CN108195555A - 光纤天平气动力测量系统及测量方法 - Google Patents

光纤天平气动力测量系统及测量方法 Download PDF

Info

Publication number
CN108195555A
CN108195555A CN201810039076.3A CN201810039076A CN108195555A CN 108195555 A CN108195555 A CN 108195555A CN 201810039076 A CN201810039076 A CN 201810039076A CN 108195555 A CN108195555 A CN 108195555A
Authority
CN
China
Prior art keywords
balance
optical fibre
fiber
fibre balance
signal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201810039076.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN108195555B (zh
Inventor
闵夫
杨彦广
戴金雯
冉曾令
钟少龙
邱华诚
李绪国
刘志强
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ultra High Speed Aerodynamics Institute China Aerodynamics Research and Development Center
Original Assignee
Ultra High Speed Aerodynamics Institute China Aerodynamics Research and Development Center
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ultra High Speed Aerodynamics Institute China Aerodynamics Research and Development Center filed Critical Ultra High Speed Aerodynamics Institute China Aerodynamics Research and Development Center
Priority to CN201810039076.3A priority Critical patent/CN108195555B/zh
Publication of CN108195555A publication Critical patent/CN108195555A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN108195555B publication Critical patent/CN108195555B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M9/00—Aerodynamic testing; Arrangements in or on wind tunnels
    • G01M9/06—Measuring arrangements specially adapted for aerodynamic testing
    • G01M9/062—Wind tunnel balances; Holding devices combined with measuring arrangements

Abstract

本发明公开了一种光纤天平气动力测量系统及测量方法，包括：光纤天平气动力测量装置、信号解调仪和数据处理系统，测量方法为：对光纤天平本体各测量梁上的光纤F‑P应变计的输出信号进行组合来确定光纤气动力测量天平各分量的输出；对安装有光纤F‑P应变计的光纤天平本体进行静态性能检测，获得光纤天平各分量的静态性能；对光纤天平本体进行静态校准，获得光纤天平的使用公式；将光纤天平气动力测量装置安装于风洞试验段中，开展风洞模型测力试验，获得作用在风洞试验模型上的空气动力载荷。本发明将风洞天平测力技术与光纤传感技术相结合，有效提高了高温、强电磁、潮湿等恶劣环境下天平的测量精度，满足了航天飞行器的气动力精细测量要求。

