CN110806301A - 一种直流暂冲式跨声速风洞的连续测量系统及其测量方法 - Google Patents

Abstract

一种直流暂冲式跨声速风洞的连续测量系统及其测量方法属于风洞试验技术领域；现有设备信号之间存在小量的时序差；本系统所述迎角连续测量装置包括迎角电位计和迎角编码器，所述压力传感器的输出端、应变天平的输出端、迎角电位计的输出端分别与HBM数据采集设备的输入端连接，所述HBM数据采集设备与数据采集算机双向连接，所述迎角编码器的输出端与IK220板卡的输入端连接，所述IK220板卡的输出端与数据采集算机的输入端连接，所述数据采集算机与以太网交互双向连接，所述以太网交换机与数据处理算机通过以太网双向连接；有效的解决了由于各个通道顺序采集的方式造成采集到的数据存在时序差的问题；本方法准确获得了敏感迎角范围的气动特性和效率提高。

Description

一种直流暂冲式跨声速风洞的连续测量系统及其测量方法

技术领域

本发明属于风洞试验技术领域，尤其涉及一种直流暂冲式跨声速风洞的连续测量系统及其测量方法。

背景技术

连续测量测力试验技术可以实现对飞行器模型的气动量在整个试验迎角范围内的连续测量，能够完整地得到模型在全迎角下的气动特性(静态)，相比阶梯变迎角试验方法得到更多的试验信息，可以较准确得到全迎角尤其是敏感迎角范围的气动特性，为飞行器模型试验提供可靠的试验数据，并在一定程度上提高试验效率，降低试验成本。

测力试验时，模型姿态角通常由角度传感器测得，而气动力和力矩则由天平测量得到。由于角度传感器和天平的响应特性不同，所以信号之间存在小量的时序差。对于阶梯测力，阶梯稳定时间远大于此时序差，因此对试验数据毫无影响。而迎角运行速度较快的连续变迎角试验使信号之间时序差的影响凸显出来，从而使得连续变迎角测力试验数据发生迎角的平移现象。

发明内容

本发明克服了上述现有技术的不足，提供一种直流暂冲式跨声速风洞的连续测量系统及其测量方法，本系统采用输出信号为模拟量的角度电位计结合数字量的角度编码器，选取了具有并行采集功能的HBM数据采集系统，实现由同一数据采集设备采集模型的迎角值和天平六元输出信号；有效的解决了由于各个通道顺序采集的方式造成采集到的数据存在时序差的问题；本方法准确获得了敏感迎角范围的气动特性和效率提高。

本发明的技术方案：

技术方案一

一种直流暂冲式跨声速风洞的连续测量系统，包括压力传感器、应变天平、迎角连续测量装置、HBM数据采集设备、数据采集算机、IK220板卡、以太网交换机和数据处理算机；迎角连续测量装置包括迎角电位计和迎角编码器，所述压力传感器的输出端、应变天平的输出端、迎角电位计的输出端分别与HBM数据采集设备的输入端连接，所述HBM数据采集设备与数据采集算机双向连接，所述迎角编码器的输出端与IK220板卡的输入端连接，所述IK220板卡的输出端与数据采集算机的输入端连接，所述数据采集算机与以太网交互双向连接，所述以太网交换机与数据处理算机通过以太网双向连接。

进一步地，所述迎角连续测量装置还包括托板接头、整流罩、南侧端盖、电位计安装座、轴套、轴、圆柱滚子轴承、编码器安装座、编码器锁紧套和北侧端盖；所述轴的外部安装有轴套，轴的两端安装有圆柱滚子轴承，一侧的圆柱滚子轴承连接电位计安装座，电位计安装座内安装迎角电位计，所述迎角电位计和电位计安装座外部安装有南侧端盖，另一侧的圆柱滚子轴承与编码器安装座连接，编码器安装座内安装迎角编码器，迎角编码器外部套有编码器锁紧套，所述编码器安装座、迎角编码器和编码器锁紧套外部套有北侧端盖。

