CN108254153B - 光纤气动力测量天平温度补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤气动力测量天平温度补偿方法，包括：(1)将光纤应变计安装在光纤气动力测量天平各测量梁对称位置上作为天平感受气动力载荷的敏感元件；(2)对光纤气动力测量天平进行温度校准试验，获得光纤气动力测量天平各测量梁对称位置上感受负应变光纤应变计与感受正应变光纤应变计的温度系数比值；(3)根据获得的温度系数比值，对光纤气动力测量天平各测量梁对称位置两光纤应变计输出信号进行组合减法运算，以扣除因测量梁热应变引起的光纤应变计的热输出；(4)分别对步骤三获得的光纤气动力测量天平各测量元件测量梁对称位置上两光纤应变计的组合关系式求和，获得光纤气动力测量天平各分量扣除测量梁热应变引起的热输出后的输出公式。

Description

光纤气动力测量天平温度补偿方法

技术领域

本发明属于航空航天测力试验技术领域，具体涉及一种光纤气动力测量天平温度补偿方法。

背景技术

风洞是进行空气动力学研究与飞行器研制的最基本的试验设备，模型气动力测量试验是风洞试验中最重要的试验项目，气动力测量天平是模型气动力试验中最基础、最重要的测量设备，用来测量作用在试验模型上的空气动力载荷(力与力矩)的大小、方向与作用点，其性能指标直接影响测力试验数据的精准度。

电阻应变天平是目前国内外各类风洞在气动力测量试验中广泛采用的一种气动力测量天平，发展至今技术已相当成熟，但也存在温度效应严重、不耐电磁干扰等瓶颈问题，制约其测量精准度的进一步提高。光纤气动力测量天平是近几年新发展起来的一种气动力测量天平，它是将光纤应变计安装在气动力测量天平各测量梁上作为天平感受气动力载荷的敏感元件，通过解调仪获取其光谱信号并送入计算机进行处理和运算，获得各光纤应变计对应的相位/波长输出值，并对其相位/波长输出值进行组合来确定光纤气动力测量天平各分量的输出值。光纤应变计具有灵敏度高、响应快、可靠性好、抗电磁干扰、耐腐蚀、能在高温环境中正常工作等优点，是一种理想的传感测试敏感元件。

虽然光纤应变计自身高温特性较好，但由于高超声速风洞模型气动力测量试验时，试验气流总温通常都很高(一般为400K～1000K)，处于流场中的气动力测量天平本体必将被加热，安装在其上的光纤应变计不但感受气动力测量天平受力产生的结构应变，同时也感受气动力测量天平测量梁的热应变。准确扣除气动力测量天平测量梁自身热应变引起的光纤应变计输出值，提高光纤气动力测量天平测力试验数据的精准度，对模型气动力试验技术发展具有非常重要的意义。

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气动力测量天平温度补偿方法，能有效扣除气动力测量天平测量梁自身热应变引起的光纤应变计输出值，提高高温环境下光纤气动力测量天平的测量精准度。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种光纤气动力测量天平温度补偿方法，包括以下步骤：

步骤一、将光纤应变计安装在光纤气动力测量天平各测量梁对称位置上作为光纤气动力测量天平感受气动力载荷的敏感元件；

步骤二、对光纤气动力测量天平进行温度校准试验，获得光纤气动力测量天平各测量梁对称位置上感受负应变光纤应变计与感受正应变光纤应变计的温度系数比值；

步骤三、根据获得的温度系数比值，对光纤气动力测量天平各测量梁对称位置两光纤应变计输出信号进行组合减法运算，以扣除因测量梁热应变引起的光纤应变计的热输出；

步骤四、分别对步骤三获得的光纤气动力测量天平各测量元件测量梁对称位置上两光纤应变计的组合关系式求和，获得光纤气动力测量天平各分量扣除测量梁热应变引起的热输出后的输出公式。

优选的是，步骤一中光纤应变计的安装位置确定方法为：光纤应变计安装在光纤气动力测量天平各气动力测量元件的测量梁对称位置上，以使该两光纤应变计所处的温度场一致。

优选的是，步骤二中光纤气动力测量天平各测量梁对称位置上两光纤应变计的温度系数比值计算方法为：将安装有光纤应变计的光纤气动力测量天平置于高温环境箱进行温度校准试验，记录测量梁对称位置上感受负应变光纤应变计g2与感受正应变光纤应变计g1的输出λ_g2、λ_g1和对应温度T，两光纤应变计g1、g2的输出可表示为：