Description

光纤天平气动力测量系统及测量方法
技术领域
本发明属于航空航天测力试验技术领域，具体涉及一种风洞试验模型光纤天平气动力测量系统及测量方法。
背景技术
随着我国航天技术的发展，对各种航天飞行器的气动力精细测量提出了越来越高的要求。而高超声速风洞试验时为了防止试验气体发生冷凝，气流总温通常都很高(一般为400K～1000K，高超声速低密度风洞最高可达3100K)，在试验有效时间内(几十秒至几分钟)，天平的环境温度最高可达到200℃～300℃，对传统的电阻应变式天平的输出造成很严重的温度干扰(测量误差会增大几倍甚至十几倍)，直接影响到试验数据的可靠性，要予以修正也很困难。另外电阻应变式天平的输出信号还会受周围电磁场的干扰。为满足航天飞行器的气动力精细测量要求，发展新型气动力天平测量系统及测量方法具有重要意义。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。
本发明的目的在于提供一种光纤天平气动力测量系统及测量方法，有效提高高温、强电磁、潮湿等恶劣环境下天平的测量精度，满足航天飞行器的气动力精细测量要求。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种光纤天平气动力测量系统，包括：
光纤天平气动力测量装置，其包括：光纤天平本体，其各测量梁上安装有光纤应变计；
试验模型，其与所述光纤天平本体的模型连接端相连并通过拉紧螺母拉紧固定；
测力支架，其与所述光纤天平本体的支架连接端相连并通过尾椎拉紧固定；
信号解调仪，其与所述光纤应变计通信连接；
数据处理系统，其与所述信号解调仪通信连接；
其中，所述信号解调仪获取光纤应变计的光谱信号，然后送入数据处理系统进行运算获得各光纤应变计的输出信号，并对各光纤应变计的输出信号进行组合来确定光纤气动力测量天平各分量的输出。
优选的是，所述光纤天平本体的外形为圆柱形，包括模型连接端、组合测量元件、轴向力测量元件、尾支杆和支架连接端；所述模型连接端加工成1:5的锥度与试验模型相连，支架连接端加工成柱面，与测力支架相连，所述组合测量元件和轴向力测量元件设置在模型连接端和尾支杆之间，并置于试验模型的内部，用于测量模型气动力/力矩。
优选的是，所述光纤应变计为光纤F-P应变计。
本发明还提供一种上述的光纤天平气动力测量系统的测量方法，包括以下步骤：
步骤一、对光纤天平本体各测量梁上的光纤F-P应变计的输出信号进行组合来确定光纤气动力测量天平各分量的输出；
步骤二、对安装有光纤F-P应变计的光纤天平本体进行静态性能检测，获得光纤天平各分量的静态性能；所述静态性能检测内容包括零点漂移、蠕变、机械滞后和温度漂移；
步骤三、对光纤天平本体进行静态校准，获得光纤天平的使用公式；
步骤四、将光纤天平气动力测量装置安装于风洞试验段中，开展风洞模型测力试验，获得作用在风洞试验模型上的空气动力载荷。
优选的是，所述步骤一中，对光纤天平本体各测量梁上的光纤F-P应变计的输出信号进行组合的方法为：首先对光纤气动力测量天平各分量测量梁对称位置上感受正应变光纤应变计输出信号与感受负应变光纤应变计输出信号求差值，然后对各差值求和，作为该分量的输出。
优选的是，所述步骤二中，静态性能检测方法为：将各光纤F-P应变计引出信号线与信号解调仪各通道相连，信号解调仪通过USB接口与计算机相连，启动光纤F-P应变计信号解调软件，输入光纤天平各分量光纤应变计输出信号组合公式，记录30分钟内零载荷和有载荷情况下光纤天平各分量的输出值，其最大相对变化量即为对应分量的零点漂移和蠕变；从零载荷开始，分别对光纤天平各分量施加递增载荷至设计载荷，再从设计载荷递减到零载荷，由此得到的相同载荷点各分量输出差值的最大值即为该分量的机械滞后；将光纤天平置于恒温箱中，在光纤天平工作温度范围内进行无载荷情况下的变温测试，记录光纤天平各分量的输出值，其最大相对变化量即为对应分量的温度漂移。
优选的是，所述步骤三中，静态校准方法为：将光纤天平安装于天平校准装置上，安装加载头于光纤天平上，调整光纤天平安装位置及姿态，使得天平坐标轴系与加载系统坐标轴系一致；通过加载头调整加载点位置，使天平的加载中心与设计中心重合；采用高精度砝码对天平各分量精确地施加已知载荷，获得天平各分量输出信号与施加载荷的变化关系。
