CN109632252A - 外式强迫振动动导数试验的振动角位移测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了外式强迫振动动导数试验的振动角位移测量装置及方法：在支杆一侧固定安装测量平台；所述测量平台上设有一个平面与支杆的轴线平行且垂直于支杆的横截面，记为激光测量平面；固定设置一个激光位移传感器，使得激光位移传感器发出的激光光线对着测量平面，所述激光测量平面在整个动导数试验过程中都能落入激光位移传感器的测量范围；定义激光位移传感器与激光测量平面之间沿激光光线方向的距离为线位移d，推导振动角位移θ与线位移d之间的关系式，通过静态标定方法确定振动角位移θ与线位移d之间的关系式；开展外式强迫振动动导数试验，测量记录线位移d的数据，按照步骤所确定的关系式间接计算得到振动角位移θ。

Description

外式强迫振动动导数试验的振动角位移测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种用于外式强迫振动动导数试验的振动角位移非接触测量方法，用于动导数试验结果计算所需的振动角位移的测量，属于风洞试验技术领域。

背景技术

动导数是动稳定导数的简称。它们是飞行器6个气动系数(即三维直角坐标系中3个力和3个力矩系数)对飞行器姿态参数时间变化率的导数。飞行器的动导数数据是设计其导航系统和控制系统以及对飞行器进行动态品质分析时所需的重要原始参数。飞行器的动导数直接影响飞行品质，特别是影响到飞行器在机动飞机或急操纵时的飞行品质。

风洞中的动导数试验装置按驱动方式分为自由振动和强迫振动两种形式：自由振动可以测量直接导数，并同时测量静态力矩和极限环振幅；强迫振动可以测量直接导数和时差导数，并同时测量交叉导数。

强迫振动试验装置根据运动部件的不同，又可以分为内式强迫振动试验装置和外式强迫振动试验装置。(1)内式强迫振动试验。内式强迫振动试验使用激振器，通过连接到模型的力矩梁元件传递激振力，使模型和天平绕弹性铰链(或轴承)作简谐运动，并测量在特定的频率和振幅条件下，天平输出的气动力，和维持振荡的激振力矩，计算得到动导数数据。(2)外式强迫振动试验。外式强迫振动试验使用激振器，使模型、天平、支杆整体作简谐运动，并测量在特定的频率和振幅条件下，天平输出的气动力和模型实时的角位移，计算得到动导数数据。

动导数试验测量的关键是准确测量动态的力和力矩信号以及模型振动的位移信号。参加运算的是力、力矩和位移信号的幅值以及力、力矩信号与位移信号之间的相位差。

由于外式强迫振动试验的模型和支杆一起做简谐振动，所以一般通过测量支杆振动的角位移来反映模型振动的角位移。现有的测量方法主要是通过加装精密电位计等角位移传感器来测量支杆振动的角位移，角位移传感器需要与支杆同轴或并联安装，属于接触式测量方法。

随着现代驱动技术的发展，目前外式强迫振动动导数试验机构都采用伺服电机直接驱动支杆振动的方式，使用接触式测量方法测量角位移会对动导数机构设计和使用带来一定困难。由于伺服电机与支杆是同轴安装的，所以角位移传感器与支杆没有同轴安装的空间，如果通过转换连接实现同轴安装则同轴度较难保证。而将角位移传感器与支杆并联安装，则需要设计并联安装及传递的装置，并且并联传递后测量得到的实时角位移的精准度会有一定损失。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的上述不足，本发明提供了一种用于外式强迫振动动导数试验的振动角位移非接触测量装置及方法，解决使用接触式测量角位移传感器安装困难的问题。

本发明的技术解决方案是：外式强迫振动动导数试验的振动角位移测量方法，所述外式强迫振动动导数试验中支杆将被测模型支撑并带动被测模型绕沿支杆轴往复旋转振动，该方法包括如下步骤：

