CN106092498B - 一种五分量压电式“双天平” - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种五分量压电式“双天平”，属于传感、测控领域，特别涉及飞行器模型风洞实验。该装置主要包括天平底座、压电三向力传感器、天平上盖以及由它们组成的天平。本发明的优点是采用双天平结构，大大缩小了单天平四压电式三向力传感器矩形布置结构中各压电式三向力传感器之间的距离，避免了单天平引起的天平上盖结构刚性不足问题，对大尺度模型的有效支撑点位由四个增加到八个，支撑刚性增加，同时也提高了测试系统的固有频率，能够实现气动力测量，即X向力Fx阻力、Z向力Fz升力和俯仰力矩My。
Description
技术领域
本发明属于传感、测控领域，特别应用于飞行器模型风洞实验。具体涉及一种五分量压电式“双天平”，其可实现一种大尺度飞行器模型的气动力测量，即X方向力Fx(阻力)、Y方向力Fy(偏航力)、Z方向力Fz(升力)、俯仰力矩My和偏航力矩Mz。
背景技术
风洞天平是风洞实验中测量飞行器模型气动力的重要设备，测量飞行器在空气中所受的力和力矩，为飞行器的飞行角度、流线型外形设计、气流对飞行控制的影响等诸多方面的研究提供至关重要的数据资料。目前,常用的风洞天平有应变式和压电式。应变天平具有体积小、安装方便、疲劳寿命长等优点,应用最为广泛。但是，应变天平在动态测试方面存在以下不足：风洞应变天平采用一体化弹性体结构设计、阻尼比小、固有频率低，动态响应速度慢、超调量大且存在维间动态耦合，而此气动力测量对天平的动态性能要求很高。实际中，动态测试场合逐渐增多,常规测力试验对天平动态特性的要求也逐渐提高，因此动态特性较好的压电天平备受重视。压电天平以压电石英晶体为力学量敏感元件，具有高刚度、高固有频率、高灵敏度和稳定性优良的特点，非常适合测量精度高、动态性能好的多向力的测量。
传统的单天平四点支撑式压电三向力传感器矩形布置结构从原理上也可以实现五分量测量，但是在大型天平且总高度值较小的限制条件下，若采用传统结构，加大4个压电式三向力传感器之间的距离，会造成天平上盖结构刚度不足；若减小4个压电式三向力传感器之间的距离，对大型天平来说，易失稳，降低整个系统的固有频率。
根据被测模型具有几何尺寸大、重量大和气动载荷大的特点，本发明装置的特点在于采用8个压电式三向力传感器，分为两组，形成两个独立的天平，模型上所受的三维气动力可由两个天平测得的分量计算得到。
随着国防事业的发展和节能降耗的需要,风洞试验中对动态性能的要求越来越高。设计一种适用于测试对象几何尺寸大、重量大、气动载荷大且测量精度高、动态性能好的风洞压电天平，对我国飞行器风洞天平发展具有重要意义。
发明内容
本发明解决了测试对象几何尺寸大、重量大和气动载荷大的多维力测量的大型天平设计的关键与难点问题，设计了一种可实现X方向力Fx(阻力)、Y方向力Fy(偏航力)、Z方向力Fz(升力)、俯仰力矩My和偏航力矩Mz测量的五分量压电式双天平。
本发明的技术方案：
一种五分量压电式“双天平”，天平底座1上开四个矩形长槽，每个矩形长槽安放两个压电式三向力传感器，共安放八个压电式三向力传感器：压电式三向力传感器Ⅰ2、压电式三向力传感器Ⅱ3、压电式三向力传感器Ⅲ4、压电式三向力传感器Ⅳ5、压电式三向力传感器Ⅴ6、压电式三向力传感器Ⅵ7、压电式三向力传感器Ⅶ8和压电式三向力传感器Ⅷ9；天平底座1上开有矩形凹槽10，实现压电式三向力传感器内部走线从天平底座1的一侧引出；为了防止灰尘从矩形凹槽10进入压电式三向力传感器，矩形凹槽10上面开阶梯凹槽11以放置防尘片；天平上盖Ⅰ12和天平上盖Ⅱ13通过双头螺柱14与八个压电式三向力传感器、天平底座1连接即形成两个独立的测力天平：天平Ⅰ15和天平Ⅱ16，天平Ⅰ15和天平Ⅱ16关于Y轴对称，天平内的四个传感器具有稳定的相对位置关系。
