CN105300654B - 一种低速风洞内的超声精确测距系统 - Google Patents
一种低速风洞内的超声精确测距系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种低速风洞内的超声精确测距系统，包括设置在风洞内的五只超声传感器和控制器，其中两只超声传感器固定在风洞内壁上，一只可以在风洞内移动，另外两只分别设置在两个被测物体上，被测物体位于低速风洞内；测距采用差距法获得低速风洞内的实时声速，再利用获得的实时声速通过双向探测法测得低速风洞内两物体的精确空间距离。本发明通过采用差距法和双相探测法实现低速风洞内距离的非接触精确测量，避免了低速风洞内的空气流速、密度、压力、温度和湿度等对测距结果的影响。
Description
技术领域
本发明涉及风洞试验领域，尤其是涉及一种低速风洞内的超声精确测距系统。
背景技术
低速风洞由洞体、模型支撑系统、数据测量处理系统和动力系统等组成，而模型位置和姿态的测量是模型支撑系统和数据测量处理系统的主要组成部分，其精准度是保证风洞试验数据准确性的重要环节。目前常用的模型位置和姿态测量方法包括间接测量和非接触直接测量等，而空间距离的准确测量作为低速风洞试验模型位置和姿态测量的基础，其测量的精准度对模型位置和姿态的测量精度至关重要。
超声波是一种机械波，超声波又称超声，属于声波，是指频率高于20kHz的声波。目前，超声在气体和流体中的传播理论比较成熟，应用主要包括检测超声、功率超声和医学超声等。其中超声检测是利用超声的传播和信息载体特性，通过一定的手段提取出反映媒质内部结构或者媒质本身特性的信息，达到检测内部结构或结构缺陷、测量物体几何尺寸和媒质物理性能参数的目的。如超声探伤、超声测厚、超声测物位、超声测距等。超声测距是通过测量超声波在媒质中某一空间传播的时间和该媒质中的声速来确定被测空间距离的一种超声检测技术。超声测距方法包括相位检测法、声波幅值检测法和渡越时间法等，目前超声测距一般使用渡越时间法。渡越时间法又包括直接测量法和反射测量法。这些测量方法在使用过程中，一般都将声速作为常量处理。但实际上，声速会随着传播介质的密度、温度、压力和湿度等条件的变化发生一定的变化，这样就会由于声速的变化导致测量结果的误差，从而降低测量精度。另外由于在低速风洞中作为传播介质的空气有一定流速，声波传播过程中的多普勒效应会对超声测距结果带来误差。
发明内容
本发明的目的是提供一种低速风洞内的超声精确测距系统，避免低速风洞试验段内气流速度、密度、温度、压力和湿度等对超声测距的影响。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种低速风洞内的超声精确测距系统，包括控制器和超声传感器(B1)、超声传感器(B2)、超声传感器(S)、超声传感器(Bi)、超声传感器(Pj)，其中超声传感器(B1)、超声传感器(B2)固定设置在风洞内壁上，另外一只超声传感器(S)为移动端设置在风洞内，超声传感器(Bi)、超声传感器(Pj)各自固定设置在两个被测物体上，所述被测物体置于风洞内，所述五只超声传感器均为收发一体式传感器，所述超声传感器(B1)、超声传感器(B2)、超声传感器(S)、超声传感器(Bi)、超声传感器(Pj)的信号输出端各自连接到控制器；
所述系统采用测距方法由差距法和双向探测法两部分组成，如下：
差距法
通过常规方法测得两只固定设置在风洞内壁上的超声传感器(B1、B2)之间的距离d；
超声波换能器向风洞内发射超声波，控制器采集超声波从超声传感器(S)发射到超声传感器(B1)的接收时长为t1，控制器采集超声波从超声传感器(B1)发射到超声传感器(S)的接收时长为t1′；
通过超声传感器(S)的移动，控制器采集超声传感器(S)移动的距离d2,然后由控制器采集超声波从超声传感器(S)发射超声波到超声传感器(B1)的接收时长为t2，控制器采集超声波从超声传感器(B1)发射到超声传感器(S)的接收时长为t2′；
控制器采集超声波从超声传感器(B2)发射到超声传感器(B1)的接收时长为t，控制器采集超声波从超声传感器(B1)发射到超声传感器(B2)的接收时长为t′；
通过计算可得到：
而实时声速c为：
双向探测法