优选的是，所述步骤四中，将静态校准后的光纤天平本体的模型连接端与试验模型相连，支架连接端与测力支架相连后，安装于风洞试验段中的模型攻角机构上，并将光纤天平各光纤F-P应变计输出信号引出试验段与信号解调仪各通道连接；将信号解调仪与计算机连接，运行光纤F-P应变计解调软件及风洞试验数据处理软件，输入光纤天平各分量校准系数；风洞运行稳定后，模型攻角机构将光纤天平气动力测量装置送进至试验段流场核心区，来自喷管的高超声速气流作用在试验模型上；通过信号解调仪及光纤F-P应变计解调软件进行采集与运算，并根据步骤一中光纤F-P应变计输出信号的组合公式，获得光纤气动力测量天平轴向力、法向力和俯仰力矩分量的输出值；然后根据步骤三中静态校准获得的光纤气动力测量天平使用公式就可以得到作用在飞行器模型上的空气动力载荷。
本发明至少包括以下有益效果：本发明将风洞天平测力技术与光纤传感技术相结合，有效提高了高温、强电磁、潮湿等恶劣环境下天平的测量精度，满足了航天飞行器的气动力精细测量要求。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明：
图1为本发明光纤天平气动力测量装置的结构示意图；
图2为本发明光纤天平本体的结构示意图；
图3为本发明所述光纤F-P应变计结构原理示意图；
图4为本发明所述MEMS光纤应变计结构示意图；
图5为本发明所述基于激光加工的光纤F-P应变计结构示意图；
图6为本发明光纤应变计安装位置结构示意图；
图7为图6中A-A剖面视图；
图8为图6中B-B剖面视图；
图9为图6中C-C剖面视图；
图10为图6中D-D剖面视图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
图1～2示出了本发明的一种光纤天平气动力测量系统，包括：
光纤天平气动力测量装置，其包括：光纤天平本体4，其各测量梁上安装有光纤应变计3；
试验模型2，其与所述光纤天平本体4的模型连接端41相连并通过拉紧螺母1拉紧固定；
测力支架6，其与所述光纤天平本体4的支架连接端46相连并通过尾椎5拉紧固定；
信号解调仪(未示出)，其与所述光纤应变计通信连接；
数据处理系统(未示出)，其与所述信号解调仪通信连接；
其中，所述信号解调仪获取光纤应变计3的光谱信号，然后送入数据处理系统进行运算获得各光纤应变计的输出信号，并对各光纤应变计的输出信号进行组合来确定光纤气动力测量天平各分量的输出。
在上述技术方案中，所述光纤天平本体4的外形为圆柱形，包括模型连接端41、组合测量元件(42，44)、轴向力测量元件43、尾支杆45和支架连接端46；所述模型连接端41加工成1:5的锥度与试验模型2相连，支架连接端46加工成柱面，与测力支架6相连，所述组合测量元件(42，44)和轴向力测量元件43设置在模型连接端41和尾支杆45之间，并置于试验模型的内部，用于测量模型气动力/力矩。
在上述技术方案中，所述光纤应变计采用的是光纤F-P应变计，其特点是F-P腔为热膨胀系数小的空气，从而使光纤F-P应变计的热灵敏度低，输出信号几乎不受温度影响。光纤应变计采用高温应变胶粘贴或玻璃焊料焊接对称安装在天平各测量梁受拉与受压的位置。光纤F-P应变计结构原理示意图如图3所示：光源发出的光在光纤传播过程中遇到第一个反射面50发生部分反射，形成与F-P腔长S无关的参考光束R1，部分透射光继续向前传播，遇到第二个反射面70发生反射，形成与腔长有关的测量光束R2，参考光束R1与测量光束R2在输出端发生干涉，干涉信号随波长和腔长的变化而变化，当入射光波长一定时，干涉信号就是腔长的函数。当应变计承受应变时，引起空气隙60变化从而导致干涉信号的改变。通过测量干涉信号的变化就可以得到腔长的变化量ΔS，从而可以得到需测的应变量。腔长的改变量与所受的应变的关系为：
式中：ε—所感受的应变；
ΔS—腔距变化量，m；
L—传感器的标距，mm。
针对高超声速低密度风洞光纤气动力测量天平光纤F-P应变计主要有两种，一种是基于MEMS芯片的光纤F-P应变计，另一种是基于激光加工的光纤F-P应变计。其中MEMS光纤应变计由SOI(Silicon-On-Insulator)硅片202、玻璃片201和尾纤203组成，SOI硅片与玻璃片通过硅-玻璃阳极键合在一起，尾纤采用高温玻璃焊料焊接封装在SOI硅片圆形孔中，镀有高反膜的玻璃片端面、带圆孔的SOI硅片和尾纤端面共同形成光纤F-P腔，见图4。MEMS光纤F-P应变计尾纤是端面安装了自聚焦透镜的准直扩束光纤，可将光斑平行扩束到直径50μm以上进行光路耦合，可减小因光束发散、角度偏差而造成的信号严重恶化。基于激光加工的光纤F-P应变计由单模光纤204、F-P空气腔205及单模光纤206组成，见图5。它是采用157nm准分子激光微加工系统制作而成：157nm激光在一有高温涂覆层的单模光纤206的端面处刻蚀一约60微米的圆孔，刻蚀深度约40微米，并将将刻蚀后的光纤206端面进行抛光处理，保证端面与轴线的垂直度要求；将端面加工有微孔的单模光纤206与端面切割并抛光处理好的另一单模光纤204用光纤熔接机熔接在一起形成F-P空气腔205，用切割刀将单模光纤204尾纤切断，即制作成激光加工光纤F-P应变计，S为F-P腔的腔长，两粘结点之间的距离L为应变计的标距。
