CN109724771A - 一种用于测量水下航行体阻力的单摆式天平 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种用于测量水下航行体阻力的单摆式天平。本发明包括钢丝，平板，水翼，单摆机构，光学测量机构，标定机构；所述的平板布置在水面上方，平板的下方通过钢丝悬吊试验模型；试验模型的后端设有水翼；水翼与平板上部的单摆机构相连；试验模型推动水翼摆动，水翼带动单摆机构振动；光学测量机构测量记录单摆机构的振动；标定机构对天平测力过程进行标定。本发明采用了用于测量水下航行体阻力的单摆式天平，可方便地调整光路长度，提高了天平对单摆机构振动的分辨能力；便于进行电磁屏蔽和恒温恒湿保持，有助于解决试验模型复杂工作过程对天平测量的干扰问题；能够实现对测力过程的在线实时标定。

Description

一种用于测量水下航行体阻力的单摆式天平

技术领域

本发明所述的一种用于测量水下航行体阻力的单摆式天平。

背景技术

阻力测量是水动力学研究的基础试验手段之一，对于开展水下航行体的减阻等研究具有不可替代的作用。

目前，在水下航行体减阻等方面的研究中，水下阻力常见数值为数牛至数十牛，以5N为例，另外，考虑到减阻率一般为5%~50%左右，则得减阻量为0.25N~2.5N。为了精确测得该数值，测量精度应当高至少一个量级，因此，水下阻力的测量精度应当优于0.01N量级。另外，考虑到水下阻力测量面临着复杂的干扰因素，因此，水下阻力测量应当具备较好的抗干扰能力。

发明内容

本发明为提高水下航行体阻力测量的精度，提出了一种用于测量水下航行体阻力的单摆式天平，本发明采用单摆原理，将阻力施加在单摆机构上，同时利用光杠杆方法测量单摆的振动角度，结合电磁标定和砝码标定方法，测量得到阻力值。

本发明采用如下技术方案：

本发明所述的用于测量水下航行体阻力的单摆式天平，包括钢丝，平板，水翼，单摆机构，光学测量机构，标定机构；所述的平板布置在水面上方，平板的下方通过钢丝悬吊试验模型；试验模型的后端设有水翼；水翼与平板上部的单摆机构相连；试验模型推动水翼摆动，水翼带动单摆机构振动；光学测量机构测量记录单摆机构的振动；标定机构对天平测力过程进行标定。

本发明所述的用于测量水下航行体阻力的单摆式天平，所述的水翼至少两个，并相互呈镜面对称布置，设置在试验模型的流场下游，位于试验模型后部。

本发明所述的用于测量水下航行体阻力的单摆式天平，所述的单摆机构包括摆杆，配重，V型支撑槽，滚转轴；所述的V型支撑槽布置在平板的上表面；V型支撑槽内有滚转轴，水翼通过连接杆与滚转轴垂直相连；滚转轴水平方向设置摆杆；摆杆的一端设有配重。

本发明所述的用于测量水下航行体阻力的单摆式天平，所述的V型支撑槽之间的滚转轴的轴杆部分设有平面反射镜。

本发明所述的用于测量水下航行体阻力的单摆式天平，所述的V型支撑槽外侧设有垂直于平板的支架结构；其支架上设有位移传感器，激光器。

本发明所述的用于测量水下航行体阻力的单摆式天平，所述的位移传感器与激光器以一定的张角呈扇形布置在滚转轴径向，使得激光器发射的激光束在被滚转轴内的平面反射镜反射后投射到位移传感器。

本发明所述的用于测量水下航行体阻力的单摆式天平，所述的滚转轴的两端成与V型支撑槽相匹配的刀口状。

本发明所述的用于测量水下航行体阻力的单摆式天平，所述的摆杆上与配重相对的另一端设置标定机构；所述的标定机构由电磁标定机构和砝码标定机构组成；所述的电磁标定机构包括永磁体阵列，导线线圈阵列，正极，负极；所述的永磁体阵列由若干个沿摆杆轴向方向排列的永磁体构成，且每两个相邻的永磁体之间构成磁场气隙；所述的导线线圈阵列由若干组沿摆杆的轴向方向排列的导线线圈构成；导线线圈阵列引出相对布置的正极与负极；导线线圈阵列和永磁体阵列配合使用，且导线线圈阵列的每组导线线圈伸入到永磁体阵列的对应磁场气隙内；所述的砝码标定机构由砝码盘，绳构成；摆杆上位于永磁体阵列的下方设有竖直的绳；绳的末端设有砝码盘。