(1)、在支杆一侧固定安装测量平台；所述测量平台上设有一个平面与支杆的轴线平行且垂直于支杆的横截面，记为激光测量平面；

(2)、固定设置一个激光位移传感器，使得激光位移传感器发出的激光光线对着测量平面，所述激光光线与测量平面的法线方向之间的夹角足够小，其正切值能够采用该夹角角度值等效，所述激光测量平面在整个动导数试验过程中都能落入激光位移传感器的测量范围；

(3)、定义激光位移传感器与激光测量平面之间沿激光光线方向的距离为线位移d，推导振动角位移θ与线位移d之间的关系式，通过静态标定方法确定振动角位移θ与线位移d之间的关系式；

(4)、开展外式强迫振动动导数试验，测量记录线位移d的数据，按照步骤(3)所确定的关系式间接计算得到振动角位移θ。

所述振动角位移θ与线位移d之间的关系式为线性关系式：

θ＝k×d+b

式中，k、b分别为斜率和常数项。

所述动导数试验的角位移振幅在2°～5°范围内。

所述步骤(3)中静态标定方法确定振动角位移θ与线位移d之间的线性关系式的具体方法为：

(3.1)、按照设定的阶梯序列θ＝(θ1、…、θn)依次设定振动角位移θ，每个角度到位后测量记录该振动角位移θ下，激光位移传感器与测量平面之间沿激光光线向的距离，记为线位移d＝(d1、…、dn)；

(3.2)、将振动角位移θ与线位移d的数据进行线性拟合，计算得到线性关系式的斜率k和常数项b，从而确定振动角位移θ与线位移d之间的关系式。

所述步骤(3.2)采用最小二乘法进行线性拟合。

所述激光位移传感器为激光光学三角反射式位移传感器。

本发明所提供的另一个技术解决方案是：外式强迫振动动导数试验的振动角位移测量装置，外式强迫振动动导数试验支杆将被测模型支撑并带动被测模型绕沿支杆轴往复旋转振动，其特征在于包括测量平台、激光位移传感器、测量计算模块；

测量平台上设有一个平面记为激光测量平面，测量平台固定安装在支杆一侧，随着支杆往复旋转振动，使得激光平面与支杆的轴线平行且垂直于支杆的横截面；

激光位移传感器，用于实时测量激光位移传感器与测量平面之间沿激光光线方向的距离，记为线位移d，并将线位移d发送至测量计算模块；

测量计算模块，采用将线位移d代入振动角位移θ与线位移d之间的关系式，计算得到振动角位移θ。

所述振动角位移θ与线位移d之间的关系式为线性关系式：

θ＝k×d+b

式中，k、b分别为斜率和常数项。

所述动导数试验的角位移振幅在2°～5°范围内。

所述振动角位移θ与线位移d之间的线性关系式通过静态标定方法确定，具体为：

(a)、按照设定的阶梯序列θ＝(θ1、…、θn)依次设定振动角位移θ，每个角度到位后测量记录该角度下，激光位移传感器与测量平面之间沿激光光线方向的距离，记为线位移d＝(d1、…、dn)；

(b)、将振动角位移θ与线位移d的数据进行线性拟合，计算得到线性关系式的斜率k和常数项b，从而确定振动角位移θ与线位移d之间的关系式。

所述激光位移传感器为激光光学三角反射式位移传感器。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)、本发明将角位移测量转换为对线位移的非接触测量，通过非接触测量避免了使用接触式测量角位移传感器安装的困难，提高了测量的便捷性，并且能够获得高精度的实时角位移数据，为动导数数据的精确分析提供条件；

(2)、本发明利用三角几何关系将振动角位移θ转换为线位移δd，再通过小角度下tanθ≈θ的数学近似推导得到了振动角位移θ与线位移d之间是线性关系式，给出了静态标定理论依据；

(3)、本发明测量平面和激光位移传感器的安装精度要求不高，避免了使用接触式测量角位移传感器安装的困难，并且非接触测量的工装设计也比较简单，便于实施；

(4)、本发明非接触测量的激光位移传感器与被测物体之间在测量过程中无实际接触，优势在于可保证无磨损的测量。则非接触测量避免了接触式测量的部件磨损，提高了动导数试验机构的耐用性；

