P\_\max ji=\max \left(\frac{FFT\left({\mathrm{Vi}}^{,}\left(t\right)\right)}{average\left(FFT\left({\mathrm{Vi}}^{,}\left(t\right)\right)\right)}-1\right)---\left(5\right)$

其中：Vi(t)为i通道初读数的采集值；

Ki是i通道传感器的一次项工作系数或者是天平元的主项系数；

Bi为i通道传感器零次项工作系数；

PNi为i通道物理量的当前值，对于压力传感器，当前的物理量为当前大气压值；对于温度传感器，当前的物理量为当前温度；对于迎角传感器，当前角度为0°；

j为频段分区编号，取值为1、2、3、4,j的值不同，计算P_maxji时的频率范围不同：

步骤五：依次将i通道初读数的计算的结果d_Pi、d_APi；P_max1i、P_max2i、P_max3i、P_max4i与i通道判别阈值⊿Pi、⊿Vi、F1i、F2i、F3i、F4i进行比较判别，给出i通道测量设备工作情况的检查结果。

2.根据权利要求1所述的一种检查风洞测量设备初读数的方法，其特征在于：步骤一所述的参考初读数,是与当前试验状态一致或者试验状态相近的,且已被确认为正常的以往车次的初读数；当前大气压Pa、当前温度T、当前角度的值，必须采用非被检查的设备测得，且测量的精准度要与测量系统中被检查设备的精准度相当。

3.根据权利要求1所述的一种检查风洞测量设备初读数的方法，其特征在于：步骤二所述的i通道的物理量差量限值⊿Pi是与连接在i通道上的传感器或者天平的性能密切相关的值,是传感器或者天平能允许的最大测量误差的范围，即当传感器或者天平的测量误差超过⊿Pi时，将被视为故障状态。

4.根据权利要求1所述的一种检查风洞测量设备初读数的方法，其特征在于所述d_APi在不同的环境下具有不同的参数值；当前通道连接的是天平时，d_APi是当前天平感受的力和力矩与参考初读数状态天平感受的力和力矩的差量；当前通道是传感器通道时，d_APi是平均初读数测得的物理量与当前物理量差的绝对值。

5.根据权利要求1所述的一种检查风洞测量设备初读数的方法，其特征在于：步骤二所述的i通道的测值差量限值⊿Vi值是i通道在连接传感器或者天平的情况下，i通道能允许的电压的波动范围，即当i通道电压波动超过⊿Vi时，将被视为设备故障或者通道参数设置不合理。

6.根据权利要求1所述的一种检查风洞测量设备初读数的方法，其特征在于：步骤二所述的i通道的低频干扰限值F1i、振动干扰限值F2i、电源干扰限值F3i、高频干扰限值F4i是连接在i通道的传感器或者天平信号在正常情况下频谱特征参数的最大值。

7.根据权利要求1所述的一种检查风洞测量设备初读数的方法，其特征在于：步骤二所述的i通道的低频干扰限值F1i是正常情况下i通道0.1Hz～3Hz频段频谱特征参数的最大值；i通道的振动干扰限值F2i是正常情况下i通道3Hz～49Hz频段频谱特征参数的最大值；i通道的电源干扰限值F3i是正常情况下i通道49Hz～51Hz频段频谱特征参数的最大值；i通道的高频干扰限值F4i是正常情况下i通道51Hz～90Hz频段频谱特征参数的最大值。

8.根据权利要求1所述的一种检查风洞测量设备初读数的方法，其特征在于：步骤三所述的风洞试验前，调整模型到迎角零度位置静止，数据采集系统以200Hz～500Hz的采样率连续采集测量设备所在通道的初读数10秒，得到2000～5000个初读数。