CN108593058B - 空气阻力测试天平 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种空气阻力测试天平，包括：2N个双孔梁传感器，以及上板；2N个双孔梁传感器配置在上板的下方，并与上板固定连接；每个双孔梁传感器包括梁部、上孔和下孔，上孔和下孔沿梁部的纵向配置，上孔配置在梁部的上部，下孔配置在梁部的下部。

Description

空气阻力测试天平

技术领域

本公开涉及一种测量装置，尤其涉及一种空气阻力测试天平。

背景技术

在测量平板摩擦力的装置中，一般将试件放置于与风洞管道平齐的 有气流流动的风洞中，利用应变片测得试件的应变从而测得试件表面的 摩擦力。一般的阻力天平是如图1所示的这种单支点的应变阻力天平。 但是，这种天平在测得试件的表面的摩擦力的同时还会测得压差力以及 压差力的力矩。而压差力在z方向上是不均匀的，所以其力臂是随着整 个z方向变化的。同时，还存在着沿z方向的力产生的力矩。这么多的 力使力的测量增加了难度，特别是压差力的力矩不明确和存在z向的力 矩产生的应变。下式为单支点天平受力表达式:

发明内容

为了解决上述技术问题，测量沿流向的阻力，本公开设计了双孔梁 式的测力传感器，可以利用双孔梁的结构特点消除z向的力矩和由于压 差力力臂不确定带来的测量不确定性，从而使传感器只测量到沿流向的 力，从而增加天平的精确性。本公开的空气阻力测试天平通过以下技术 方案实现。

一方面，本公开提供一种空气阻力测试天平，包括：2N个双孔梁 传感器，以及上板；N为正整数；

2N个所述双孔梁传感器配置在上板的下方，并与上板固定连接；

每个所述双孔梁传感器包括梁部、上孔和下孔，所述上孔和所述 下孔沿所述梁部的纵向配置，所述上孔配置在所述梁部的上部，所述 下孔配置在所述梁部的下部。

根据本公开的至少一个实施方式，所述双孔梁传感器还包括第一 应变片、第二应变片、第三应变片和第四应变片；所述第一应变片和 所述第三应变片配置在所述梁部的下部外侧，所述第一应变片和所述 第三应变片关于所述下孔对称配置；所述第二应变片和所述第四应变 片配置在所述梁部的上部外侧，所述第二应变片和所述第四应变片关 于所述上孔对称配置。

根据本公开的至少一个实施方式，所述梁部为长方体形状。

根据本公开的至少一个实施方式，所述上孔和所述下孔均为圆形 孔。

根据本公开的至少一个实施方式，所述梁部的上端与所述上板固 定连接。

根据本公开的至少一个实施方式，2N个所述双孔梁传感器呈矩形 分布在所述上板的下方。

根据本公开的至少一个实施方式，所述上板为矩形平板，2N个所 述双孔梁传感器分别配置在靠近所述矩形平板的四角的位置。

根据本公开的至少一个实施方式，还包括下板，所述下板用于将 2N个所述双孔梁传感器的梁部的下部固定。

根据本公开的至少一个实施方式，每个所述双孔梁传感器的上孔 和下孔沿所述梁部的纵向连通。

另一方面，本公开提供一种使用上述的空气阻力测试天平对所述 上板的上表面的摩擦力进行测量的方法，包括以下步骤，

1)对所述上板进行原始受力分析，上板原始受力为：切向摩擦力 F_τ，力臂未知的压差力F(Z)_Δp和z方向的力F_p；

2)对步骤1)中的上板的原始受力进行简化，将整个流向上所述上 板受到的总的力大小平移到上板的底部，简化为：整个流向上所述上板 受到的总的力大小平移到上板底部后受到的力的大小F，力的平移引起的 力偶矩M，以及z方向的重力G；

3)对每个所述双孔梁传感器，其读数应变为：ε_d＝ε₁-ε₂-ε₃+ε₄，其中ε₁～ε₄分别为第一应变片、第二应变片、第三应变片和第四应变片 的应变大小；第一应变片、第二应变片、第三应变片和第四应变片的应 变大小分别为：

其中，E为双孔梁的杨氏模量，W为双孔梁的抗弯截面系数，ε_G为 重力G在应变片处产生的应变，L₁为上板的底部到双孔梁的上孔的中心 的距离，L₂为上板的底部到双孔梁的下孔的中心的距离；