设置在被测物体上的超声传感器(Bi)、超声传感器(Pj)相互发射超声波，控制器采集超声波由超声传感器(Bi)发射到超声传感器(Pj)接收的时长为tji1，超声波由超声传感器(Pj)发射到超声传感器(Bi)接收的时长为tji2，超声传感器(Bi)和超声传感器(Pj)间的距离记为dji，通过计算可得到
在上述技术方案中，所述超声传感器(S)在风洞内沿直线移动。
在上述技术方案中，所述超声传感器(B1)、超声传感器(S)和移动后的超声传感器(S)在同一直线上。
在上述技术方案中，所述每两个超声传感器之间的测量需分时测量，即从接受到发射逐个测量。
在上述技术方案中，所述超声波换能器发出的超声波具有一定宽度的等幅余弦波。
在上述技术方案中，所述超声测距时超声波传播时长采样的周期为风洞低频脉动的整周期。
在上述技术方案中，超声测距时超声波传播时长采样的频率为工频的整数倍。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
声速容易受到环境条件如密度、温度、压力和湿度等的影响发生变化，而一般情况下声速作为常量处理，这会引起相应的误差。本发明中，通过采用差距法实现低速风洞内声速的实时测量，避免了将声速作为常数处理引起的误差；
本发明中，利用双向探测法获得低速风洞试验段内两物体的空间距离，避免了低速风洞试验段内空气流速(会产生多普勒效应)等对测距结果的影响，提高了测量的精度；
本发明中，采用了非接触测量手段，避免了测量仪器对低速风洞试验段流场和试验环境的影响，对提高试验效率和数据的准确性有益处。
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是差距法原理图；
图2是双向探测法原理图。
具体实施方式
本发明由两部分内容组成：一是采用差距法获得低速风洞试验段内的实时声速；二是利用测量到的实时声速，采用双向探测法获得低速风洞试验段内待测的两物体间的精确空间距离。为了实现这两部分功能，需要在风洞内设置超声传感器(B1)、超声传感器(B2)、超声传感器(S)、超声传感器(Bi)、超声传感器(Pj)，其中超声传感器(B1)、超声传感器(B2)固定设置在低速风洞闭口试验段的内壁面上或开口试验段的周边，另外一只超声传感器(S)为移动端设置在风洞内可以在风洞内移动，超声传感器(Bi)、超声传感器(Pj)各自固定设置在两个被测物体上，所述被测物体置于风洞内，两个被测物体之间存在一定距离，所述五只超声传感器均为收发一体式传感器，本发明还包括一个控制器，控制器的作用是采集五只超声传感器相互之间超声波传播的时长，因此控制器需要和超声传感器连接，并且控制器通过采集到的数据进行实时计算。
在实际过程中，声速会随着介质的境况(如介质的密度、温度、压力和湿度等)发生一定变化，如果将声速应用于测量，就应该实时获得当前条件下的声速。为了获得实时声速，本文提出差距法。即对于试验段当前环境下的声速c实时高精度测量问题，可采用差距法获得，如图1所示，为为差距法原理图。
超声传感器(B1)、超声传感器(B2)间的空间距离为定值，设该距离为d；超声传感器(S)由初始位置S移动到S′的距离为d2，移动过程中通过一般的长度测量方法d2可准确获得，t1为超声波从S发射到B1接收的时长，t1′为超声传感器(B1)发射到S接收的时长，t2为超声波从S′发射到超声传感器(B1)接收的时长，t2′为超声波从超声传感器(B1)发射到S′接收的时长，t为超声波从声传感器(B2)发射到超声传感器(B1)接收的时长，t′为超声波从超声传感器(B1)发射到声传感器(B2)接收的时长。采用现有多种测试方法和技术完全可实现t1、t1′、t2、t2′、t和t′的准确测量，本发明采用通过控制器直接采集数据。
在试验间隙，通过测量t1、t1′、t2和t2′，可获得传感器B1和B2间的固定距离d为：
试验过程中，根据需要可随时测量t和t′，则实时声速c为：
如图2所示，为双向探测法的原理示意图，为了避免试验段内的空气流动引起的多普勒效应对超声测距精度的影响，本文提出双向探测法用于超声精确测距，测量方法如下：
将两只超声传感器分别安装在低速风洞内待测距的物体上，超声传感器为一体式超声传感器，即既能发射超声波信号，也能检测接收超声波信号，通过控制器的数据采集获得相应数据，通过计算可得：
式中dji是超声传感器Bi和传感器Pj间的距离；