本范明所述的用于测量水下航行体阻力的单摆式天平，所述的导线线圈阵列的每组导线线圈均为单匝或多匝矩形线圈。

有益效果

本发明采用了用于测量水下航行体阻力的单摆式天平，利用带有刀口的单摆机构仅对沿流向的力开展测量，可从试验模型复杂受力中分离出阻力；本发明采用了含有位移传感器、激光器、平面反射镜的光学测量机构测量单摆机构的振动，利用了光杠杆放大原理，可方便地调整光光路长度，提高了天平对单摆机构振动的分辨能力；同时，本发明采用光学测量机构，使得激光器和位移传感器可布置在远离试验现场的位置，便于进行电磁屏蔽和恒温恒湿保持，有助于解决试验模型复杂工作过程对天平测量的干扰问题；本发明采用了电磁标定机构，能够实现对测力过程的在线实时标定。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的侧视结构示意图。

图3是本发明的单摆机构结构示意图。

图4是本发明的电磁标定机构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示：用于测量水下航行体阻力的单摆式天平，包括钢丝2，平板3，水翼15，单摆机构，光学测量机构，标定机构；所述的平板3布置在水面上方，平板3的下方通过钢丝2悬吊试验模型1；试验模型1的后端设有水翼15；水翼15与平板3上部的单摆机构相连；试验模型1推动水翼15摆动，水翼15带动单摆机构振动；光学测量机构测量记录单摆机构的振动；标定机构对天平测力过程进行标定。

水翼15至少两个，水翼15翼型经过优化，具有较小阻力，同时两片水翼15呈镜面对称布置，消除升力。水翼15与试验模型1后端面微接触，不承受试验模型1的重力，仅承受试验模型1的阻力。当试验模型1在阻力作用下向流场下游运动一小段距离时，由于钢丝2的作用，试验模型1的攻角将保持不变。为使得水翼15和试验模型1不脱离接触，在单摆结构中摆杆11上设置配重12，使得水翼15和试验模型1之间始终存在作用力。

如图3所示；单摆机构包括摆杆11，配重12，V型支撑槽13，滚转轴14；所述的V型支撑槽13布置在平板3的上表面；V型支撑槽13内有滚转轴14，水翼15通过连接杆与滚转轴14垂直相连；滚转轴14水平方向设置摆杆11；摆杆11的一端设有配重12。

如图2、图3所示，在试验模型1所受阻力的作用下，单摆机构发生振动。带有刀口的滚转轴14安放在V型支撑槽13上，并绕刀口处振动。

V型支撑槽13外侧设有垂直于平板3的支架结构；其支架上设有位移传感器9，激光器10。位移传感器9与激光器10以一定的张角呈扇形布置在滚转轴径向。

平面反射镜8位于带有刀口的滚转轴14的轴杆内，可将激光器10发射的激光反射到位移传感器9上。随着单摆机构的振动，平面反射镜8绕刀口同步振动，使得落在位移传感器9的激光光斑发生同步位移振动。位移传感器9将输出时变的待测信号。

如图4所示：为了对测量过程进行标定，在摆杆11上与配重相对的另一端设置标定机构。所述的标定机构由电磁标定机构和砝码标定机构组成。

电磁标定机构包括永磁体阵列6，导线线圈阵列7，正极16，负极17。永磁体阵列6安装在摆杆11上，由多个相同的长方体状永磁体沿摆杆11轴向方向阵列形成，每两个相邻的永磁体之间留有相同的气隙。每两个相邻的永磁体相对的端面磁极性相反，使得气隙中形成磁场。导线线圈阵列7安装在固定基座上，由若干组沿摆杆11的轴向方向排列的导线线圈构成；导线线圈阵列7引出相对布置的正极16与负极17。将导线线圈阵列7和永磁体阵列6相配合，将导线线圈阵列7的每组导线线圈伸入到永磁体阵列6的对应气隙内，使得在每个带有磁场的气隙中均有导线线圈穿过，如图4所示。导线线圈阵列7上的正极16和负极17与外部直流电源相连接。当正极16和负极17接通电源时，导线线圈阵列7的每组导线线圈中有电流通过，则导线线圈在气隙中受到安培力的作用，使得固定在基座上的导线线圈阵列7推动永磁体阵列6，进而推动摆杆11和整个单摆机构振动。由安培定则可知，安培力大小和电流正正比。考虑到单摆振动幅度很小，使得导线线圈7和永磁体阵列6的相对位置基本不变，则安培力大小在标定过程中仅受电流影响。