λ_g1＝β1·(T-T₀)+λ_g10

λ_g2＝β2·(T-T₀)+λ_g20

式中β1、β2分别为两光纤应变计g1、g2的温度系数，T₀为初始温度，λ_g10、λ_g20分别为两光纤应变计g1、g2初始输出值；则两光纤应变计g2、g1的温度系数比值a可表示如下：

优选的是，步骤三中扣除光纤气动力测量天平各测量梁因测量梁热应变引起的光纤应变计的热输出方法为：测量梁对称位置上两光纤应变计的温度系数比值乘以感受正应变光纤应变计输出净值减去感受负应变光纤应变计输出净值；计算公式为：

a·Δλ_g1-Δλ_g2＝(a·k1+k2)·ε

式中a为感受正应变光纤应变计g2与感受负应变光纤应变计g1的温度系数比值，

Δλ_g1、Δλ_g2为两光纤应变计g1、g2的输出净值；k1、k2分别为两光纤应变计g1、g2的应变系数，ε为两光纤应变计g1、g2感受测量梁的力应变值。

优选的是，步骤四中光纤气动力测量天平各分量扣除测量梁热应变引起的热输出后的输出公式：

X_输出＝(a1·Δλ₅-Δλ₆)+(a2·Δλ₇-Δλ₈)

Y_输出＝(n1·Δλ₁-Δλ₂)+(n2·Δλ₄-Δλ₃)

Mz_输出＝(n1·Δλ₁-Δλ₂)+(n3·Δλ₃-Δλ₄)

式中Δλ₁～Δλ₈为第一光纤应变计～第八光纤应变计的输出净值；a1为第五光纤应变计与第六光纤应变计的温度系数比值；a2为第八光纤应变计与第七光纤应变计的温度系数比值；n1为第二光纤应变计与第一光纤应变计的温度系数比值，n2为第三光纤应变计与第四光纤应变计的温度系数比值，n3为第四光纤应变计与第三光纤应变计的温度系数比值；X_输出、Y_输出、Mz_输出分别为光纤气动力测量天平轴向力、法向力、俯仰力矩分量的输出值。

本发明至少包括以下有益效果：

(1)本发明提出的温度补偿方法无需复杂的温度补偿手段，仅需通过温度校准试验获得测量梁对称位置两光纤应变计的温度系数，经过减法运算后，即可有效扣除由测量梁热应变引起的光纤应变计输出值(热输出)。

(2)本发明提出的温度补偿方法补偿效果显著，补偿后可将由测量梁热应变引起的光纤应变计热输出降低99％。

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为本发明所述光纤气动力测量天平的整体结构示意图；

图2为本发明所述光纤气动力测量天平温度补偿方法的光纤应变计安装位置图；

图3为图2中A-A剖面视图；

图4为图2中B-B剖面视图；

图5为图2中C-C剖面视图；

图6为本发明光纤气动力测量天平温度补偿方法的轴向力分量温度补偿方法模型一面的结构图；

图7为本发明光纤气动力测量天平温度补偿方法的轴向力分量温度补偿方法模型另一面的结构图；

图8为图7中结构的局部正面视图；

图9为图8中C-C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。

本发明的一种光纤气动力测量天平温度补偿方法，包括以下步骤：

步骤一、将光纤应变计安装在光纤气动力测量天平各气动力测量元件的测量梁对称位置上作为感受气动力载荷的敏感元件，以使该两光纤应变计所处的温度场一致；

步骤二、将安装有光纤应变计的光纤气动力测量天平置于高温环境箱进行温度校准试验，计算出光纤气动力测量天平各测量梁对称位置上感受负应变光纤应变计与感受正应变光纤应变计的温度系数比值a；具体方法为：

试验时记录测量梁对称位置上感受负应变光纤应变计g2与感受正应变光纤应变计g1的输出λ_g2、λ_g1和对应温度T。由光纤应变计的特性可知，其输出与温度变化量呈线性关系，则两光纤应变计g1、g2的输出可表示为：

λ_g1＝β1·(T-T₀)+λ_g10

λ_g2＝β2·(T-T₀)+λ_g20

式中λ_g10、λ_g20为两光纤应变计g1、g2初始输出值，β1、β2分别为两光纤应变计g1、g2的温度系数，T₀为初始温度，T为试验温度，则两光纤应变计g2与g1的温度系数比值a可表示为：

步骤三、根据获得的温度系数比值，对光纤气动力测量天平各测量梁对称位置两光纤应变计输出信号进行组合减法运算，以扣除因测量梁热应变引起的光纤应变计的热输出；具体方法为：

