CN109445362A - 一种集成标定数据的五孔探针测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及压力测试技术领域，尤其是涉及用于风洞实验或飞行器飞行过程中来流速度及角度数据的采集的一种集成标定数据的五孔探针测量系统。其特点是包括五孔探针和设备盒，五孔探针通过支杆和设备盒刚性固连，所述的设备盒上设置有系统复位按键和工作状态指示灯，设备盒内设置有控制电路板，设备盒侧面设置有散热通风孔、备用电源口、USB通信串口和数字输出接口；设备盒背面还设置有数据显示屏；所述的控制电路板包括最小系统电路，最小系统电路包括微型处理器和电源电路，微型处理器外围设置有外部通讯显示电路和传感器数据采样电路。其提高了系统可靠性，降低开发和维护时间成本；可扩展性强，降低飞行计算机计算负载。
Description
技术领域
本发明涉及压力测试技术领域，尤其是涉及用于风洞实验或飞行器飞行过程中来流速度及角度数据的采集的一种集成标定数据的五孔探针测量系统。
背景技术
在各类风洞实验以及飞行器飞行过程中，准确测得来流速度及来流气流角度具有特别重要的意义。但在具体使用时，五孔探针只能引出五个测压孔的感受压力，通常需要配套表压力传感器、大气绝对压力传感器等传感设备以及随探针配套的校准数据建立起这五个压力值到来流速度、气流角度、总压、静压等参数的数学模型。因此对于实验人员来说需要利用引压管将五孔压力引到实验室传感器系统，并编制数据处理程序根据校准数据建立数学模型方可开始使用，时间成本较高。同时，引压管通常为橡胶管，在使用中较为容易发生弯折、漏气等问题，仅仅一只五孔探针即需要五只引压管路，在探针大规模使用且引压距离较长的环境下，引压系统较容易收到环境干扰且管路检查极为不便、微小漏气不易发现，严重影响了实验精度甚至导致实验结果的错误。
发明内容
本发明的目的在于避免现有技术的缺陷而提供一种集成标定数据的五孔探针测量系统，有效解决了现有技术存在的问题。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：所述的一种集成标定数据的五孔探针测量系统，其特点是包括五孔探针和设备盒，五孔探针通过支杆和设备盒刚性固连，所述的设备盒上设置有系统复位按键和工作状态指示灯，设备盒内设置有控制电路板，设备盒侧面设置有散热通风孔、备用电源口、USB通信串口和数字输出接口；设备盒背面还设置有数据显示屏；所述的控制电路板包括最小系统电路，最小系统电路包括微型处理器和电源电路，微型处理器外围设置有外部通讯显示电路和传感器数据采样电路。
所述的微型处理器型号为STM32F405，微型处理器与系统复位按键和工作状态指示灯相连，电源电路与备用电源口相连，所述的外部通讯显示电路包括分别与微型处理器相连的串口转USB电路、串口外接电路和LCD输出电路，所述的传感器数据采样电路包括分别与微型处理器相连的第一表压力传感器、第二表压力传感器、第三表压力传感器、第四表压力传感器、第五表压力传感器、温度传感器和大气压/温度传感器，上述五个表压力传感器连接到五孔探针端部的五个压力引出头，温度传感器感受端埋入五孔探针感受头。
所述的第一表压力传感器的输出引脚5和接地引脚分别接电阻R21和电阻R22构成分压电路，电阻R21和电阻R22引出分压后电压信号接电阻R19、电容C34及钳位二极管D6构成的RC滤波电路，同时与微型处理器的AD采样引脚PC0相连，第二表压力传感器、第三表压力传感器、第四表压力传感器和第五表压力传感器与第一表压力传感器电路相同分别与微型处理器的AD采样引脚PC1、PC2、PC3、PC4相连采集压力信号；所述的温度传感器经过电阻R43分压并经过电阻R35、电容C47及钳位二极管D12组成的RC滤波电路与微型处理器的AD采样引脚PC5引脚相连采集大气温度；所述的大气压/温度传感器经带上拉电阻R41和R42后接微型处理器的引脚PB6、PB7采集气压温度；所述的LCD输出电路与微型处理器的引脚PC10、PC11相连，微型处理器经过数据处理通过LCD输出电路在设备盒上的数据显示屏上显示，同时通过串口转USB电路CH1B及配置电路与微型处理器引脚PA9、PA10相连与电脑进行通讯，预留的串口外接电路与微型处理器的引脚PA2、PA3相连与外部设备进行数据传输。
所述的电源电路的7～25V输入电源经电容C16、C17滤波后接XL2电源开关芯片，XL2电源开关芯片与电感L3、续流二极管D4、电容C10和C9构成开关电路，开关电路中由电阻R3、R4采样输出电压反馈到开关芯片FB引脚中，使得输出稳定的7V电压，开关电路的输出接线性稳压芯片ASM2将7V转到所需的5V电压，并在ASM2输出引脚与输入引脚之间加入二极管进行保护，开关电路的输出接线性稳压芯片ASM1转系统所需3.3V电压，并在ASM1输出引脚与输入引脚之间加入二极管进行保护，电路中电容C2、C3、C6、C7、C8、C11、C12、C13、C14、C16、C17的功能是用于减少电路纹波，磁珠L0、L4主要是用于模拟地与数字地的隔离。