进一步地，所述迎角连续测量装置还包括内六角圆柱头螺钉。

技术方案二

一种基于技术方案一所述一种直流暂冲式跨声速风洞的连续测量系统实现的测量方法，包括下列步骤：

步骤a、确定流场快速跟随调节；

步骤b、确定迎角运行速率为1°/s；

步骤c、确定数据采样率为2400Hz；

步骤d、确定截止频率为1.25Hz；

步骤e、进行同步采集测量数据；压力传感器、应变天平和用输出信号为模拟量的迎角电位计的信号通过HBM数据采集设备传输至数据采集算机，数字量的迎角编码器的信号通过IK220板卡同样采集数据至数据采集算机，并且进行连续测量；

步骤f、通过试验现场工业以太网将采集的数据传输至数据处理算机进行滤波处理和信号同步修正处理。

进一步地，所述连续测量的方法包括下列步骤：

步骤e1、在打自重初读数连续采集阶段中，模型初始位置为零位置，接收中心控制系统“启动迎角”命令后，迎角系统走到给定的初始位置并向中心控制系统发送到位信号；

步骤e2、中心控制系统向数据采集系统发送“开始初读数连采”命令开始连续数据采集；

步骤e3、迎角系统匀速走到结束位置后向中心控制系统发送迎角到位命令；

步骤e4、中心控制系统向数据采集系统发送“结束初读数连采”结束连续采集，并令迎角系统回零；

步骤e5、迎角系统回零到位；

步骤e6、在吹风过程中，中心控制系统首先命令流场控制系统进行流场调节，待流场稳定后启动迎角，迎角系统走到给定的初始位置并向中心控制系统发送到位信号；

步骤e7、中心控制系统向数据采集系统发送“开始读数连采”命令开始连续数据采集；

步骤e8、迎角系统匀速走到结束位置后向中心控制系统发送迎角到位命令；

步骤e9、中心控制系统向数据采集系统发送“结束读数连采”结束连续采集，并令迎角系统回零；

步骤e10、至迎角回零到位后，中心控制系统命令流场控制系统关闭调压阀，试验结束。

进一步地，所述数据处理算机进行信号同步修正处理的方法包括下列步骤：

步骤f1、对数据进行迎角平滑预处理；

步骤f2、进行边界处理，截取迎角延拓范围内的试验数据；

步骤f3、对初读数的数据和吹风读数的数据进行信号同步修正，再以吹风读数的迎角序列为基准将初读数数据进行插值；

步骤f4、按照常规测力试验的数据处理方法进行天平力及相关系数的计算；

步骤f5、按照需求迎角序列进行插值。

本发明相对于现有技术具有以下有益效果：

本发明提供了一种直流暂冲式跨声速风洞的连续测量系统及其测量方法，本系统采用输出信号为模拟量的角度电位计结合数字量的角度编码器，实现由同一数据采集设备采集模型的迎角值和天平六元输出信号；在实现天平气动载荷、流场参数和模型姿态的同步采集时，选取了具有并行采集功能的HBM数据采集系统，从根本上解决了VXI采集系统由于其各通道串行采集方式，即各个通道顺序采集的方式造成采集到的数据存在时序差的问题；

本方法的数据采样率选用2400Hz，截止频率设为1.25Hz时基本能够滤掉杂波；连续测量试验时迎角速度取1°/s，采用1°/s的迎角运行速率确保模型绕流的充分发展，所获得的气动力数据真实反映了相应来流条件下的模型静态气动力；一方面连续测量在模型升力特性和俯仰力矩特性拐折点附近获得了更多的信息，准确获得了敏感迎角范围的气动特性，另一方面，与常规M数控制方式相比，采用M数精确控制方式阶梯测量时效率提高，在M＝1.0～1.2时节能约25％～40％；连续测量在迎角速度为1°/s时一次吹风30s即可完成，效率显著提高，与常规M数控制阶梯测量相比，节能约40％～60％。

附图说明

图1是本发明系统架构图；

图2是迎角连续测量装置侧视图；

图3是迎角连续测量装置主视图；

图4是连续测量试验控制流程图；

图5是连续测量试验数据处理流程图；

图6是连续测量装置托板接头和整流罩的安装位置图。

图中：1托板接头、2内六角圆柱头螺钉、3整流罩、6南侧端盖、7迎角电位计、8电位计安装座、10轴套、11轴、12圆柱滚子轴承、13编码器安装座、14迎角编码器、15编码器锁紧套、16北侧端盖。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明进行详细说明。