导线线圈阵列7的电流和电磁标定机构产生的安培力之间的关系由砝码标定机构测量得到。砝码标定机构由砝码盘4，绳5构成。摆杆11上位于永磁体阵列6的下方设有竖直的绳5；绳5的末端设有砝码盘4。在砝码盘4内放置不同质量的砝码，待单摆机构稳定后，测量对应的电信号，从而得到电信号与砝码重力的关系。

给电磁标定机构的导线线圈阵列7接入不同大小的电流，摆杆11受到不同大小的安培力。待单摆机构稳定后，测量对应的电信号。因为电信号与砝码重力之间的关系已经获得，考虑到砝码重力与安培力的力臂不同后，可获知电信号与安培力的关系，也获得了电流与安培力的关系。

在天平初次装配完成后，可采用砝码标定机构对电磁标定机构进行校准，得到电流和安培力的关系。当天平长时间放置或工作后，可采用砝码标定机构对电磁标定机构再次校准。由于安培力可通过改变电流而方便地控制，而砝码重力需要手工增添砝码，安培力比砝码重力更方便用于标定，因此，在天平测量过程中，仅使用电磁标定机构进行标定，并采用安培力作为标定力。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种用于测量水下航行体阻力的单摆式天平，其特征在于：包括钢丝（2），平板（3），水翼（15），单摆机构，光学测量机构，标定机构；所述的平板（3）布置在水面上方，平板（3）的下方通过钢丝（2）悬吊试验模型（1）；试验模型（1）的后端设有水翼（15）；水翼（15）与平板（3）上方的单摆机构相连；试验模型（1）推动水翼（15）摆动，水翼（15）带动单摆机构振动；光学测量机构测量记录单摆机构的振动；标定机构对天平测力过程进行标定。

2.根据权利要求1所述的用于测量水下航行体阻力的单摆式天平，其特征在于：所述的水翼（15）至少两个，并相互呈镜面对称布置，设置在试验模型（1）的流场下游，位于试验模型（1）后部。

3.根据权利要求1或2所述的用于测量水下航行体阻力的单摆式天平，其特征在于：所述的单摆机构包括摆杆（11），配重（12），V型支撑槽（13），滚转轴（14）；所述的V型支撑槽（13）布置在平板（3）的上表面；V型支撑槽（13）内有滚转轴（14），水翼（15）通过连接杆与滚转轴（14）垂直相连；滚转轴（14）水平方向设置摆杆（11）；摆杆（11）的一端设有配重（12）。

4.根据权利要求3所述的用于测量水下航行体阻力的单摆式天平，其特征在于：所述的V型支撑槽（13）之间的滚转轴（14）的轴杆部分设有平面反射镜（8），平面反射镜（8）可随滚转轴（14）一起转动。

5.根据权利要求4所述的用于测量水下航行体阻力的单摆式天平，其特征在于：所述的V型支撑槽（13）外侧设有垂直于平板（3）的支架结构；其支架上设有位移传感器（9），激光器（10）。

6.根据权利要求5所述的用于测量水下航行体阻力的单摆式天平，其特征在于：所述的位移传感器（9）与激光器（10）以一定的张角呈扇形布置在滚转轴（14）径向，使得激光器（10）发射的激光束在被滚转轴（14）内的平面反射镜（8）反射后投射到位移传感器（9）。

7.根据权利要求3所述的用于测量水下航行体阻力的单摆式天平，其特征在于：所述的滚转轴（14）的两端成与V型支撑槽（13）相匹配的刀口状。

8.根据权利要求3所述的用于测量水下航行体阻力的单摆式天平，其特征在于：所述的摆杆（11）上与配重（12）相对的另一端设置标定机构；所述的标定机构由电磁标定机构和砝码标定机构组成；所述的电磁标定机构包括永磁体阵列（6），导线线圈阵列（7），正极（16），负极（17）；所述的永磁体阵列（6）由若干个沿摆杆（11）的轴向方向排列的永磁体构成，且每两个相邻的永磁体之间构成磁场气隙；所述的导线线圈阵列（7）由若干组沿摆杆（11）的轴向方向排列的导线线圈构成；导线线圈阵列（7）引出相对布置的正极（16）与负极（17）；导线线圈阵列（7）和永磁体阵列（6）配合使用，且导线线圈阵列（7）的每组导线线圈伸入到永磁体阵列（6）的对应磁场气隙内；所述的砝码标定机构由砝码盘（4），绳（5）构成；摆杆（11）上位于永磁体阵列（6）的下方设有竖直的绳（5）；绳（5）的末端设有砝码盘（4）。

9.根据权利要求3所述的用于测量水下航行体阻力的单摆式天平，其特征在于：所述的导线线圈阵列（7）的每组导线线圈均为单匝或多匝矩形线圈。