(5)、本发明激光测量的抗干扰能力强，优势在于可保证实现抗干扰的高精度测量。

附图说明

图1为本发明实施例振动角位移非接触测量的原理示意图；

图2为本发明实施例测量平面不严格沿着支杆径向方向的原理示意图；

图3为本发明实施例激光光线不严格垂直于测量平面的原理示意图；

图4为本发明实施例振动角位移非接触测量的实施示例图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

外式强迫振动动导数试验中支杆1将被测模型支撑并带动被测模型绕沿支杆1轴往复旋转振动，获取动导数试验结果需要测量振动角位移。

如图1所示，本发明提供了一种外式强迫振动动导数试验的振动角位移测量方法，该方法包括如下步骤：

(1)、在支杆1一侧固定安装测量平台3；所述测量平台3上设有一个平面与支杆1的轴线平行且垂直于支杆1的横截面，记为激光测量平面2；

(2)、固定设置一个激光位移传感器4，使得激光位移传感器4发出的激光光线对着测量平面2，所述激光光线与测量平面2的法线方向之间的夹角足够小，其正切值能够采用该夹角角度值等效，所述激光测量平面2在整个动导数试验过程中都能落入激光位移传感器4的测量范围；

(3)、定义激光位移传感器4与激光测量平面2之间沿激光光线5方向的距离为线位移d，推导振动角位移θ与线位移d之间的关系式，通过静态标定方法确定振动角位移θ与线位移d之间的关系式。

所述振动角位移θ与线位移d之间的关系式的推导过程如下：

(a)、根据当支杆做滚转简谐振动时，测量平面也同步做简谐振动的原则，得到，则线位移d呈现周期性的变化；

(b)、由三角几何关系式，可以得到线位移d的变化δd与支杆滚转角度θ的正切值tanθ是如下线性关系：

δd＝L×tanθ

(c)、由于动导数试验是小振幅振动，角位移振幅在2°～5°范围内，所以根据小角度时tanθ≈θ的数学近似，则支杆滚转角度θ和线位移d通过推导可以得出是线性关系式：

d＝D-δd＝D-L×tanθ≈D-L×θ

k、b分别为斜率和常数项。

(4)、开展外式强迫振动动导数试验，测量记录线位移d的数据，按照步骤(3)所确定的关系式间接计算得到振动角位移θ。

所述振动角位移θ与线位移d之间的关系式为线性关系式：

θ＝k×d+b

式中，k、b分别为斜率和常数项。

采用静态标定方法确定振动角位移θ与线位移d之间的线性关系式的具体方法为：

(3.1)、按照设定的阶梯序列θ＝(θ1、…、θn)依次设定振动角位移θ，每个角度到位后测量记录该振动角位移θ下，激光位移传感器4与测量平面2之间沿激光光线5方向的距离，记为线位移d＝(d1、…、dn)；