具体实施方式一

一种直流暂冲式跨声速风洞的连续测量系统，如图1所示，包括压力传感器、应变天平、迎角连续测量装置、HBM数据采集设备、数据采集算机、IK220板卡、以太网交换机和数据处理算机；迎角连续测量装置包括迎角电位计7和迎角编码器14，所述压力传感器的输出端、应变天平的输出端、迎角电位计7的输出端分别与HBM数据采集设备的输入端连接，所述HBM数据采集设备与数据采集算机双向连接，所述迎角编码器14的输出端与IK220板卡的输入端连接，所述IK220板卡的输出端与数据采集算机的输入端连接，所述数据采集算机与以太网交互双向连接，所述以太网交换机与数据处理算机通过以太网双向连接。

工作原理：压力传感器、天平应变力和迎角电位计7的信号通过HBM数据采集设备传输至数据采集算机，数字量迎角编码器14的信号通过IK220板卡同样采集至数据采集算机，再通过试验现场工业以太网传输至数据处理算机进行数据处理。

用输出信号为模拟量的角度电位计结合数字量的角度编码器，实现由同一数据采集设备采集模型的迎角值和天平六元输出信号；在实现天平气动载荷、流场参数和模型姿态的同步采集时，选取了具有并行采集功能的HBM数据采集系统，从根本上解决了VXI采集系统由于其各通道串行采集方式，即各个通道顺序采集的方式造成采集到的数据存在时序差的问题。

连续测量的关键技术之一就是在数据采集时，必须解决模型姿态角与气动力的同步采集问题。因为从阶梯式的测量方式到连续扫描的测量方式，测量的信号发生了本质的变化，在数据测量过程中，需解决实时测量模型姿态角，实现天平气动载荷、流场参数和模型姿态的同步采集。通过发明的连续测量装置可实现模型姿态角与气动力的同步采集。

具体地，如图2和图3所示，所述迎角连续测量装置还包括托板接头1、整流罩3、南侧端盖6、电位计安装座8、轴套10、轴11、圆柱滚子轴承12、编码器安装座13、编码器锁紧套15和北侧端盖16；所述轴11的外部安装有轴套10，轴11的两端安装有圆柱滚子轴承12，一侧的圆柱滚子轴承12连接电位计安装座8，电位计安装座8内安装迎角电位计7，所述迎角电位计7和电位计安装座8外部安装有南侧端盖6，另一侧的圆柱滚子轴承12与编码器安装座13连接，编码器安装座13内安装迎角编码器14，迎角编码器14外部套有编码器锁紧套15，所述编码器安装座13、迎角编码器14和编码器锁紧套15外部套有北侧端盖。

具体地，所述迎角连续测量装置还包括内六角圆柱头螺钉2。

具体地，托板接头1上安装有整流罩3，所述迎角连续测量装置通过托板接头1固定在托板17上，如图6所示，中间虚线为风洞轴线。

具体实施方式二

一种基于具体实施方式一所述一种直流暂冲式跨声速风洞的连续测量系统实现的测量方法，包括下列步骤：

步骤a、确定流场快速跟随调节；

连续测量试验时，模型始终都是按照一定的速率运动的，即模型的阻塞度一直在变化，这就要求在直流暂冲式跨声速风洞的控制系统要时时调节试验流场，从而能保证模型迎角匀速运动过程中马赫数始终保持在控制精度要求内。流场快速跟随调节能力是直流暂冲式跨声速风洞实现连续测量的首要条件。

步骤b、确定迎角运行速率为1°/s；

模型迎角运行速率的选择不仅要考虑对风洞流场、测量信号的有效频带和试验数据质量的影响，同时还要兼顾风洞运行的经济性要求。因此，模型迎角运行速率的选择是暂冲式高速风洞连续变迎角试验的核心问题。若迎角运行速率过快，不仅难以保证模型绕流的充分发展，导致气动特性在连续测量试验技术中的迟滞效应，影响数据质量，同时也加大了流场跟随调节和信号测量的难度，并且有可能增加试验段流场的脉动，影响试验数据质量。但若模型迎角运行速率过低，则经济性难以满足工程应用要求。因此，须用不同迎角运行速率的试验结果与阶梯测量试验结果进行对比分析，选取连续测量时的最佳迎角运行速率，保证在该迎角速率下未发生气动特性迟滞现象。