本发明的有益效果：对于测试对象几何尺寸大、重量大和气动载荷大的多维力测量的大型天平，采用双天平结构，大大缩小了单天平四压电式三向力传感器矩形布置结构中各压电式三向力传感器之间的距离，避免了单天平引起的天平上盖结构刚性不足问题，对大尺度模型的有效支撑点位由四个增加到八个，支撑刚性增加，同时也提高了测试系统的固有频率；双天平实现了模型的X方向力Fx(阻力)、Y方向力Fy(偏航力)、Z方向力Fz(升力)、俯仰力矩My和偏航力矩Mz的测量，精度和准度都达到了所要求的指标。
附图说明
图1为五分量压电式双天平底座结构示意图。
图2为五分量压电式双天平结构示意图。
图中：1天平底座；2压电式三向力传感器Ⅰ；3压电式三向力传感器Ⅱ；4压电式三向力传感器Ⅲ；5压电式三向力传感器Ⅳ；6压电式三向力传感器Ⅴ；7压电式三向力传感器Ⅵ；8压电式三向力传感器Ⅶ；9压电式三向力传感器Ⅷ；10矩形凹槽；11阶梯凹槽；12天平上盖Ⅰ；13天平上盖Ⅱ；14双头螺柱；15天平Ⅰ；16天平Ⅱ。
具体实施方式
结合技术方案和附图，具体说明其实施方式：一种五分量压电式双天平，天平底座1上开四个矩形长槽，每个矩形长槽安放两个压电式三向力传感器，共安放有八个压电式三向力传感器：压电式三向力传感器Ⅰ2、压电式三向力传感器Ⅱ3、压电式三向力传感器Ⅲ4、压电式三向力传感器Ⅳ5、压电式三向力传感器Ⅴ6、压电式三向力传感器Ⅵ7、压电式三向力传感器Ⅶ8、压电式三向力传感器Ⅷ9；天平底座1上开有矩形凹槽10，是为了实现压电式三向力传感器内部走线从天平底座1的一侧引出；为了防止灰尘从矩形凹槽10进入压电式三向力传感器，矩形凹槽10上面开阶梯凹槽11以放置防尘片；天平上盖Ⅰ12和天平上盖Ⅱ13通过双头螺柱14与八个压电式三向力传感器、天平底座1连接即形成两个独立的测力天平：天平Ⅰ15和天平Ⅱ16，天平Ⅰ15和天平Ⅱ16关于Y轴对称，天平内的四个传感器具有稳定的相对位置关系。
“双天平”测量原理:天平Ⅰ15和天平Ⅱ16组成双天平，双天平与同一个模型连接，对八个压电式三向力传感器约束下的模型进行静力平衡分析，再分别对天平Ⅰ15和天平Ⅱ16进行静力平衡分析，得出模型上所受的三维气动力可由两个天平测得的分量得到。双天平测量方案在原理上能够实现模型三维气动力测量。
虽然本发明以上述较佳的实施例对本发明做出了详细的描述，但并非用上述实施例限定本发明。本领域的技术人员应当意识到在不脱离本发明所给出的技术特征和范围的情况下，对技术所作的增加及本领域一些同样内容的替换，均应属于本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种五分量压电式“双天平”，其特征在于，该五分量压电式“双天平”的天平底座上开四个矩形长槽，每个矩形长槽安放两个压电式三向力传感器，共安放八个压电式三向力传感器：压电式三向力传感器Ⅰ、压电式三向力传感器Ⅱ、压电式三向力传感器Ⅲ、压电式三向力传感器Ⅳ、压电式三向力传感器Ⅴ、压电式三向力传感器Ⅵ、压电式三向力传感器Ⅶ和压电式三向力传感器Ⅷ；天平底座上开有矩形凹槽，实现压电式三向力传感器内部走线从天平底座的一侧引出；为了防止灰尘从矩形凹槽进入压电式三向力传感器，矩形凹槽上面开阶梯凹槽以放置防尘片；天平上盖Ⅰ和天平上盖Ⅱ通过双头螺柱与八个压电式三向力传感器、天平底座连接即形成两个独立的测力天平：天平Ⅰ和天平Ⅱ，天平Ⅰ和天平Ⅱ关于Y轴对称，天平内的四个传感器具有稳定的相对位置关系。
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