信号解调仪是用来解调和采集光纤F-P应变计的输出信号，并传输给计算机进行处理的装置。针对高超声速低密度风洞光纤气动力测量天平光纤F-P应变计种类不同而采用不同的信号解调仪：MEMS光纤F-P应变计采用波长信号解调仪进行解调和采集，激光加工光纤F-P应变计采用相位信号解调仪进行解调和采集。
波长信号解调仪采用基于可调谐光纤F-P滤波器的波长扫描查询法实现对MEMS光纤F-P应变计的高精度、高速信号解调和采集。波长解调仪由扫描激光器、光分路器、高速光电转换板和多通道高速信号采集板组成。其解调原理为：扫描激光器将入射的宽带光源转换为周期性波长扫描的窄带光信号，借助光分路器分别送出给光学多波长基准源和各传感测量通道。进入各传感通道的窄带光信号实现对各通道的波长扫描查询，然后由各传感通道连接的MEMS光纤F-P应变计将光谱信号反射回光电转换板。进入到多波长基准源的窄带光信号，产生多个等间隔且具有确定波长值的光谱透射峰，并输送至光电转换板。程控信号源输出同步时钟给高速信号采集板，实现对多个MEMS光纤F-P应变计及多波长基准源通道的光电转换信号同步、周期性采集。高速采集板将采集到的电信号通过USB接口，传输给数据处理系统，由数据处理软件对电信号进行分析求解，得到峰值点波长的数值。
相位信号解调仪是基于CZT白光干涉变换方法来实现对激光加工光纤F-P应变计的信号解调和采集。相位解调仪主要由宽带光源、环形器、分路光开光、光谱仪模块等组成，其解调采集原理为：宽带光源发出的光经环形器和高速切换的1×N光开关后，通过电脑控制切换光开关分时将各通道光信号传入各光纤F-P应变计中，通过光纤F-P应变计的反射光信号再返回上述环形器的另一端，被光谱仪模块获取。同时该光谱仪模块将获取的光谱数据通过USB接口传入到计算机中，通过解调软件对信号进行解调。
数据处理系统包括计算机硬件和光纤F-P应变计信号解调软件。光纤F-P应变计信号解调软件有两种，一种是对应MEMS光纤F-P应变计的波长信号解调软件，一种是对应激光加工光纤F-P应变计的相位信号解调软件。
对于MEMS光纤F-P应变计的波长信号解调软件：波长信号解调软件连续接收波长信号解调仪的实时数据，然后计算各通道MEMS光纤F-P应变计的透射峰与标准具最相邻的透射峰之间的时间差，再结合可调谐光纤F-P滤波器的波长——时间扫描速率，计算出各MEMS光纤F-P应变计透射峰相对于多波长基准源通道最相邻的透射峰之间的波长值偏移，由于多波长基准源通道所有的透射峰的波长值是事先已精确测定的，所以就可以计算出每一个通道对应的MEMS光纤F-P应变计的准确波长测量值。对各通道光纤F-P应变计波长输出信号按照事先确定的方式进行组合，获得光纤气动力测量天平各分量的输出。
对于激光加工光纤F-P应变计的相位信号解调软件：相位信号解调仪中光谱仪模块将获取的光谱数据通过USB接口传入到计算机中，相位信号解调软件将接收到的光谱数据进行线性调频Z变换(Chirp-Z Transform，CZT)，变成CZT谱图，通过监测CZT谱中峰值来解调出相位谱，从而获得各激光加工光纤F-P应变计相位值，并对各通道激光加工光纤F-P应变计相位输出信号按照事先确定的方式进行组合，获得光纤气动力测量天平各分量的输出。
实施例1：
一种上述的光纤天平气动力测量系统的测量方法，包括以下步骤：
步骤一、对光纤天平本体各测量梁上的光纤F-P应变计的输出信号进行组合来确定光纤气动力测量天平各分量的输出；
为了确定光纤天平各分量的输出，需对各光纤F-P应变计的输出信号进行组合，组合方法为：首先对光纤气动力测量天平各分量测量梁对称位置上感受正应变光纤应变计输出信号与感受负应变光纤应变计输出信号求差值，然后对各差值求和，作为该分量的输出，
以三分量光纤天平的轴向分量为例，见图6～10，其有两根测量梁n1、n2，安装在测量梁n1和n2正反两面对称位置上的四对光纤应变计11和12、13和14、15和16、17和18在轴向载荷Fx作用下，光纤应变计11、14、15、18感受正应变，光纤应变计12、13、16、17感受负应变。首先对测量梁n1、n2对称位置上感受正应变光纤应变计输出信号与感受负应变光纤应变计输出信号求差值(Δλ11-Δλ12)、(Δλ14-Δλ13)、(Δλ15-Δλ16)、(Δλ18-Δλ17)，然后对各差值求和，即为光纤天平轴向分量的输出X输出＝(Δλ11-Δλ12)+(Δλ14-Δλ13)+(Δλ15-Δλ16)+(Δλ18-Δλ17)。同理可得光纤天平其它各分量的输出。按照图4所示的三分量光纤天平光纤应变计安装位置，可采取如下公式获得轴向力、法向力和俯仰力矩各分量的输出。
