CN105547554B - 一种用于测量小型螺旋翼升力和扭矩的装置及方法 - Google Patents
一种用于测量小型螺旋翼升力和扭矩的装置及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种测量小型螺旋翼升力和扭矩的装置及方法，能够测量螺旋翼动态过程中角速度与升力和扭矩的变化关系。该装置外转子式电动机(a)、不反光胶带(b)、反光贴纸(c)、被测螺旋翼(d)、光电计数器(e)、杠杆(f)、滑动支点(g)、纵向压力传感器(h)、横向压力传感器(i)、数据采集器(j)、数据传输线(k)、测试平台座(l)、游标卡尺(m)、滑动轨道(n)；本发明通过光电计数器能够测量一周期内螺旋翼角速度的变化情况；通过杠杆原理可以改变压力传感器与螺旋翼升力和扭矩的比值，使压力传感器工作在最佳受力区间，从而提高升力和扭矩的测量精度和测量范围；结合游标卡尺可以更加精确和方便的读出两个力臂的长度；装置实现了全过程(过度过程和稳定状态)测量。
Description
技术领域
本发明属于一种机构设计和数据采集领域，具体涉及一种用于测量小型螺旋翼升力和扭矩的装置。
背景技术
目前，用于测量或计算螺旋翼转速和扭矩的方法为有理论计算，软件仿真和试验测量。其中理论计算的方法简单，精度低且不能计算具有复杂曲面的螺旋翼；软件仿真方法具有精度高的优点，可以应对复杂曲面的模型，对于大型螺旋翼的升力和扭矩计算是十分有作用的工具，但是需要精确的螺旋翼结构参数和服务器的支持否则会很耗费时间。和大型螺旋翼相比，小型螺旋翼的升力和扭矩测量不需要很大并且价格昂贵的测试设备，试验法测量小型螺旋翼升力和扭矩具有结果准确，测量时间短，效率高的优点。
在《一种用于测量小型螺旋桨发动机推力和扭矩的装置》(专利的授权公共号为CN202511930 U)的一篇专利中同样提出了一种小型测量螺旋翼升力和扭矩的装置。该装置采用转速计测量螺旋桨的角速度、采样时间长、数据精度不高且不能测量动态的变化过程，采用人工判读的方式，误差大。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种用于测量小型螺旋翼升力和扭矩的装置及方法。
本发明的技术方案是：一种测量小型螺旋翼升力和扭矩的装置，包括：外转子式电动机、不反光胶带、反光贴纸、被测螺旋翼、光电计数器、杠杆、滑动支点、纵向压力传感器、横向压力传感器、数据采集器、数据传输线、测试平台座、游标卡尺、滑动轨道；
测试平台座安放在水平面上并固定，滑动支点安装在测试平台座的滑动轨道内；光电计数器安置在测试平台座一端的平台上，纵向压力传感器和横向压力传感器安装在平台的另一端；杠杆的一端与横向压力传感器固连，该端突起处与纵向压力传感器接触，另一端与电动机固连，然后搭在所述的平台上，滑动支点卡在杠杆上；将不反光的胶带在外转子式电动机的转子侧面贴满一周，将s个反光贴纸等间隔的贴在反光胶带上，被测螺旋翼与电动机固连；光电计数器、纵向压力传感器和横向压力传感器的数据线与数据采集器链接；游标卡尺的主尺部分位于测试平台上，并与滑动支点的下边缘对齐，杠杆与纵向压力传感器接触点位置正对游标卡尺的某一刻度；游标卡尺的游标在滑动支点的下方，其对准刻线在支点的垂直延长线上；滑动轨道在测试平台座的两侧，并位于游标卡尺的上方，滑动支点卡在滑动轨道内并且只可以在轨道的方向上运动；所述的s为大于1的整数。
游标卡尺的0刻度位置在杠杆与纵向压力传感器接触的位置，末刻度端在电动机的转动轴的垂直延长线上。
确定小型螺旋翼升力和扭矩的方法，步骤如下：
(1)数据采集器采集光电计数器的数据以及采集数据对应的时间，假设一共测得测得N组数据，其中时间数据为T1～TN，利用该N组数据及时间数据确定螺旋翼的角速度，绘制每个光电计数器时间区间内的角速度、时间曲线；
(2)数据采集器采集纵向压力传感器数据、横向压力传感器数据并记录下每个数据所对应的时间点；
