CN110779679A - 一种校准箱压力补偿室对高精度测力天平影响的修正方法 - Google Patents

Abstract

本专利公开一种校准箱压力补偿室对高精度测力天平影响的修正方法，该修正方法主要用于解决压力补偿室对高精度测力天平测量结果产生影响的问题，能够显著减小测力天平的测量不确定度，修正方法包括传感器布置和修正方法，通过合理布置压力传感器，监控压力补偿室的状态参数，用作修正的参数输入；修正方法包括以下四步：刚度影响修正、压力影响修正、带压刚度影响修正、标准喷管组合修正。

Description

一种校准箱压力补偿室对高精度测力天平影响的修正方法

技术领域

本专利涉及空气动力学领域，具体涉及一种校准箱压力补偿室对高精度测力天平影响的修正方法。

背景技术

涡扇飞机发动机的进气和喷流与飞机的外部绕流之间存在十分复杂的相互干扰。翼下吊挂涡扇发动机的进气和喷流不仅会对翼下流动产生影响，而且会对翼上流动甚至机身流动产生较大影响，从而对飞机的升阻特性及稳定性产生不可忽视的影响。发动机短舱与机翼相对位置的很小变化都可能带来较大的升力损失和阻力增加。此外，发动机喷流还对方向舵、升降舵的效率有明显的影响，从而影响飞机的操控特性。从涡扇飞机布局设计开始，就必须把机体和发动机短舱作为一个整体进行气动设计和优化，并要通过风洞试验获得发动机进气和喷流对飞机气动特性的影响。目前最先进的动力影响风洞试验方法是在发动机模型短舱内安装涡轮动力模拟器，这种风洞中的模拟短舱称之为动力短舱。

动力短舱用于风洞试验之前，都必须对其进行校准，校准试验通常在能够模拟风洞试验环境的校准箱内完成。校准箱的工作原理是将动力短舱入口和出口分别与不同的压力环境连通，通过控制动力短舱入口和出口的压力差来模拟风洞试验马赫数环境，动力短舱出口的环境压力一般低于大气压。在校准箱内对动力短舱的流量和推力等参数进行精确测量，计算出出流量系数和速度系数，从而完成校准。

动力短舱推力作用在箱体驻室的前端面上，通过高精度测力天平来测量。为了达到校准试验的目的，必须要减小试验误差，获得高精准度的校准试验数据，要求高精度测力天平的不确定度要求在0.3％以内。

动力短舱推力的精确测量受到很多干扰因素的影响，其中压力补偿室对高精度测力天平影响就是其中最重要的因素之一，是动力短舱校准试验的关键环节。压力补偿室的两端分别连接在高精度测力天平的浮动端和固定端。其对天平的影响非常复杂，一是压力补偿室的附加刚度，会影响天平校准系数，二是内外存在压差时，压力补偿室会产生额外作用力作用在天平上，导致测量误差，三是存在压差时，压力补偿室的刚度会产生变化，进一步影响天平测量。因此，测力天平测量受到压力补偿室连接刚性、压力补偿室内外压差等因素的组合影响，必须要通过一套严格的方法进行修正。

发明内容

本发明的目的是提供一种修正方法，用于修正对校准箱进行压力补偿后对天平的测量精度影响。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种校准箱压力补偿室对高精度测力天平影响的修正方法，包括一个校准箱和两个压力补偿室，两个压力补偿室对称分布在校准箱驻室外的两侧，校准箱驻室内和压力补偿室内分别设置有压力传感器，

所述压力传感器用于实时采集压力补偿室内的状态参数，该状态参数用于修正参数的输入，修正过程依次包括：刚度影响修正、压力影响修正、带压刚度影响修正、标准喷管组合修正四步，