本发明的有益效果是：所述的一种集成标定数据的五孔探针测量系统，其仅需一组信号线即可代替原方案使用的五支引压管路，显著提高了系统可靠性，避免了引压系统破损漏气带来的实验误差，降低维护时间成本；实验人员不需要过多关注五孔测量原理，可直接使用计算得出的准确数据，降低开发时间成本；系统可扩展性强，如可手持灵活测量；可用做飞行器空速及气流角测量等大气数据计算，降低飞行计算机计算负载。
附图说明
图1为本发明轴测结构示意图；
图2为本发明图1的仰视结构示意图；
图3为本发明图1的五孔探针头放大结构示意图；
图4为本发明电路原理示意图；
图5为本发明控制电路示意图；
图6为本发明电源电路示意图。
图中所示：1.五孔探针；2.支杆；3.散热通风孔；4.设备盒；5.备用电源口；6.USB通信串口；7.数字输出接口；8.系统复位按键；9.工作状态指示灯；10.数据显示屏；11.温度传感器；12.最小系统电路；12.1.微型处理器；12.2.电源电路；13.外部通讯显示电路；13.1.串口转USB电路；13.2.串口外接电路；13.3.LCD输出电路；14.传感器数据采样电路；14.1.第一表压力传感器；14.2.第二表压力传感器；14.3.第三表压力传感器；14.4.第四表压力传感器；14.5.第五表压力传感器；14.6.大气压/温度传感器。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1和2所示，所述的一种集成标定数据的五孔探针测量系统，其特点是包括五孔探针1和设备盒4，五孔探针1通过支杆2和设备盒4刚性固连，所述的设备盒4上设置有系统复位按键8和工作状态指示灯9，设备盒4内设置有控制电路板，设备盒4侧面设置有散热通风孔3、备用电源口5、USB通信串口6和数字输出接口7；设备盒4背面还设置有数据显示屏10；所述的控制电路板包括最小系统电路12，最小系统电路12包括微型处理器12.1和电源电路12.2，微型处理器12.1外围设置有外部通讯显示电路13和传感器数据采样电路14。
所述的微型处理器12.1型号为STM32F405，微型处理器12.1与系统复位按键8和工作状态指示灯9相连，电源电路12.2与备用电源口5相连，所述的外部通讯显示电路13包括分别与微型处理器12.1相连的串口转USB电路13.1、串口外接电路13.2和LCD输出电路13.3，所述的传感器数据采样电路14包括分别与微型处理器12.1相连的第一表压力传感器14.1、第二表压力传感器14.2、第三表压力传感器14.3、第四表压力传感器14.4、第五表压力传感器14.5、温度传感器11和大气压/温度传感器14.6，上述五个表压力传感器连接到五孔探针1端部的五个压力引出头，温度传感器11感受端埋入五孔探针1感受头。
所述的第一表压力传感器14.1的输出引脚5和接地引脚分别接电阻R21和电阻R22构成分压电路，电阻R21和电阻R22引出分压后电压信号接电阻R19、电容C34及钳位二极管D6构成的RC滤波电路，同时与微型处理器12.1的AD采样引脚PC0相连，第二表压力传感器14.2、第三表压力传感器14.3、第四表压力传感器14.4和第五表压力传感器14.5与第一表压力传感器14.1电路相同分别与微型处理器12.1的AD采样引脚PC1、PC2、PC3、PC4相连采集压力信号；所述的温度传感器11经过电阻R43分压并经过电阻R35、电容C47及钳位二极管D12组成的RC滤波电路与微型处理器12.1的AD采样引脚PC5引脚相连采集大气温度；所述的大气压/温度传感器14.6经带上拉电阻R41和R42后接微型处理器12.1的引脚PB6、PB7采集气压温度；所述的LCD输出电路13.3与微型处理器12.1的引脚PC10、PC11相连，微型处理器12.1经过数据处理通过LCD输出电路13.3在设备盒4上的数据显示屏10上显示，同时通过串口转USB电路13.1CH1B及配置电路与微型处理器12.1引脚PA9、PA10相连与电脑进行通讯，预留的串口外接电路13.2与微型处理器12.1的引脚PA2、PA3相连与外部设备进行数据传输。
所述的电源电路12.2的7～25V输入电源经电容C16、C17滤波后接XL2电源开关芯片，XL2电源开关芯片与电感L3、续流二极管D4、电容C10和C9构成开关电路，开关电路中由电阻R3、R4采样输出电压反馈到开关芯片FB引脚中，使得输出稳定的7V电压，开关电路的输出接线性稳压芯片ASM2将7V转到所需的5V电压，并在ASM2输出引脚与输入引脚之间加入二极管进行保护，开关电路的输出接线性稳压芯片ASM1转系统所需3.3V电压，并在ASM1输出引脚与输入引脚之间加入二极管进行保护，电路中电容C2、C3、C6、C7、C8、C11、C12、C13、C14、C16、C17的功能是用于减少电路纹波，磁珠L0、L4主要是用于模拟地与数字地的隔离。