(3)根据杠杆原理，利用步骤(2)中的数据计算每个数据点的升力、扭矩；
(4)计算步骤(2)中每个时间点上螺旋翼的角速度，绘制升力、角速度曲线以及扭矩、角速度曲线；具体为：根据压力传感器采集的时间选择步骤(1)中光电计数器的时间区间，然后利用该区间的角速度、时间曲线得到该时间对应的角速度，进而得到一对与时间对应的升力(或扭矩)和角速度。
所述螺旋翼的角速度的计算步骤如下：
(4)将第一个数据点的时间t1、角速度ω1和角加速度ε1分别设置为0；
(5)第二个数据点的时间t2角速度ω2和角加速度ε2分别为：
(6)第k(k≤N,k为正整数)个数据点的时间tk角速度ωk和角加速度εk由第k-1个数据的时间tk-1角速度ωk-1和角加速度εk-1的值通过下面公式计算出。
其中
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明通过光电计数器能够测量一周期内螺旋翼角速度的变化情况；通过杠杆原理可以改变压力传感器与螺旋翼升力和扭矩的比值，使压力传感器工作在最佳受力区间，从而提高升力和扭矩的测量精度和测量范围；结合游标卡尺可以更加精确和方便的读出两个力臂的长度；使用数据采集器代替人工判读，记录的数据更加精确，采样频率更高，并且可以测量动态变化过程；。因此本装置实现了全过程(过度过程和稳定状态)测量。
(2)可以滑动的支点能调节两个力臂的长度，能够放大或缩小螺旋翼升力，使压力传感器工作在最灵敏的测力区间的同时增大了升力的测量范围；
附图说明
图1为螺旋翼动力测量的装置和反光贴纸示意图。
具体实施方式
一种测量小型螺旋翼升力和扭矩的装置的组成部分为：a电动机、b不反光胶带、c反光贴纸、d被测螺旋翼、e光电计数器、f杠杆、g滑动支点、h纵向压力传感器、i横向压力传感器、j数据采集器、k数据传输线、l测试平台座、m游标卡尺、n滑动轨道。光电计数器和反光贴纸组成角速度测量单元，纵向和横向的压力传感器组成升力和扭矩测量单元，杠杆、支点和游标卡尺组成力学传递单元
按照如下步骤组装测试装置：
(1)测试平台座l安放在水平面上并固定，滑动支点g安装在测试平台座l的滑动轨道内。光电计数器h安置在测试平台座l一端的Γ形台上，纵向压力传感器h和横向压力传感器i安装在Γ形台的另一端。杠杆f的一端与横向压力传感器i固连，突起处与纵向压力传感器h接触，另一端与电动机a固连，然后搭在Γ形台上，并用滑动支点g卡在其上方。
(2)将不反光的胶带b在外转子电动机的转子上贴满一周，将s(s为大于1的整数)个反光贴纸c等间隔的贴在反光胶带上，被测螺旋翼d与电动机a固连。
(3)光电计数器e)纵向压力传感器h和横向压力传感器i的数据线与数据采集器j连接。
1、将滑动支点滑动到合适的位置，然后固定不动。启动电机，数据采集器采集光电计数器的数据、纵向压力传感器的数据y和横向压力传感器的数据x并记录下每个数据所对应的时间点。试验其起始时刻为0，数据中的时间点为与起始时刻的相对值。
2、螺旋翼角速度和角加速度的计算。设光电计数器一共测得N组数据，其中时间数据为T1～TN。螺旋翼的角速度的计算步骤如下：
(1)将第一个数据点的时间t1、角速度ω1和角加速度ε1分别设置为0。
(2)第二个数据点的时间t2角速度ω2和角加速度ε2分别为：
(3)第k(k≤N,k为正整数)个数据点的时间tk角速度ωk和角加速度εk由第k-1个数据的时间tk-1角速度ωk-1和角加速度εk-1的值通过下面公式计算出。
其中
(4)根据(3)中的结果绘制测试时间内的螺旋翼角速度、时间曲线；
3、螺旋翼升力F和扭矩M的计算的方法为：
式中lrotor和lsenser分别为螺旋翼端的力臂长度和压力传感器端的力臂长度。y为纵向压力传感器的数据，x为横向压力传感器的数据。
4、根据纵向(横向)压力传感器的数据点所对应的时间点，利用步骤2中得到的角速度与时间的曲线，获得该时间点螺旋翼的角速度。然后绘制出螺旋翼的角速度与升力的关系曲线和螺旋翼角速度与扭矩的升力曲线。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。