4)每个双孔梁传感器的读数应变为：根据读数 应变ε_d，得到上板的上表面受到的摩擦力F。

上述技术方案中的“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅是为了标识， 并不限定相关部件的结构。

附图说明

附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本 公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且 附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。

图1是现有技术中的单支点天平的受力分析示意图。

图2是本公开至少一个实施方式的空气阻力测试天平的受力化简示 意图。

图3是本公开至少一个实施方式的空气阻力天平的双孔梁传感器的 结构示意图。

图4是本公开至少一个实施方式的空气阻力天平的整体结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本公开作进一步的详细说明。可以理解的 是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关内容，而非对本公开的限 定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相 关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中 的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本公开。

如图2-4所示，空气阻力测试天平，包括：4个双孔梁传感器(传 感器的数目优选2个、4个或6个)，以及上板；4个双孔梁传感器配 置在上板的下方，并与上板固定连接；每个双孔梁传感器包括梁部、 上孔和下孔，上孔和下孔沿梁部的纵向配置，上孔配置在梁部的上部， 下孔配置在梁部的下部。双孔梁传感器包括第一应变片、第二应变片、 第三应变片和第四应变片；第一应变片和第三应变片配置在梁部的下 部外侧，第一应变片和第三应变片关于下孔对称配置；第二应变片和 第四应变片配置在梁部的上部外侧，第二应变片和第四应变片关于上 孔对称配置。梁部为长方体形状。上孔和下孔均为圆形孔。梁部的上 端与上板固定连接。4个双孔梁传感器呈矩形分布在上板的下方。上 板为矩形平板，4个双孔梁传感器分别配置在靠近矩形平板的四角的 位置。空气阻力测试天平还包括下板，下板用于将4个双孔梁传感器 的梁部的下部固定。每个双孔梁传感器的上孔和下孔沿梁部的纵向连通。

本实施方式的使用空气阻力测试天平对上板的上表面的摩擦力进 行测量的方法，包括以下步骤，

1)对上板进行原始受力分析，上板原始受力为：切向摩擦力F_τ， 力臂未知的压差力F(Z)_Δp和z方向的力F_p；

2)对步骤1)中的上板的原始受力进行简化，将整个流向上上板受 到的总的力大小平移到上板的底部，简化为：整个流向上上板受到的总 的力大小平移到上板底部后受到的力的大小F，力的平移引起的力偶矩M， 以及z方向的重力G；

3)对每个双孔梁传感器，其读数应变为：ε_d＝ε₁-ε₂-ε₃+ε₄，其中ε₁～ε₄分别为第一应变片、第二应变片、第三应变片和第四应变片 的应变大小；第一应变片、第二应变片、第三应变片和第四应变片的应 变大小分别为：

其中，E为双孔梁的杨氏模量，W为双孔梁的抗弯截面系数，ε_G为 重力G在应变片处产生的应变，L₁为上板的底部到双孔梁的上孔的中心 的距离，L₂为上板的底部到双孔梁的下孔的中心的距离；

4)每个双孔梁传感器的读数应变为：根据读数 应变ε_d，得到上板的上表面受到的摩擦力F。

更详细的，下面描述本公开的空气阻力测试天平的工作原理。

如图2所示，试件(即上板)原始受力为切向摩擦力F_τ，力臂未知 的压差力F(Z)_Δp和z方向的力F_p。将这些力化简后得到的力为：水平方向 的力F，z方向的力G和力矩M。那么对一个单一的双孔梁传感器，其读 数应变为：

其中，U₀为传感器测得的电压，U_AC传感器供电电压，K为应变片灵 敏系数，ε₁～ε₄分别为应变片R1～R4受到的应变大小，ε_d称为读数应变， 即应变仪上的显示的数字。对于每一个应变片所受到的力与力矩产生的 应变有：

其中F为整个流向上试件受到的总的力大小平移到试件底部受到的 力的大小，M为力的平移引起的力偶矩，E与W分别为双孔梁的杨氏模 量和抗弯截面系数，ε_G为重力G在应变片处产生的应变，L₁与L₂分别为 试件底部到双孔弹性梁最小截面处(即上孔和下孔的中心)的距离。进 而，读数应变为：