(3.2)、将振动角位移θ与线位移d的数据采用最小二乘法进行线性拟合，计算得到线性关系式的斜率k和常数项b，从而确定振动角位移θ与线位移d之间的关系式。

所述激光位移传感器4为激光光学三角反射式位移传感器。常用型号有德国Micro-Epsilon公司的optoNCDT系列、日本Keyence公司的IL系列等。

基于上述方法，本发明还提供了一种外式强迫振动动导数试验的振动角位移测量装置，该装置包括测量平台3、激光位移传感器4、测量计算模块；

测量平台3上设有一个平面记为激光测量平面2，测量平台3固定安装在支杆1一侧，随着支杆往复旋转振动，使得激光平面2与支杆1的轴线平行且垂直于支杆1的横截面；

激光位移传感器4，用于实时测量激光位移传感器4与测量平面2之间沿激光光线5方向的距离，记为线位移d，并将线位移d发送至测量计算模块；

测量计算模块，采用将线位移d代入振动角位移θ与线位移d之间的关系式，计算得到振动角位移θ。

所述振动角位移θ与线位移d之间的关系式为线性关系式：

θ＝k×d+b

式中，k、b分别为斜率和常数项。

激光测量平面不必严格沿着支杆的径向方向，略有偏差是可以接受的。因为测量平面固定在支杆上，测量平面与支杆保持相对不变的几何关系。所以当支杆滚转角度θ时，在滚转截面内支杆及测量平面的所有点都会同步滚转相同角度θ，见图2所示。因此，不是严格沿着支杆径向方向的测量平面的振动角度等于支杆滚转角度θ，它与线位移d之间，仍然满足线性关系式；

对于激光位移传感器发射出来的激光光线不必严格正对着测量平面，略有偏差是可以接受的。由图3的几何分析可以得到，当激光光线不严格正对于测量平面时，通过推导得出仍然满足振动角位移θ与线位移d之间仍然满足线性关系式：

d＝D-δd-d0＝D-L×tan(θ+θ0)≈D-L×(θ+θ0)

式中，θ0为激光光线与测量平面2的法线方向之间的夹角。当激光光线正对测量平面时θ0＝0°。

实施例：

下面结合图4的实施示例图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。

如图4所示，本实施例包括支杆1、激光测量平面2、测量平台3、激光位移传感器4、激光光线5、激光位移传感器安装平台6、支杆根部法兰7、螺钉8、支撑杆9、螺钉10。

测量平台3固定在支杆1上，测量平台下表面即激光测量平面2基本沿支杆1的径向方向。激光测量平面2不必严格沿着支杆1的径向方向，略有偏差是可以接受的。

激光测量平台3连接固定在支杆根部法兰7上，所述支杆根部法兰7用于将支杆根部与电机减速机连接。测量平台3用螺钉8定位。也可以采用其它方式固定，只要满足测量平面2基本沿支杆1的径向方向即可；

激光位移传感器安装平台6连接固定在支撑杆9上，用螺钉10定位，激光位移传感器4安装在激光位移传感器安装平台6上。也可以采用其它方式固定，激光光线5基本正对于测量平面2即可，不必严格正对测量平面2，略有偏差是可以接受的，偏差在[-5°,5°]以内均可。

用激光位移传感器4可以非接触测量得到激光位移传感器4与测量平面2之间的激光光线5方向的距离d(线位移)，按照前面推导得到的支杆滚转角度θ和该距离(线位移)d是线性关系式，就可以间接计算得到振动角位移θ；

当被测模型尾撑(即：尾部支撑，是支杆从飞行器模型尾部伸入模型进行支撑)时，可以得到模型滚转振动角位移；当被测模型腹撑/背撑(即：指腹部支撑/背部支撑，是支杆从飞行器模型腹部或背部伸入模型进行支撑)时，可以得到模型偏航振动角位移。通过非接触测量方法避免了使用接触式测量角位移传感器安装的困难，并且能够获得高精度的实时角位移数据，为动导数数据的精确分析提供条件。

以上所述，仅是本发明的较佳实施示例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施示例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (11)

1.外式强迫振动动导数试验的振动角位移测量方法，所述外式强迫振动动导数试验中支杆(1)将被测模型支撑并带动被测模型绕沿支杆(1)轴往复旋转振动，其特征在于包括如下步骤：

(1)、在支杆(1)一侧固定安装测量平台(3)；所述测量平台(3)上设有一个平面与支杆(1)的轴线平行且垂直于支杆(1)的横截面，记为激光测量平面(2)；

(2)、固定设置一个激光位移传感器(4)，使得激光位移传感器(4)发出的激光光线对着测量平面(2)，所述激光光线与测量平面(2)的法线方向之间的夹角足够小，其正切值能够采用该夹角角度值等效，所述激光测量平面(2)在整个动导数试验过程中都能落入激光位移传感器(4)的测量范围；