Claims (3)
1.一种确定小型螺旋翼升力和扭矩的方法，方法依托的装置包括外转子式电动机(a)、不反光胶带(b)、反光贴纸(c)、被测螺旋翼(d)、光电计数器(e)、杠杆(f)、滑动支点(g)、纵向压力传感器(h)、横向压力传感器(i)、数据采集器(j)、数据传输线(k)、测试平台座(l)、游标卡尺(m)、滑动轨道(n)；
测试平台座(l)安放在水平面上并固定，滑动支点(g)安装在测试平台座(l)的滑动轨道内；光电计数器(e)安置在测试平台座(l)一端的平台上，纵向压力传感器(h)和横向压力传感器(i)安装在平台的另一端；杠杆(f)的一端与横向压力传感器(i)固连，该端突起处与纵向压力传感器(h)接触，另一端与电动机(a)固连，然后搭在所述的平台上，滑动支点(g)卡在杠杆(f)上；将不反光的胶带(b)在外转子式电动机的转子侧面贴满一周，将s个反光贴纸(c)等间隔的贴在反光胶带上，被测螺旋翼(d)与电动机(a)固连；光电计数器(e)、纵向压力传感器(h)和横向压力传感器(i)的数据线与数据采集器(j)连接；游标卡尺(m)的主尺部分位于测试平台座上，并与滑动支点(g)的下边缘对齐，杠杆(f)与纵向压力传感器(h)接触点位置正对游标卡尺的某一刻度；游标卡尺的游标在滑动支点(g)的下方，其对准刻线在支点的垂直延长线上；滑动轨道(n)在测试平台座(l)的两侧，并位于游标卡尺(m)的上方，滑动支点(g)卡在滑动轨道(n)内并且只可以在轨道的方向上运动；所述的s为大于1的整数，其特征在于步骤如下：
(1)数据采集器采集光电计数器的数据以及采集数据对应的时间，假设一共测得N组数据，其中时间数据为T1～TN，利用该N组数据及时间数据确定螺旋翼的角速度，绘制每个光电计数器时间区间内的角速度、时间曲线；
(2)数据采集器采集纵向压力传感器数据、横向压力传感器数据并记录下每个数据所对应的时间点；
(3)根据杠杆原理，利用步骤(2)中的数据计算每个数据点的升力、扭矩；
(4)计算步骤(2)中每个时间点上螺旋翼的角速度，绘制升力、角速度曲线以及扭矩、角速度曲线；具体为：根据纵向压力传感器、横向压力传感器采集的时间选择步骤(1)中光电计数器的时间区间，然后利用该区间的角速度、时间曲线得到该时间对应的角速度，进而得到一对与时间对应的升力角速度曲线或扭矩角速度曲线。
2.根据权利要求1所述的一种确定小型螺旋翼升力和扭矩的方法，其特征在于：所述螺旋翼的角速度的计算步骤如下：
(1)将第一个数据点的时间t1、角速度ω1和角加速度ε1分别设置为0；
(2)第二个数据点的时间t2、角速度ω2和角加速度ε2分别为：
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(3)第k个数据点的时间tk、角速度ωk和角加速度εk由第k-1个数据的时间tk-1、角速度ωk-1和角加速度εk-1的值通过下面公式计算出：
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k≤N,k为正整数。
3.根据权利要求1所述的一种确定小型螺旋翼升力和扭矩的方法，其特征在于：游标卡尺的0刻度位置在杠杆(f)与纵向压力传感器(h)接触的位置，末刻度端在电动机(a)的转动轴的垂直延长线上。
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|---|---|---|---|
| CN201510981323.8A CN105547554B (zh) | 2015-12-23 | 2015-12-23 | 一种用于测量小型螺旋翼升力和扭矩的装置及方法 |
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