考虑到数据质量和运行经济性两个方面的因素，连续测量试验时迎角速度取1°/s即可，采用1°/s的迎角运行速率可以确保模型绕流的充分发展，所获得的气动力数据真实反映了相应来流条件下的模型静态气动力。

步骤c、确定数据采样率为2400Hz；

数据采样率选取时，考虑到天平自身200Hz～300Hz的频响，采样率取大于4倍，即大于1200Hz即可，但为了分析数据以及后续数据处理时有足够数据样本，采样率选用2400Hz。

步骤d、确定截止频率为1.25Hz；

连续变迎角信号连续测量与阶梯变迎角信号步进测量的一个根本区别在于测量的信号由恒定的静态直流信号转变为变化的、由不同频率成分组成的动态信号。从频域分布来看，气动信号的主要能量分布集中于低频段0-5Hz范围内。随着频率的提高，功率谱密度急剧下降。理想的状况是，在信号调理过程中，低通滤波器的截止频率应保证有效的信号频率成分通过，即低通滤波截止频率fc尽可能取较高的值。若fc的取值过低，则实际信号的有效成分将连同干扰信号一同滤除，测量信号的延时也会加大，出现测量失真。但在实际的测量过程中，由于各种干扰信号存在，低通滤波器在保证有效信号成分不遗漏的前提下，必须抑制干扰信号。为有效抑制干扰信号，fc的取值应取较低的值。因此，在连续变迎角测力试验过程中，确保测量信号的有效频率成分不遗漏和通过滤波抑制各种干扰是相互矛盾的，滤波截止频率的合理选取，是该项试验成功的关键之一。

数字滤波即截止频率选取时，测量信号较大时截止频率1.25Hz和2.5Hz的数据有很好的一致性，但测量信号较小时，截止频率为2.5Hz的数据干扰信号仍旧较大，数据波动量很大，而截止频率1.25Hz基本滤掉了多余的干扰信号，因此截止频率取1.25Hz。

步骤e、进行同步采集测量数据；压力传感器、应变天平和用输出信号为模拟量的迎角电位计7的信号通过HBM数据采集设备传输至数据采集算机，数字量的迎角编码器14的信号通过IK220板卡同样采集数据至数据采集算机，并且进行连续测量；

测力试验时，模型姿态角通常由角度传感器测得，而气动力和力矩则由天平测量得到。由于角度传感器和天平的响应特性不同，所以信号之间存在小量的时序差。迎角运行速度较快的连续变迎角试验使信号之间时序差的影响凸显出来，从而使得连续变迎角测力试验数据发生迎角的平移现象。因此需计算出风洞试验中各信号之间的时序差，并据此对数据进行同步修正，从而保证连续变迎角测力试验数据的准确性。

在测量模型姿态角时，用输出信号为模拟量的角度电位计结合数字量的角度编码器，从而实现由同一数据采集设备采集模型的迎角值和天平六元输出信号。在实现天平气动载荷、流场参数和模型姿态的同步采集时，选取了具有并行采集功能的HBM数据采集系统，从根本上解决了VXI采集系统由于其各通道串行采集方式，即各个通道顺序采集的方式造成采集到的数据存在时序差的问题。

步骤f、通过试验现场工业以太网将采集的数据传输至数据处理算机进行数据处理，数据处理方式包括滤波处理和信号同步修正处理。

连续采集过程中可能在高频段分布着有用的天平信号，所以在采集过程中，硬件滤波的截止频率将远高于阶梯采集试验的滤波截止频率，这将导致低频部分将包含大量未被过滤掉的干扰信号，所以需要进一步进行滤波处理。

由于连续扫描是在模型运动过程中进行采集的，不能通过平均的方式消除干扰，鉴于小波变换的低熵性、多分辨率、去相关性和适应性强等特点在信号降噪处理上的优异表现，故采用小波消噪进行滤波处理，以保留有用信号中的尖峰和突变部分。