X输出＝(Δλ11-Δλ12)+(Δλ14-Δλ13)+(Δλ15-Δλ16)+(Δλ18-Δλ17)
Y输出＝(Δλ7-Δλ8)+(Δλ10-Δλ9)
Mz输出＝(Δλ7-Δλ8)+(Δλ9-Δλ10)
式中Δλ7～Δλ18为光纤F-P应变计7～18的输出信号，X输出、Y输出、Mz输出分别为轴向、法向和俯仰力矩分量的输出。
步骤二、对安装有光纤F-P应变计的光纤天平本体进行静态性能检测，获得光纤天平各分量的静态性能；所述静态性能检测内容包括零点漂移、蠕变、机械滞后和温度漂移；
光纤天平静态性能检测方法为：
将各光纤F-P应变计引出信号线与信号解调仪各通道相连，信号解调仪通过USB接口与计算机相连，启动光纤F-P应变计信号解调软件，输入光纤天平各分量光纤应变计输出信号组合公式，记录30分钟内零载荷和有载荷情况下光纤天平各分量的输出值，其最大相对变化量即为对应分量的零点漂移和蠕变；从零载荷开始，分别对光纤天平各分量施加递增载荷至设计载荷，再从设计载荷递减到零载荷，由此得到的相同载荷点各分量输出差值的最大值即为该分量的机械滞后；将光纤天平置于恒温箱中，在光纤天平工作温度范围内进行无载荷情况下的变温测试，记录光纤天平各分量的输出值，其最大相对变化量即为对应分量的温度漂移；
步骤三、对光纤天平本体进行静态校准，获得光纤天平的使用公式；
光纤天平气动力测量系统在开展飞行器模型测力试验之前，需先对光纤天平进行静态校准，获得其使用公式。静态校准方法如下：将光纤天平安装于专用天平校准装置上，安装加载头于光纤天平上，调整光纤天平安装位置及姿态，使得天平坐标轴系与加载系统坐标轴系一致。通过加载头调整加载点位置，尽可能使天平的加载中心与设计中心重合，以减小力对力矩的干扰量。采用高精度砝码(精度等级不低于JJG99-2006中M2等级)对天平各分量精确地施加已知载荷，获得天平各分量输出信号与施加载荷的变化关系，以便在风洞试验时根据光纤气动力测量天平各分量的输出值，求出作用在风洞试验模型上的空气动力载荷。
以三分量光纤天平为例，若只考虑一次线性干扰项，则其校准公式(使用公式)为：
Fx测＝Kxx·X输出+KXY·FY+KXMz·FMz
Fy测＝KYY·Y输出+KYX·FX+KYMz·FMz
FMZ测＝KMzMz·Mz输出+KMzX·FX+KMzY·FY
式中：Fx测、Fy测、FMz测——风洞模型测力试验需测的模型轴向力、法向力和俯仰力矩，N，N.m；
Fx、Fy、FMz——施加的已知载荷，N，N.m；
X输出、Y输出、Mz输出——分别为轴向力、法向力和俯仰力矩分量的输出值，nm或rad；
KXX、KXY、KXMz、KYY、KYX、KYMz、KMzMz、KMzX、KMzY——光纤气动力测量天平轴向力、法向力和俯仰力矩分量的主系数和线性干扰系数，光纤气动力测量天平静态校准时通过施加的已知载荷和输出信号可以求出各系数。
步骤四、将光纤天平气动力测量装置安装于风洞试验段中，开展风洞模型测力试验，获得作用在风洞试验模型上的空气动力载荷；
具体测量方法为：将静态校准后的光纤天平模型连接端与试验模型相连，支架连接端与测力支架相连后，安装于风洞试验段中的模型攻角机构上，并将光纤天平各光纤F-P应变计输出信号引出试验段与信号解调仪各通道连接；将信号解调仪与计算机连接，运行光纤F-P应变计解调软件及风洞试验数据处理软件，输入光纤天平各分量校准系数。风洞运行稳定后，模型攻角机构将光纤天平气动力测量装置送进至试验段流场核心区，来自喷管的高超声速气流作用在试验模型上，传到与其相连的光纤天平各分量测量梁上，测量梁在空气动力载荷作用下产生应变，其应变与空气动力载荷大小成正比。安装在测量梁上的光纤F-P应变计也同时产生应变，使其F-P腔腔距发生变化，从而引起光纤F-P应变计的相位或波长发生变化，变化量与光纤气动力测量天平所承受的空气动力载荷值成正比。通过信号解调仪及光纤F-P应变计解调软件进行采集与运算，并根据步骤一中光纤F-P应变计输出信号的组合公式，获得光纤气动力测量天平轴向力、法向力和俯仰力矩分量的输出值。然后根据步骤三中静态校准获得的光纤气动力测量天平使用公式就可以得到作用在飞行器模型上的空气动力载荷Fx测、Fy测、FMz测。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (8)