所述的一种集成标定数据的五孔探针测量系统，运行时，五孔探针1端部的五个孔分别测量到五个压力数据，并通过毛细钢管将压力引到控制电路板的表压力传感器，将压力变送为电压信号，并通过AD采样转化为数字信号。微型处理器12.1将测量到的五个电压数据进行卡尔曼滤波并换算得到5孔压力各自的数据，并根据风洞对该五孔探针感受头的标定数据(每个探针头均有自己独立的标定数据)计算出当前探头感受到的来流俯仰角、偏航角、总压以及静压(表压)。接着微型处理器12.1读取大气环境绝对压力以及温度传感器测量到的探头温度，结合测出来的表压力算出探针当前位置处的大气密度，进而通过伯努利方程及相关修正模型算出当前来流速度以及马赫数。环境温度由大气压/温度传感器14.6直接给出，并参考当前绝对压力得到当前海拔高度以及环境大气密度，该数据可以为实验测量结果的海平面换算提供重要依据。最终以上这些数据将显示于显示屏上方便实验人员初期验证性研究，同时数据也可以用数字输出接口或者USB串口形式方便的将数字信号直接发送至上位计算机。
所述的一种集成标定数据的五孔探针测量系统，可得到的数据及更新频率包括：气流速度(50HZ)、马赫数(50HZ)、气流俯仰角度(50HZ)、气流偏航角度(50HZ)、气流总压(表压)(50HZ)、气流静压(表压)(50HZ)、气流温度(50HZ)、气流密度(10HZ)、环境大气压(绝压)(10HZ)、当前海拔高度(10HZ)。
以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种集成标定数据的五孔探针测量系统，其特征是包括五孔探针和设备盒，五孔探针通过支杆和设备盒刚性固连，所述的设备盒上设置有系统复位按键和工作状态指示灯，设备盒内设置有控制电路板，设备盒侧面设置有散热通风孔、备用电源口、USB通信串口和数字输出接口；设备盒背面还设置有数据显示屏；所述的控制电路板包括最小系统电路，最小系统电路包括微型处理器和电源电路，微型处理器外围设置有外部通讯显示电路和传感器数据采样电路。
2.如权利要求1所述的一种集成标定数据的五孔探针测量系统，其特征在于：所述的微型处理器型号为STM32F405，微型处理器与系统复位按键和工作状态指示灯相连，电源电路与备用电源口相连，所述的外部通讯显示电路包括分别与微型处理器相连的串口转USB电路、串口外接电路和LCD输出电路，所述的传感器数据采样电路包括分别与微型处理器相连的第一表压力传感器、第二表压力传感器、第三表压力传感器、第四表压力传感器、第五表压力传感器、温度传感器和大气压/温度传感器，上述五个表压力传感器连接到五孔探针端部的五个压力引出头，温度传感器感受端埋入五孔探针感受头。
3.如权利要求2所述的一种集成标定数据的五孔探针测量系统，其特征在于：所述的第一表压力传感器的输出引脚5和接地引脚分别接电阻R21和电阻R22构成分压电路，电阻R21和电阻R22引出分压后电压信号接电阻R19、电容C34及钳位二极管D6构成的RC滤波电路，同时与微型处理器的AD采样引脚PC0相连，第二表压力传感器、第三表压力传感器、第四表压力传感器和第五表压力传感器与第一表压力传感器电路相同分别与微型处理器的AD采样引脚PC1、PC2、PC3、PC4相连采集压力信号；所述的温度传感器经过电阻R43分压并经过电阻R35、电容C47及钳位二极管D12组成的RC滤波电路与微型处理器的AD采样引脚PC5引脚相连采集大气温度；所述的大气压/温度传感器经带上拉电阻R41和R42后接微型处理器的引脚PB6、PB7采集气压温度；所述的LCD输出电路与微型处理器的引脚PC10、PC11相连，微型处理器经过数据处理通过LCD输出电路在设备盒上的数据显示屏上显示，同时通过串口转USB电路CH1B及配置电路与微型处理器引脚PA9、PA10相连与电脑进行通讯，预留的串口外接电路与微型处理器的引脚PA2、PA3相连与外部设备进行数据传输。
4.如权利要求1所述的一种集成标定数据的五孔探针测量系统，其特征在于：所述的电源电路的7～25V输入电源经电容C16、C17滤波后接XL2电源开关芯片，XL2电源开关芯片与电感L3、续流二极管D4、电容C10和C9构成开关电路，开关电路中由电阻R3、R4采样输出电压反馈到开关芯片FB引脚中，使得输出稳定的7V电压，开关电路的输出接线性稳压芯片ASM2将7V转到所需的5V电压，并在ASM2输出引脚与输入引脚之间加入二极管进行保护，开关电路的输出接线性稳压芯片ASM1转系统所需3.3V电压，并在ASM1输出引脚与输入引脚之间加入二极管进行保护，电路中电容C2、C3、C6、C7、C8、C11、C12、C13、C14、C16、C17的功能是用于减少电路纹波，磁珠L0、L4主要是用于模拟地与数字地的隔离。
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