S1:所述刚度影响修正包括在无压力情况下对压力补偿室上的光天平校准，

S2:所述压力影响修正包括在有压力情况下对天平的回零测试和校准箱与残余载荷的压差修正关系，

S3:所述带压刚度影响修正包括在有压力情况下建立压差对天平刚度的影响修正关系，

S4:所述标准喷管组合修正包括在喷管工作情况下对天平的载荷进行修正获得推力测量误差，校核推力测量误差在天平的范围内。

在上述技术方案中，所述压力补偿室上光天平的校准包括两步：

S11:将压力补偿室和箱体驻室上的柔性蒙皮拆除，进行光天平校准，校准获得天平系数矩阵C和天平每个分量的不确定度σ_i，判断σ_i是否满足高精度测力天平的要求，其判断标准为σ_i优于0.15％；

S12:第二步，将压力补偿室和箱体驻室上安装柔性蒙皮，再进行光天平校准，校准获得天平系数矩阵C'和天平每个分量的不确定度σ'_i，判断σ'_i是否满足高精度测力天平的要求，其判断标准为σ'_i优于0.2％。

在上述技术方案中，所述压力修正包括：

S21:测量天平的不回零载荷,判断不回零载荷是否满足高精度测力天平要求，其判断标准为回零载荷小于1N，满足后再进行后续修正步骤；

S22:调节校准箱压力，使得校准箱与周围环境差生压差，在压差范围内选取不少于10个压力点；

S23:在每个压力点测量天平的不同压力下的残余载荷，采用多项式拟合残余载荷与压力点的关系曲线，建立残余载荷与校准箱压差的修正关系。

在上述技术方案中，压力点的值为校准箱内所有压力传感器的平均值。

在上述技术方案中，所述校准箱内设置有不少于四个压力传感器，压力点位于箱体驻室的柔性蒙皮附近，沿周向等间隔布置。

在上述技术方案中，所述带压刚度影响修正包括：

S31:调节校准箱压力，使得校准箱与周围环境差生压差，在压差范围内选取约三个压力点；

S32:在每个压力点采用标准砝码对天平进行加载，测量获得残余载荷，采用多项式拟合残余载荷压力点关系曲线，建立压差对天平刚度的影响修正关系。

在上述技术方案中，所述标准喷管组合修正包括：

S41:调节校准箱压力，使得校准箱与周围环境差生压差，在校准箱的设计指标的压差范围内选取约三个压力点,记录两个压力补偿室的压力值；

S42：在每个压力点采用标准喷管进行喷流试验，对天平的载荷进行修正压力影响残余载荷、修正压差对刚度影响、修正压差分布不均带来的影响后获得标准喷管的测量推力；

S43:将测量到的推力与标准推力相减获得推力测量误差，校核推力测量误差在天平的范围内。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

系统修正了压力补偿室对天平的影响，包括压力压力补偿室的附加刚度、内外存在压差导致的额外作用力、压差导致的压力补偿室刚度变化等，能够保证高精度测力天平的不确定度在0.3％以内，满足校准试验的要求。本发明提供的方法是一套高效率的修正方法，按照本发明提供的顺序进行修正，能够大幅降低修正调试工作量。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为校准箱压力补偿室及高精度测力天平示意图；

其中：1是压力补偿室，2是箱体驻室，3是标准喷管，4、5是压力补偿室压力传感器，

6、7、8是天平力传感器，9、10是箱体驻室压力传感器。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

如图1所示，校准箱为密封箱体，后端的箱体固定安装在地面，前端为驻室，驻室的的前端面密封端面，密封端面内部用于固定连接有一个标准喷管。校准箱在工作状态下内部为真空状态，外部外大气压，因此驻室的密封端面上两侧存在压差。

压力补偿室为两个，对称分布在驻室的两侧，压力补偿室的轴线与驻室的轴线平行，压力补偿室的一端为固定端固定安装在地面，另一端为浮动端，浮动端与驻室的密封端面连接为一体。校准箱体的固定端和压力补偿室的固定端在浮动端的两侧，压力补偿室为密封腔体，压力补偿室与驻室之间连通，通过浮动端的压力补偿可以扣除掉驻室密封端面上的压力差。为了实现压力的完全扣除，在压力补偿室的浮动端和固定端之间设置有柔性的蒙皮，在驻室的固定端和密封端面之间设置有柔性蒙皮。