1.一种光纤天平气动力测量系统，其特征在于，包括：
光纤天平气动力测量装置，其包括：光纤天平本体，其各测量梁上安装有光纤应变计；
试验模型，其与所述光纤天平本体的模型连接端相连并通过拉紧螺母拉紧固定；
测力支架，其与所述光纤天平本体的支架连接端相连并通过尾椎拉紧固定；
信号解调仪，其与所述光纤应变计通信连接；
数据处理系统，其与所述信号解调仪通信连接；
其中，所述信号解调仪获取光纤应变计的光谱信号，然后送入数据处理系统进行运算获得各光纤应变计的输出信号，并对各光纤应变计的输出信号进行组合来确定光纤气动力测量天平各分量的输出。
2.如权利要求1所述的光纤天平气动力测量系统，其特征在于，所述光纤天平本体的外形为圆柱形，包括模型连接端、组合测量元件、轴向力测量元件、尾支杆和支架连接端；所述模型连接端加工成1:5的锥度与试验模型相连，支架连接端加工成柱面，与测力支架相连，所述组合测量元件和轴向力测量元件设置在模型连接端和尾支杆之间，并置于试验模型的内部，用于测量模型气动力/力矩。
3.如权利要求2所述的光纤天平气动力测量系统，其特征在于，所述光纤应变计为光纤F-P应变计。
4.一种如权利要求3所述的光纤天平气动力测量系统的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、对光纤天平本体各测量梁上的光纤F-P应变计的输出信号进行组合来确定光纤气动力测量天平各分量的输出；
步骤二、对安装有光纤F-P应变计的光纤天平本体进行静态性能检测，获得光纤天平各分量的静态性能；所述静态性能检测内容包括零点漂移、蠕变、机械滞后和温度漂移；
步骤三、对光纤天平本体进行静态校准，获得光纤天平的使用公式；
步骤四、将光纤天平气动力测量装置安装于风洞试验段中，开展风洞模型测力试验，获得作用在风洞试验模型上的空气动力载荷。
5.如权利要求4所述的光纤天平气动力测量系统的测量方法，其特征在于，所述步骤一中，对光纤天平本体各测量梁上的光纤F-P应变计的输出信号进行组合的方法为：首先对光纤气动力测量天平各分量测量梁对称位置上感受正应变光纤应变计输出信号与感受负应变光纤应变计输出信号求差值，然后对各差值求和，作为该分量的输出。
6.如权利要求5所述的光纤天平气动力测量系统的测量方法，其特征在于，所述步骤二中，静态性能检测方法为：将各光纤F-P应变计引出信号线与信号解调仪各通道相连，信号解调仪通过USB接口与计算机相连，启动光纤F-P应变计信号解调软件，输入光纤天平各分量光纤应变计输出信号组合公式，记录30分钟内零载荷和有载荷情况下光纤天平各分量的输出值，其最大相对变化量即为对应分量的零点漂移和蠕变；从零载荷开始，分别对光纤天平各分量施加递增载荷至设计载荷，再从设计载荷递减到零载荷，由此得到的相同载荷点各分量输出差值的最大值即为该分量的机械滞后；将光纤天平置于恒温箱中，在光纤天平工作温度范围内进行无载荷情况下的变温测试，记录光纤天平各分量的输出值，其最大相对变化量即为对应分量的温度漂移。
7.如权利要求5所述的光纤天平气动力测量系统的测量方法，其特征在于，所述步骤三中，静态校准方法为：将光纤天平安装于天平校准装置上，安装加载头于光纤天平上，调整光纤天平安装位置及姿态，使得天平坐标轴系与加载系统坐标轴系一致；通过加载头调整加载点位置，使天平的加载中心与设计中心重合；采用高精度砝码对天平各分量精确地施加已知载荷，获得天平各分量输出信号与施加载荷的变化关系。
8.如权利要求5所述的光纤天平气动力测量系统的测量方法，其特征在于，所述步骤四中，将静态校准后的光纤天平本体的模型连接端与试验模型相连，支架连接端与测力支架相连后，安装于风洞试验段中的模型攻角机构上，并将光纤天平各光纤F-P应变计输出信号引出试验段与信号解调仪各通道连接；将信号解调仪与计算机连接，运行光纤F-P应变计解调软件及风洞试验数据处理软件，输入光纤天平各分量校准系数；风洞运行稳定后，模型攻角机构将光纤天平气动力测量装置送进至试验段流场核心区，来自喷管的高超声速气流作用在试验模型上；通过信号解调仪及光纤F-P应变计解调软件进行采集与运算，并根据步骤一中光纤F-P应变计输出信号的组合公式，获得光纤气动力测量天平轴向力、法向力和俯仰力矩分量的输出值；然后根据步骤三中静态校准获得的光纤气动力测量天平使用公式就可以得到作用在飞行器模型上的空气动力载荷。
CN201810039076.3A 2018-01-16 2018-01-16 光纤天平气动力测量系统及测量方法 Active CN108195555B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810039076.3A CN108195555B (zh) 2018-01-16 2018-01-16 光纤天平气动力测量系统及测量方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810039076.3A CN108195555B (zh) 2018-01-16 2018-01-16 光纤天平气动力测量系统及测量方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN108195555A true CN108195555A (zh) 2018-06-22
CN108195555B CN108195555B (zh) 2019-09-24