测力试验时，模型姿态角由角度电位计测得，而气动力和力矩则由天平测量得到。由于电位计和天平的响应特性不同，所以信号之间存在小量即0-0.05s左右的时序差。迎角运行速度较快的连续变迎角试验使信号之间时序差的影响凸显出来，从而使得连续变迎角测力试验数据发生迎角的平移现象。

为精确求出信号之间的时序差，需要使用互相关函数，其原理为：假设两个平稳随机信号的时间历程为x(t)、y(t)，则两个信号的互相关函数R_xy(τ)为式(1)：

根据互相关函数的性质，假定迎角信号x(t)是系统的输入信号，而天平某元信号y(t)是系统的输出信号，则互相关函数R_xy(τ)最高峰处的τ就是天平该元和角度电位计之间的延迟时差试验数据处理方法。

应用互相关函数，可精确计算出风洞试验中各信号与角度电位计之间的时序差，以角度电位计信号的时序为标准时序，对原始数据进行时序对齐修正，得到完全同步的原始数据，从而保证试验数据的准确性。

具体地，如图4所示，连续测量分为两个阶段，打自重初读数连续采集阶段和吹风数据连续采集阶段，所述连续测量的方法包括下列步骤：

步骤e1、在打自重初读数连续采集阶段中，模型初始位置为零位置，接收中心控制系统“启动迎角”命令后，迎角系统走到给定的初始位置并向中心控制系统发送到位信号；

步骤e2、中心控制系统向数据采集系统发送“开始初读数连采”命令开始连续数据采集；

步骤e3、迎角系统匀速走到结束位置后向中心控制系统发送迎角到位命令；

步骤e4、中心控制系统向数据采集系统发送“结束初读数连采”结束连续采集，并令迎角系统回零；

步骤e5、迎角系统回零到位；

步骤e6、在吹风过程中，中心控制系统首先命令流场控制系统进行流场调节，待流场稳定后启动迎角，迎角系统走到给定的初始位置并向中心控制系统发送到位信号；

步骤e7、中心控制系统向数据采集系统发送“开始读数连采”命令开始连续数据采集；

步骤e8、迎角系统匀速走到结束位置后向中心控制系统发送迎角到位命令；

步骤e9、中心控制系统向数据采集系统发送“结束读数连采”结束连续采集，并令迎角系统回零；

步骤e10、至迎角回零到位后，中心控制系统命令流场控制系统关闭调压阀，试验结束。

具体地，如图5所示，所述数据处理算机进行信号同步修正处理的方法包括下列步骤：

步骤f1、对数据进行迎角平滑预处理；

步骤f2、进行边界处理，截取迎角延拓范围内的试验数据；

步骤f3、对初读数的数据和吹风读数的数据进行信号同步修正，再以吹风读数的迎角序列为基准将初读数数据进行插值；

步骤f4、按照常规测力试验的数据处理方法进行天平力及相关系数的计算；

步骤f5、按照需求迎角序列进行插值。

数据处理时首先对数据进行预处理，截取迎角延拓范围内的试验数据，然后对初读数的数据和吹风读数的数据进行信号同步修正，再以吹风读数的迎角序列为基准将初读数数据进行插值，最后按照常规测力试验的数据处理方法进行天平力及相关系数的计算，最后按照需求迎角序列进行插值，有效的提高风洞试验效率、节约能源、获取随速度和迎角连续变化的试验数据，特别是在直流暂冲式跨声速风洞中连续测量试验数据的实时采集、降噪及数据后处理等关键技术从根本上得到解决。

Claims (6)

1.一种直流暂冲式跨声速风洞的连续测量系统，其特征在于，包括压力传感器、应变天平、迎角连续测量装置、HBM数据采集设备、数据采集算机、IK220板卡、以太网交换机和数据处理算机；迎角连续测量装置包括迎角电位计(7)和迎角编码器(14)，所述压力传感器的输出端、应变天平的输出端、迎角电位计(7)的输出端分别与HBM数据采集设备的输入端连接，所述HBM数据采集设备与数据采集算机双向连接，所述迎角编码器(14)的输出端与IK220板卡的输入端连接，所述IK220板卡的输出端与数据采集算机的输入端连接，所述数据采集算机与以太网交互双向连接，所述以太网交换机与数据处理算机通过以太网双向连接。