在压力补偿室和上设置有若干的压力传感器，用于监测压力补偿室和外部环境的压力差，供后期的修正使用。在浮动端上设置有若干个高精度测力天平的力传感器，多通道力传感器(通常大于6个)组成一个能够测量六分量力和力矩的天平。在驻室上设置有若干个(不少于4个)压力传感器，4个压力传感器测点位于箱体驻室的柔性蒙皮附近，用于测量箱体驻室和周围环境的压差，供修正使用，沿周向等间隔布置。

修正方法按照刚度影响修正、压力影响修正、带压刚度影响修正、标准喷管组合修正四步依次进行。

刚度影响修正按照以下2个子步实施：

a.光天平校准

将压力补偿室和箱体驻室的柔性蒙皮拆除，进行光天平校准；

校准获得天平系数矩阵C和天平每个分量的不确定度σ_i；

光天平校准完成后，判断σ_i是否满足高精度测力天平的要求，满足后再进行后续修正步骤，否则查找解决问题后，重新校准，直到σ_i能满足高精度测力天平的要求。

b.带柔性蒙皮校准

安装压力补偿室和箱体驻室的柔性蒙皮，进行带柔性蒙皮校准校准；

按照光天平校准相同的方法，校准获得天平系数矩阵C'和天平每个分量的不确定度σ'_i；

带柔性蒙皮校准完成后，判断σ'_i是否满足高精度测力天平的要求，满足后再进行后续修正步骤，否则优化柔性蒙皮设计或查找解决其它问题后，重新校准，直到σ'_i能满足高精度测力天平的要求。

压力影响修正按照以下2个子步实施：

a.天平回零测试

测量天平的不回零载荷，再根据天平量程及不确定度要求，判断不回零载荷是否满足高精度测力天平要求，满足后再进行后续修正步骤，否则优化柔性蒙皮设计或查找解决其它问题后，重新校准，直到不回零载荷能满足高精度测力天平的要求。

b.压力影响残余载荷修正

调节校准箱压力，使得校准箱与周围环境差生压差，在覆盖校准箱的设计指标的压差范围内选取不少于10个压力点p_i(i为压力点序列，范围为1,2,…，m)；

p_i为箱体驻室4个压力传感器的平均值，在每个压力点测量天平的不同压力下的残余载荷(Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mz)_i；

然后采用多项式拟合残余载荷(Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mz)_i与p_i关系曲线，建立残余载荷与校准箱压差的修正关系。

带压刚度影响修正：

调节校准箱压力，使得校准箱与周围环境差生压差，在校准箱的设计指标的压差范围内选取约3个压力点p_i(i为压力点序列，范围为1,2,…，m)；

在每个压力点采用标准砝码对天平进行加载，测量获得残余载荷(ΔFx,ΔFy,ΔFz,ΔMx,ΔMy,ΔMz)_i，然后采用多项式拟合残余载荷(ΔFx,ΔFy,ΔFz,ΔMx,ΔMy,ΔMz)_i与p_i关系曲线，建立压差对天平刚度的影响修正关系。

标准喷管组合修正：

调节校准箱压力，使得校准箱与周围环境差生压差，在校准箱的设计指标的压差范围内选取约3个压力点p_i(i为压力点序列，范围为1,2,…，m),记录两个压力补偿室压力(p1,p2)_i；

在每个压力点采用标准喷管进行喷流试验，对天平的载荷进行修正压力影响残余载荷、修正压差对刚度影响、修正压差分布不均带来的影响后，获得(Fx,Fy,Fz,Mx,My,Mz)_测；与标准喷管的标准推力相减获得推力测量误差(ΔFx,ΔFy,ΔFz,ΔMx,ΔMy,ΔMz)_i，校核推力测量误差在天平的范围内。