这样得到的应变只是由沿流向方向上的力产生，刚好消除了重力G 和力偶矩M，只剩下需要测得的沿流向的力F。从而可以不必考虑z向 的力G和压差力F(Z)_Δp的力臂未知问题。

空气阻力测试天平可以整体配置在风洞的凹室内，来测量上板受 到的空气阻力(即上板的上表面的摩擦力)。

每个双孔梁传感器均能获得上板的上表面的摩擦力F的大小，可选 的，为了测量的准确，可以例如对上述4个双孔梁传感器获得的上板的 上表面的摩擦力F的大小取平均值来作为测量结果。

本公开的空气阻力测试天平解决了阻力天平在测试时对于z向力产 生的应变的干扰问题和端壁的压差力力矩未知的问题，从而直接测量得 到沿流向的力，提高测量的精度。

本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明 本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员 而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化 或变型仍处于本公开的范围内。

Claims (9)

1.空气阻力测试天平，其特征在于，包括：2N个双孔梁传感器，以及上板；N为正整数；

2N个所述双孔梁传感器配置在上板的下方，并与上板固定连接；

每个所述双孔梁传感器包括梁部、上孔和下孔，所述上孔和所述下孔沿所述梁部的纵向配置，所述上孔配置在所述梁部的上部，所述下孔配置在所述梁部的下部；

所述双孔梁传感器还包括第一应变片、第二应变片、第三应变片和第四应变片；所述第一应变片和所述第三应变片配置在所述梁部的下部外侧，所述第一应变片和所述第三应变片关于所述下孔对称配置；所述第二应变片和所述第四应变片配置在所述梁部的上部外侧，所述第二应变片和所述第四应变片关于所述上孔对称配置；以及

所述双孔梁传感器的读数应变为：ε_d＝ε₁-ε₂-ε₃+ε₄，其中ε₁～ε₄分别为第一应变片、第二应变片、第三应变片和第四应变片的应变。

2.根据权利要求1所述的空气阻力测试天平，其特征在于，

所述梁部为长方体形状。

3.根据权利要求1所述的空气阻力测试天平，其特征在于，

所述上孔和所述下孔均为圆形孔。

4.根据权利要求1所述的空气阻力测试天平，其特征在于，

所述梁部的上端与所述上板固定连接。

5.根据权利要求1所述的空气阻力测试天平，其特征在于，

2N个所述双孔梁传感器呈矩形分布在所述上板的下方。

6.根据权利要求5所述的空气阻力测试天平，其特征在于，

所述上板为矩形平板，2N个所述双孔梁传感器分别配置在靠近所述矩形平板的四角的位置。

7.根据权利要求6所述的空气阻力测试天平，其特征在于，

还包括下板，所述下板用于将2N个所述双孔梁传感器的梁部的下部固定。

8.根据权利要求1所述的空气阻力测试天平，其特征在于，

每个所述双孔梁传感器的上孔和下孔沿所述梁部的纵向连通。

9.使用权利要求1-8任一项所述的空气阻力测试天平对所述上板的上表面的摩擦力进行测量的方法，其特征在于，包括以下步骤，

1)对所述上板进行原始受力分析，上板原始受力为：切向摩擦力F_τ，力臂未知的压差力F(Z)_Δp和z方向的力F_p；

2)对步骤1)中的上板的原始受力进行简化，将整个流向上所述上板受到的总的力大小平移到上板的底部，简化为：整个流向上所述上板受到的总的力大小平移到上板底部后受到的力的大小F，力的平移引起的力偶矩M，以及z方向的重力G；

3)对每个所述双孔梁传感器，其读数应变为：ε_d＝ε₁-ε₂-ε₃+ε₄，其中ε₁～ε₄分别为第一应变片、第二应变片、第三应变片和第四应变片的应变大小；第一应变片、第二应变片、第三应变片和第四应变片的应变大小分别为：

其中，E为双孔梁的杨氏模量，W为双孔梁的抗弯截面系数，ε_G为重力G在应变片处产生的应变，L₁为上板的底部到双孔梁的上孔的中心的距离，L₂为上板的底部到双孔梁的下孔的中心的距离；

4)每个双孔梁传感器的读数应变为：根据读数应变ε_d，得到上板的上表面受到的摩擦力F。