(3)、定义激光位移传感器(4)与激光测量平面(2)之间沿激光光线(5)方向的距离为线位移d，推导振动角位移θ与线位移d之间的关系式，通过静态标定方法确定振动角位移θ与线位移d之间的关系式；

(4)、开展外式强迫振动动导数试验，测量记录线位移d的数据，按照步骤(3)所确定的关系式间接计算得到振动角位移θ。

2.根据权利要求1所述的外式强迫振动动导数试验的振动角位移测量方法，其特征在于所述振动角位移θ与线位移d之间的关系式为线性关系式：

θ＝k×d+b

式中，k、b分别为斜率和常数项。

3.根据权利要求2所述的外式强迫振动动导数试验的振动角位移测量方法，其特征在于所述动导数试验的角位移振幅在2°～5°范围内。

4.根据权利要求2所述的外式强迫振动动导数试验的振动角位移测量方法，其特征在于所述步骤(3)中静态标定方法确定振动角位移θ与线位移d之间的线性关系式的具体方法为：

(3.1)、按照设定的阶梯序列θ＝(θ1、…、θn)依次设定振动角位移θ，每个角度到位后测量记录该振动角位移θ下，激光位移传感器(4)与测量平面(2)之间沿激光光线(5)向的距离，记为线位移d＝(d1、…、dn)；

(3.2)、将振动角位移θ与线位移d的数据进行线性拟合，计算得到线性关系式的斜率k和常数项b，从而确定振动角位移θ与线位移d之间的关系式。

5.根据权利要求2所述的外式强迫振动动导数试验的振动角位移测量方法，其特征在于所述步骤(3.2)采用最小二乘法进行线性拟合。

6.根据权利要求2所述的外式强迫振动动导数试验的振动角位移测量方法，其特征在于所述激光位移传感器(4)为激光光学三角反射式位移传感器。

7.外式强迫振动动导数试验的振动角位移测量装置，外式强迫振动动导数试验支杆(1)将被测模型支撑并带动被测模型绕沿支杆(1)轴往复旋转振动，其特征在于包括测量平台(3)、激光位移传感器(4)、测量计算模块；

测量平台(3)上设有一个平面记为激光测量平面(2)，测量平台(3)固定安装在支杆(1)一侧，随着支杆往复旋转振动，使得激光平面(2)与支杆(1)的轴线平行且垂直于支杆(1)的横截面；

激光位移传感器(4)，用于实时测量激光位移传感器(4)与测量平面(2)之间沿激光光线(5)方向的距离，记为线位移d，并将线位移d发送至测量计算模块；

测量计算模块，采用将线位移d代入振动角位移θ与线位移d之间的关系式，计算得到振动角位移θ。

8.根据权利要求7所述的外式强迫振动动导数试验的振动角位移测量装置，其特征在于所述振动角位移θ与线位移d之间的关系式为线性关系式：

θ＝k×d+b

式中，k、b分别为斜率和常数项。

9.根据权利要求7所述的外式强迫振动动导数试验的振动角位移测量装置，其特征在于所述动导数试验的角位移振幅在2°～5°范围内。

10.根据权利要求8所述的外式强迫振动动导数试验的振动角位移测量装置，其特征在于所述振动角位移θ与线位移d之间的线性关系式通过静态标定方法确定，具体为：

(a)、按照设定的阶梯序列θ＝(θ1、…、θn)依次设定振动角位移θ，每个角度到位后测量记录该振动角位移θ下，激光位移传感器(4)与测量平面(2)之间沿激光光线(5)方向的距离，记为线位移d＝(d1、…、dn)；

(b)、将振动角位移θ与线位移d的数据进行线性拟合，计算得到线性关系式的斜率k和常数项b，从而确定振动角位移θ与线位移d之间的关系式。

11.根据权利要求7所述的外式强迫振动动导数试验的振动角位移测量装置，其特征在于所述激光位移传感器(4)为激光光学三角反射式位移传感器。