通过以上4步修正，完成校准箱压力补偿室对高精度测力天平影响的修正与校核。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (7)

1.一种校准箱压力补偿室对高精度测力天平影响的修正方法，其特征在于包括一个校准箱和两个压力补偿室，两个压力补偿室对称分布在校准箱驻室外的两侧，校准箱驻室内和压力补偿室内分别设置有压力传感器，

所述压力传感器用于实时采集压力补偿室内的状态参数，该状态参数用于修正参数的输入，修正过程依次包括：刚度影响修正、压力影响修正、带压刚度影响修正、标准喷管组合修正四步，

S1:所述刚度影响修正包括在无压力情况下对压力补偿室上的光天平校准，

S2:所述压力影响修正包括在有压力情况下对天平的回零测试和校准箱与残余载荷的压差修正关系，

S3:所述带压刚度影响修正包括在有压力情况下建立压差对天平刚度的影响修正关系，

S4:所述标准喷管组合修正包括在喷管工作情况下对天平的载荷进行修正获得推力测量误差，校核推力测量误差在天平的范围内。

2.根据权利要求1所述的一种校准箱压力补偿室对高精度测力天平影响的修正方法，其特征在于所述压力补偿室上光天平的校准包括两步：

S11:将压力补偿室和箱体驻室上的柔性蒙皮拆除，进行光天平校准，校准获得天平系数矩阵C和天平每个分量的不确定度σ_i，当σ_iσ_i优于0.15％满足高精度测力天平的要求；

S12:第二步，将压力补偿室和箱体驻室上安装柔性蒙皮，再进行光天平校准，校准获得天平系数矩阵C'和天平每个分量的不确定度σ′_i，判断σ′_i优于0.2％满足高精度测力天平的要求。

3.根据权利要求1所述的一种校准箱压力补偿室对高精度测力天平影响的修正方法，其特征在于所述压力修正包括：

S21:测量天平的不回零载荷,其不回零载荷小于1N满足高精度测力天平要求，进行后续修正步骤；

S22:调节校准箱压力，使得校准箱与周围环境差生压差，在压差范围内选取不少于10个压力点；

S23:在每个压力点测量天平的不同压力下的残余载荷，采用多项式拟合残余载荷与压力点的关系曲线，建立残余载荷与校准箱压差的修正关系。

4.根据权利要求3所述的一种校准箱压力补偿室对高精度测力天平影响的修正方法，其特征在于压力点的值为校准箱内所有压力传感器的平均值。

5.根据权利要求4所述的一种校准箱压力补偿室对高精度测力天平影响的修正方法，其特征在于所述校准箱内设置有不少于四个压力传感器，压力点位于箱体驻室的柔性蒙皮附近，沿周向等间隔布置。

6.根据权利要求1所述的一种校准箱压力补偿室对高精度测力天平影响的修正方法，其特征在于所述带压刚度影响修正包括：

S31:调节校准箱压力，使得校准箱与周围环境差生压差，在压差范围内选取约三个压力点；

S32:在每个压力点采用标准砝码对天平进行加载，测量获得残余载荷，采用多项式拟合残余载荷压力点关系曲线，建立压差对天平刚度的影响修正关系。

7.根据权利要求1所述的一种校准箱压力补偿室对高精度测力天平影响的修正方法，其特征在于所述标准喷管组合修正包括：

S41:调节校准箱压力，使得校准箱与周围环境差生压差，在校准箱的设计指标的压差范围内选取约三个压力点,记录两个压力补偿室的压力值；

S42：在每个压力点采用标准喷管进行喷流试验，对天平的载荷进行修正压力影响残余载荷、修正压差对刚度影响、修正压差分布不均带来的影响后获得标准喷管的测量推力；

S43:将测量到的推力与标准推力相减获得推力测量误差，校核推力测量误差在天平的范围内。

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