tji1是超声波由Bi发射到Pj接收的时长；
tji2是超声波由Pj发射到Bi接收的时长；
c是采用上述差距法获得的实时声速。
其中tji1和tji2的测量误差包括时长测量误差和时长测量时的同步触发误差，通过现有先进的测试方法和技术完全可实现tji1和tji2的准确测量，因此只要能准确测得实时声速c，就可避免多普勒效应和环境条件(如介质密度、温度、压力和湿度等)对测距精度的影响，从而获得精确的传感器Bi和Pj间的距离，即两待测物体间的精确距离。
在采用超声进行精确测距时，为避免超声波的发射和绕射等现象影响测量的精度，应注意以下问题：
任一配对测距的超声传感器应采用分时测量技术，即从时间历程上来看，每组超声传感器间发射端与接受端的距离测量为依次逐个测量。
超声波换能器发出的超声波是具有一定宽度的等幅余弦波，为避免干扰，对于配对测量的每组超声传感器的发射端和接受端，应确定在超声波信号中的同一点作为时间检测点，并适当提高比较器的阈值。
超声测距时超声传播时长采样的周期应为风洞低频脉动的整周期，以避免模型振动对测量结果的影响。
超声测距时超声传播时长采样的频率为工频的整数倍，以避免电源对测量数据的影响。
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 (7)
1.一种低速风洞内的超声精确测距系统，其特征在于包括控制器和超声传感器B1、超声传感器B2、超声传感器S、超声传感器Bi、超声传感器Pj，其中超声传感器B1、超声传感器B2固定设置在风洞内壁上，另外一只超声传感器S为移动端设置在风洞内，超声传感器Bi、超声传感器Pj各自固定设置在两个被测物体上，所述被测物体置于风洞内，所述五只超声传感器均为收发一体式传感器，所述超声传感器B1、超声传感器B2、超声传感器S、超声传感器Bi、超声传感器Pj的信号输出端各自连接到控制器；
所述系统采用测距方法由差距法和双向探测法两部分组成，如下：
差距法，用于测得两只固定设置在风洞内壁上的超声传感器B1、超声传感器B2之间的距离d；方法为：控制器采集超声波从超声传感器S发射到超声传感器B1的接收时长为t1，控制器采集超声波从超声传感器B1发射到超声传感器S的接收时长为t1′；
移动超声传感器S距离d2,然后由控制器采集超声波从超声传感器S发射超声波到超声传感器B1的接收时长为t2，控制器采集超声波从超声传感器B1发射到超声传感器S的接收时长为t2′，控制器采集超声波从超声传感器B2发射到超声传感器B1的接收时长为t，控制器采集超声波从超声传感器B1发射到超声传感器B2的接收时长为t′；通过计算可得到：
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双向探测法，用于非接触精确测量低速风洞内两物体间的距离：方法为：设置在被测物体上的超声传感器Bi、超声传感器Pj相互发射超声波，控制器采集超声波由超声传感器Bi发射到超声传感器Pj接收的时长为tji1，超声波由超声传感器Pj发射到超声传感器Bi接收的时长为tji2，超声传感器Bi和超声传感器Pj间的距离记为dji，通过计算可得到：
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2.根据权利要求1所述的一种低速风洞内的超声精确测距系统，其特征在于所述超声传感器S移动距离d2是沿超声传感器Bi和超声传感器S连线的延长线上的直线移动距离。
3.根据权利要求2所述的一种低速风洞内的超声精确测距系统，其特征在于所述超声传感器B1、超声传感器S和移动后的超声传感器S在同一直线上。
4.根据权利要求1所述的一种低速风洞内的超声精确测距系统，其特征在于所述每两个超声传感器之间的测量需分时测量，即不能同时测量。
5.根据权利要求4所述的一种低速风洞内的超声精确测距系统，其特征在于超声传感器发出的超声波具有一定宽度的等幅余弦波。
6.根据权利要求5所述的一种低速风洞内的超声精确测距系统，其特征在于超声测距时超声波传播时长采样的周期为风洞低频脉动的整周期。
7.根据权利要求6所述的一种低速风洞内的超声精确测距系统，其特征在于超声测距时超声波传播时长采样的频率为工频的整数倍。
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