Family

ID=62589198

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810039076.3A Active CN108195555B (zh) 2018-01-16 2018-01-16 光纤天平气动力测量系统及测量方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108195555B (zh)

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109000879A (zh) * 2018-06-27 2018-12-14 中国空气动力研究与发展中心高速空气动力研究所 一种风洞天平温度漂移修正方法
CN109781376A (zh) * 2019-03-07 2019-05-21 西北工业大学 一种五分量杆式光纤天平
CN110207938A (zh) * 2019-06-14 2019-09-06 北京空天技术研究所 自由射流风洞试验条件下的通气模型测力方法
CN111649908A (zh) * 2020-06-16 2020-09-11 中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所 一种基于小波重构的天平动态特性补偿方法及装置
CN112461494A (zh) * 2020-11-09 2021-03-09 中国空气动力研究与发展中心 一种脉冲燃烧风洞模型支架-天平一体化测力装置
CN112629638A (zh) * 2020-12-03 2021-04-09 中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所 一种三分量光纤天平校准数据处理方法
CN113504025A (zh) * 2021-09-13 2021-10-15 中国航天空气动力技术研究院 一种大迎角低频结构风洞动载荷测试方法
CN113670566A (zh) * 2021-08-20 2021-11-19 中国航天空气动力技术研究院 一种基于风洞磁悬浮天平的脉动力测量方法
CN114323547A (zh) * 2022-03-14 2022-04-12 中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所 一种风洞试验气动载荷测量装置及方法
CN114383805A (zh) * 2022-03-23 2022-04-22 中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所 一种放电减阻设备的测量系统及测量方法
CN117147093A (zh) * 2023-10-30 2023-12-01 中国航空工业集团公司沈阳空气动力研究所 一种低声爆超声速民机声爆特征风洞试验测量装置

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101806654A (zh) * 2010-05-07 2010-08-18 沈阳航空航天大学 光纤光栅五分量测力天平及测量方法
CN105241630A (zh) * 2015-10-29 2016-01-13 中国科学院力学研究所 应用于激波风洞测力试验的脉冲型杆式应变天平
CN106053010A (zh) * 2016-07-14 2016-10-26 西北工业大学 多分量光纤天平及其测量方法
CN106840590A (zh) * 2016-12-21 2017-06-13 中国航天空气动力技术研究院 一种小型化大载荷一体式五分量动态俯仰天平

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101806654A (zh) * 2010-05-07 2010-08-18 沈阳航空航天大学 光纤光栅五分量测力天平及测量方法
CN105241630A (zh) * 2015-10-29 2016-01-13 中国科学院力学研究所 应用于激波风洞测力试验的脉冲型杆式应变天平
CN106053010A (zh) * 2016-07-14 2016-10-26 西北工业大学 多分量光纤天平及其测量方法
CN106840590A (zh) * 2016-12-21 2017-06-13 中国航天空气动力技术研究院 一种小型化大载荷一体式五分量动态俯仰天平

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
闵夫: "光纤Fabry-Perot应变计在风洞天平上的应用研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅱ辑》 *