高超声速风洞模型气动力测量试验时，光纤气动力测量天平测量梁对称位置处于相同的温度场，安装在其上的两个光纤应变计温度T基本一致，且在气动载荷作用下感受的应变大小相等，方向相反；设在气动载荷作用下，光纤应变计g1感受正应变(+ε)，光纤应变计g2感受负应变(-ε)，则在应变和温度的综合作用下，两光纤应变计g1、g2输出净值Δλ_g1、Δλ_g2可表示如下：

Δλ_g1＝k1·ε+β1·ΔT

Δλ_g2＝k2·(-ε)+β2·ΔT

Δλ_g1＝λ_g1-λ_g10

Δλ_g2＝λ_g2-λ_g20

ΔT＝T-T₀

式中k1、k2分别为两光纤应变计g1、g2的应变系数，k1·ε、k2·(-ε)分别为两光纤应变计g1、g2感受测量梁力应变的输出；β1·ΔT、β2·ΔT分别为两光纤应变计g1、g2感受测量梁热应变的输出；ΔT为两光纤应变计感受的环境温度变化量；λ_g1、λ_g2分别为在应变和温度作用下光纤应变计g1、g2的输出值；λ_g10、λ_g20分别为两光纤应变计g1、g2的初始输出值，T₀为两光纤应变计的初始温度。

联合以上几式可得：

a·Δλ_g1-Δλ_g2＝(a·k1+k2)·ε

式中a为两光纤应变计g2与g1的温度系数比值，

由此可以看出：光纤气动力测量天平测量梁对称位置上两光纤应变计的温度系数比值乘以感受正应变光纤应变计输出净值之后与感受负应变光纤应变计输出净值之差仅与两光纤应变计的应变系数、温度系数比值相关，且与感受的应变量成正比。也即本发明主要利用光纤气动力测量天平测量梁对称位置上两光纤应变计温度场变化相同，感受的热应变相同的条件，同时利用两光纤应变计在同一温度场下的热输出有近似的比例关系，且在气动载荷作用下感受的应变大小相等、方向相反的特性，通过减法运算就可消除由测量梁热应变所带来的光纤应变计的热输出。

步骤四、分别对步骤三获得的光纤气动力测量天平各测量元件测量梁对称位置上两光纤应变计的组合关系式求和，获得光纤气动力测量天平各分量扣除测量梁热应变引起的热输出后的输出公式。以三分量光纤气动力测量天平为例，轴向力、法向力和俯仰力矩分量温度补偿后的输出公式为：

X_输出＝(a1·Δλ₅-Δλ₆)+(a2·Δλ₇-Δλ₈)

Y_输出＝(n1·Δλ₁-Δλ₂)+(n2·Δλ₄-Δλ₃)

Mz_输出＝(n1·Δλ₁-Δλ₂)+(n3·Δλ₃-Δλ₄)

式中Δλ₁～Δλ₈为第一光纤应变计～第八光纤应变计的输出净值；a1为第五光纤应变计与第六光纤应变计的温度系数比值；a2为第八光纤应变计与第七光纤应变计的温度系数比值；n1为第二光纤应变计与第一光纤应变计的温度系数比值，n2为第三光纤应变计与第四光纤应变计的温度系数比值，n3为第四光纤应变计与第三光纤应变计的温度系数比值；X_输出、Y_输出、Mz_输出分别为光纤气动力测量天平轴向力、法向力、俯仰力矩分量的输出值。

实施例1：

在本实施例中，光纤气动力测量天平结构采用一种常用的杆式三分量气动力测量天平结构，其外形为圆柱形，包括模型连接端1、轴向力元件3、法向力和俯仰力矩组合元件2和4、支杆5和模型支架连接端6，模型连接端1加工成1:5的锥度与试验模型相连，模型支架连接端6加工成柱面，与模型支架相连，在两端之间设置轴向力元件3、法向力和俯仰力矩组合元件2和4，置于试验模型的内部，用于测量模型气动力/力矩。测量元件后端为支杆，为等直段圆柱形，为了满足刚度要求，在与模型支架连接处设计成圆锥段。为提高光纤气动力测量天平整体刚度和定位安装精度，测量元件与支杆一体化设计加工，由整块材料加工而成。光纤气动力测量天平的测量元件包括轴向力元件、法向力元件和俯仰力矩元件，见图1。

本实施例提供一种光纤气动力测量天平温度补偿方法，包括如下步骤：步骤一、采用高温应变胶或玻璃焊料将光纤应变计对称安装在光纤气动力测量天平各气动力测量元件的测量梁正反两面，作为感受气动力载荷的敏感元件；