2.根据权利要求1所述一种直流暂冲式跨声速风洞的连续测量系统，其特征在于，所述迎角连续测量装置还包括托板接头(1)、整流罩(3)、南侧端盖(6)、电位计安装座(8)、轴套(10)、轴(11)、圆柱滚子轴承(12)、编码器安装座(13)、编码器锁紧套(15)和北侧端盖(16)；所述轴(11)的外部安装有轴套(10)，轴(11)的两端安装有圆柱滚子轴承(12)，一侧的圆柱滚子轴承(12)连接电位计安装座(8)，电位计安装座(8)内安装迎角电位计(7)，所述迎角电位计(7)和电位计安装座(8)外部安装有南侧端盖(6)，另一侧的圆柱滚子轴承(12)与编码器安装座(13)连接，编码器安装座(13)内安装迎角编码器(14)，迎角编码器(14)外部套有编码器锁紧套(15)，所述编码器安装座(13)、迎角编码器(14)和编码器锁紧套(15)外部套有北侧端盖。

3.根据权利要求2所述一种直流暂冲式跨声速风洞的连续测量系统，其特征在于，所述迎角连续测量装置还包括内六角圆柱头螺钉(2)。

4.一种基于权利要求1所述一种直流暂冲式跨声速风洞的连续测量系统实现的测量方法，其特征在于，包括下列步骤：

步骤a、确定流场快速跟随调节；

步骤b、确定迎角运行速率为1°/s；

步骤c、确定数据采样率为2400Hz；

步骤d、确定截止频率为1.25Hz；

步骤e、进行同步采集测量数据；压力传感器、应变天平和用输出信号为模拟量的迎角电位计(7)的信号通过HBM数据采集设备传输至数据采集算机，数字量的迎角编码器(14)的信号通过IK220板卡同样采集数据至数据采集算机，并且进行连续测量；

步骤f、通过试验现场工业以太网将采集的数据传输至数据处理算机进行滤波处理和信号同步修正处理。

5.根据权利要求1所述一种直流暂冲式跨声速风洞的连续测量方法，其特征在于，所述连续测量的方法包括下列步骤：

步骤e1、在打自重初读数连续采集阶段中，模型初始位置为零位置，接收中心控制系统“启动迎角”命令后，迎角系统走到给定的初始位置并向中心控制系统发送到位信号；

步骤e2、中心控制系统向数据采集系统发送“开始初读数连采”命令开始连续数据采集；

步骤e3、迎角系统匀速走到结束位置后向中心控制系统发送迎角到位命令；

步骤e4、中心控制系统向数据采集系统发送“结束初读数连采”结束连续采集，并令迎角系统回零；

步骤e5、迎角系统回零到位；

步骤e6、在吹风过程中，中心控制系统首先命令流场控制系统进行流场调节，待流场稳定后启动迎角，迎角系统走到给定的初始位置并向中心控制系统发送到位信号；

步骤e7、中心控制系统向数据采集系统发送“开始读数连采”命令开始连续数据采集；

步骤e8、迎角系统匀速走到结束位置后向中心控制系统发送迎角到位命令；

步骤e9、中心控制系统向数据采集系统发送“结束读数连采”结束连续采集，并令迎角系统回零；

步骤e10、至迎角回零到位后，中心控制系统命令流场控制系统关闭调压阀，试验结束。

6.根据权利要求1所述一种直流暂冲式跨声速风洞的连续测量方法，其特征在于，所述数据处理算机进行信号同步修正处理的方法包括下列步骤：

步骤f1、对数据进行迎角平滑预处理；

步骤f2、进行边界处理，截取迎角延拓范围内的试验数据；

步骤f3、对初读数的数据和吹风读数的数据进行信号同步修正，再以吹风读数的迎角序列为基准将初读数数据进行插值；

步骤f4、按照常规测力试验的数据处理方法进行天平力及相关系数的计算；

步骤f5、按照需求迎角序列进行插值。

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