Cited By (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109000879A (zh) * 2018-06-27 2018-12-14 中国空气动力研究与发展中心高速空气动力研究所 一种风洞天平温度漂移修正方法
CN109781376A (zh) * 2019-03-07 2019-05-21 西北工业大学 一种五分量杆式光纤天平
CN110207938A (zh) * 2019-06-14 2019-09-06 北京空天技术研究所 自由射流风洞试验条件下的通气模型测力方法
CN111649908A (zh) * 2020-06-16 2020-09-11 中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所 一种基于小波重构的天平动态特性补偿方法及装置
CN112461494A (zh) * 2020-11-09 2021-03-09 中国空气动力研究与发展中心 一种脉冲燃烧风洞模型支架-天平一体化测力装置
CN112629638A (zh) * 2020-12-03 2021-04-09 中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所 一种三分量光纤天平校准数据处理方法
CN113670566B (zh) * 2021-08-20 2024-02-09 中国航天空气动力技术研究院 一种基于风洞磁悬浮天平的脉动力测量方法
CN113670566A (zh) * 2021-08-20 2021-11-19 中国航天空气动力技术研究院 一种基于风洞磁悬浮天平的脉动力测量方法
CN113504025A (zh) * 2021-09-13 2021-10-15 中国航天空气动力技术研究院 一种大迎角低频结构风洞动载荷测试方法
CN114323547A (zh) * 2022-03-14 2022-04-12 中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所 一种风洞试验气动载荷测量装置及方法
CN114383805A (zh) * 2022-03-23 2022-04-22 中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所 一种放电减阻设备的测量系统及测量方法
CN114383805B (zh) * 2022-03-23 2022-05-31 中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所 一种放电减阻设备的测量系统及测量方法
CN117147093A (zh) * 2023-10-30 2023-12-01 中国航空工业集团公司沈阳空气动力研究所 一种低声爆超声速民机声爆特征风洞试验测量装置
CN117147093B (zh) * 2023-10-30 2024-01-23 中国航空工业集团公司沈阳空气动力研究所 一种低声爆超声速民机声爆特征风洞试验测量装置

Also Published As

Publication number Publication date
CN108195555B (zh) 2019-09-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108195555B (zh) 光纤天平气动力测量系统及测量方法
US6513390B1 (en) Temperature insensitive fiber-optic torque and strain sensor
US6496265B1 (en) Fiber optic sensors and methods therefor
CN105115438B (zh) 一种光纤传感系统温度补偿方法
CN104501729B (zh) 一种基于mems工艺的光纤f-p应变计及成型方法
Liu et al. Fiber Bragg grating based displacement sensors: State of the art and trends
CN103697954A (zh) 一种微腔干涉流速压差敏感结构及微腔干涉光纤流速流量传感器
CN104596435A (zh) 一种基于mems工艺的腔长可调光纤f-p应变计及成型方法
EP1405043B1 (en) Differential measurement system based on the use of pairs of bragg gratings
CN108225720A (zh) 光纤气动力测量天平及光纤应变计安装方法
CN207675408U (zh) 应用于高超声速低密度风洞的光纤气动力测量天平
CN103575332B (zh) 一种多维多向应力应变监测系统
CN112747848A (zh) 基于柔性聚合物波导的压力传感器
CN108254153A (zh) 光纤气动力测量天平温度补偿方法
Li et al. Deflection monitoring of thin-walled wing spar subjected to bending load using multi-element FBG sensors
Qiu et al. Fiber optic sensing technologies potentially applicable for hypersonic wind tunnel harsh environments
CN103697921A (zh) 一种光纤传感头和基于该传感头的测量应变、应力和压力的光纤传感系统及方法
CN109708586A (zh) 一种光纤布拉格光栅应变传感器的封装方法
CN113532307A (zh) 基于Michelson光纤干涉仪的大范围应变传感器
CN110806274B (zh) 基于多纵模自混合效应的应变传感测量装置及方法
CN106526231A (zh) 基于相移光栅光纤激光器的加速度测定探测头及装置
CN113494890B (zh) 基于fpi干涉仪的光纤光栅应变传感器精度测量装置及方法
CN109612401A (zh) 一种温度解耦大量程应变传感器的制备
Liu et al. Wireless fiber optic sensor system for strain and pressure measurements on a rotor blade
CN100402975C (zh) 一种用于应变测量的干涉型光纤传感器

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
CB03 Change of inventor or designer information
CB03 Change of inventor or designer information

Inventor after: Yang Yanguang

Inventor after: Min Fu

Inventor after: Dai Jinwen

Inventor after: Ran Zengling

Inventor after: Zhong Shaolong

Inventor after: Qiu Huacheng

Inventor after: Li Xuguo

Inventor after: Liu Zhiqiang

Inventor before: Min Fu

Inventor before: Yang Yanguang

Inventor before: Dai Jinwen

Inventor before: Ran Zengling

Inventor before: Zhong Shaolong

Inventor before: Qiu Huacheng

Inventor before: Li Xuguo

Inventor before: Liu Zhiqiang