步骤二、将安装有光纤应变计的光纤气动力测量天平置于高温环境箱进行温度校准试验，计算出光纤气动力测量天平各测量梁对称位置上感受负应变光纤应变计与感受正应变光纤应变计的温度系数比值；

温度系数比值计算方法如下：以光纤气动力测量天平轴向力元件测量梁15为例，见图6～9。温度校准试验时记录对称位置上两光纤应变计11、12的输出值λ₅、λ₆和对应温度T。由光纤应变计的特性可知，其输出与温度变化量呈线性关系，两光纤应变计11、12的输出可表示为：

λ₅＝β1·(T-T₀)+λ₅₀

λ₆＝β2·(T-T₀)+λ₆₀

式中λ₅₀、λ₆₀为光纤应变计11、12初始输出值，β1、β2分别为两光纤应变计11、12的温度系数，T₀为初始温度，T为试验温度，则感受负应变光纤应变计12与感受正应变光纤应变计11的温度系数比值a1可表示为：

步骤三、根据获得的温度系数比值，对光纤气动力测量天平各测量梁对称位置两光纤应变计输出信号进行组合减法运算，以扣除因测量梁热应变引起的光纤应变计的热输出。具体方法如下：

高超声速风洞模型气动力测量试验时，光纤气动力测量天平测量梁对称位置处于相同的温度场，安装在其上的两个光纤应变计温度T基本一致，且在气动载荷作用下感受的应变大小相等，方向相反。以图6～9的轴向力元件测量梁15为例，在轴向力载荷Fx作用下，安装在其一面的光纤应变计11感受的应变量为+ε，感受到的温度为T，安装在另一面对称位置上的光纤应变计12感受的应变量为-ε，感受到的温度为T。在应变和温度的综合作用下，两光纤应变计11、12输出净值Δλ₅、Δλ₆可表示如下：

Δλ₅＝k1·ε+β1·ΔT

Δλ₆＝k2·(-ε)+β2·ΔT

Δλ₅＝λ₅-λ₅₀

Δλ₆＝λ₆-λ₆₀

ΔT＝T-T₀

式中k1、k2分别为两光纤应变计11、12的应变系数；β1、β2分别为两光纤应变计11、12的温度系数；ΔT为两光纤应变计感受的环境温度变化量；λ₅、λ₆分别为在应变和温度作用下光纤应变计11、12的输出值；λ₅₀、λ₆₀分别为两光纤应变计11、12的初始输出值，T₀为两光纤应变计11、12的初始温度。

联合以上几式可得：a1·Δλ₅-Δλ₆＝(a1·k1+k2)·ε。

式中a1为感受负应变光纤应变计12与感受正应变光纤应变计11的温度系数比值，

由此可以看出：光纤气动力测量天平测量梁对称位置上两光纤应变计的温度系数比值乘以感受正应变光纤应变计输出净值之后与感受负应变光纤应变计输出净值之差仅与两光纤应变计的应变系数、温度系数比值相关，且与感受的应变量成正比。也即本发明主要利用光纤气动力测量天平测量梁对称位置上两光纤应变计温度场变化相同，感受的热应变相同的条件，同时利用两光纤应变计在同一温度场下的热输出有近似的比例关系，且在气动载荷作用下感受的应变大小相等、方向相反的特性，通过减法运算就可消除由测量梁热应变所带来的光纤应变计的热输出。

步骤四、分别对步骤三获得的光纤气动力测量天平各测量元件测量梁对称位置上两光纤应变计的组合关系式求和，获得光纤气动力测量天平各分量扣除测量梁热应变引起的热输出后的输出公式。方法如下：

设光纤气动力测量天平某一测量元件有n根测量梁，对步骤三求出的n根测量梁对称位置上两光纤应变计输出值的组合关系式求和，以此作为该测量分量的输出信号。以图6～9所示的光纤气动力测量天平的轴向力元件为例，有两根测量梁15、16，安装在测量梁15、16正反两面对称位置上的光纤应变计11、12和13、14的温度系数比值分别为a1、a2，在轴向载荷Fx作用下，光纤应变计11、13感受正应变，光纤应变计12、14感受负应变。对步骤三求出的测量梁15对称位置上两光纤应变计11、12输出组合关系式(a1·Δλ₅-Δλ₆)和测量梁16对称位置上两光纤应变计13、14输出组合关系式(a2·Δλ₇-Δλ₈)求和，就可获得轴向力分量扣除测量梁热应变引起的热输出后的输出公式。同理也可获得法向力分量和俯仰力矩分量扣除测量梁热应变引起的热输出后的输出公式。

按照图2～5所示的光纤应变计安装位置，轴向力、法向力和俯仰力矩各分量温度补偿后的输出公式可表示为：

X_输出＝(a1·Δλ₅-Δλ₆)+(a2·Δλ₇-Δλ₈)

Y_输出＝(n1·Δλ₁-Δλ₂)+(n2·Δλ₄-Δλ₃)

Mz_输出＝(n1·Δλ₁-Δλ₂)+(n3·Δλ₃-Δλ₄)

式中Δλ₁～Δλ₈为第一光纤应变计～第八光纤应变计的输出净值；a1为第五光纤应变计与第六光纤应变计的温度系数比值；a2为第八光纤应变计与第七光纤应变计的温度系数比值；分别；n1为第二光纤应变计与第一光纤应变计的温度系数比值，n2为第三光纤应变计与第四光纤应变计的温度系数比值，n3为第四光纤应变计与第三光纤应变计的温度系数比值；X_输出、Y_输出、Mz_输出分别为光纤气动力测量天平轴向力、法向力、俯仰力矩分量的输出值。

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 (1)

1.一种光纤气动力测量天平温度补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、将光纤应变计安装在光纤气动力测量天平各测量梁对称位置上作为光纤气动力测量天平感受气动力载荷的敏感元件；

步骤二、对光纤气动力测量天平进行温度校准试验，获得光纤气动力测量天平各测量梁对称位置上感受负应变光纤应变计与感受正应变光纤应变计的温度系数比值；

步骤三、根据获得的温度系数比值，对光纤气动力测量天平各测量梁对称位置两光纤应变计输出信号进行组合减法运算，以扣除因测量梁热应变引起的光纤应变计的热输出；

步骤四、分别对步骤三获得的光纤气动力测量天平各测量梁对称位置上两光纤应变计的组合关系式求和，获得光纤气动力测量天平各分量扣除测量梁热应变引起的热输出后的输出公式；

步骤一中光纤应变计的安装位置确定方法为：光纤应变计安装在光纤气动力测量天平各气动力测量元件的测量梁对称位置上，以使两光纤应变计所处的温度场一致；

步骤二中光纤气动力测量天平各测量梁对称位置上两光纤应变计的温度系数比值计算方法为：将安装有光纤应变计的光纤气动力测量天平置于高温环境箱进行温度校准试验，记录测量梁对称位置上感受负应变光纤应变计g2与感受正应变光纤应变计g1的输出λ_g2、λ_g1和对应温度T，两光纤应变计g1、g2的输出表示为：

λ_g1＝β1·(T-T₀)+λ_g10

λ_g2＝β2·(T-T₀)+λ_g20

式中β1、β2分别为两光纤应变计g1、g2的温度系数，T₀为初始温度，λ_g10、λ_g20分别为两光纤应变计g1、g2初始输出值；则两光纤应变计g2、g1的温度系数比值a表示如下：

步骤三中扣除光纤气动力测量天平各测量梁因测量梁热应变引起的光纤应变计的热输出方法为：测量梁对称位置上两光纤应变计的温度系数比值乘以感受正应变光纤应变计输出净值减去感受负应变光纤应变计输出净值；计算公式为：

a·Δλ_g1-Δλ_g2＝(a·k1+k2)·ε

式中a为感受正应变光纤应变计g2与感受负应变光纤应变计g1的温度系数比值，

Δλ_g1、Δλ_g2为两光纤应变计g1、g2的输出净值；k1、k2分别为两光纤应变计g1、g2的应变系数，ε为两光纤应变计g1、g2感受测量梁的力应变值；

步骤四中光纤气动力测量天平各分量扣除测量梁热应变引起的热输出后的输出公式：

X_输出＝(a1·Δλ₅-Δλ₆)+(a2·Δλ₇-Δλ₈)

Y_输出＝(n1·Δλ₁-Δλ₂)+(n2·Δλ₄-Δλ₃)

Mz_输出＝(n1·Δλ₁-Δλ₂)+(n3·Δλ₃-Δλ₄)

式中Δλ₁～Δλ₈为第一光纤应变计～第八光纤应变计的输出净值；a1为第五光纤应变计与第六光纤应变计的温度系数比值；a2为第八光纤应变计与第七光纤应变计的温度系数比值；n1为第二光纤应变计与第一光纤应变计的温度系数比值，n2为第三光纤应变计与第四光纤应变计的温度系数比值，n3为第四光纤应变计与第三光纤应变计的温度系数比值；X_输出、Y_输出、Mz_输出分别为光纤气动力测量天平轴向力、法向力、俯仰力矩分量的输出值。

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