CN111157219A - 一种螺旋桨动力影响风洞试验用旋转轴天平 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种螺旋桨动力影响风洞试验用旋转轴天平，其特征在于，包括电路设计、结构设计和可靠性设计，所述电路设计包括放大电路设计、滤波电路设计和测温电路设计，所述结构设计包括PCB结构和接插件，本发明涉及一种螺旋桨动力影响风洞试验用旋转轴天平，利用仪表放大器和精密运放实现增益调节和差分输入输出，通过RC低通滤波滤除高频干扰，通过仪表运算放大器来实现200倍的增益放大，具有鲁棒的输入过压保护，确保其稳定性，并且不牺牲噪声性能，具有高ESD抑制能力和针对来自相反供电轨、高达40V的连续电压输入保护，通过一个电阻可将增益设置为1至1000，基准引脚可用来向输出电压施加精确失调，提高测量精度和稳定性。

Description

一种螺旋桨动力影响风洞试验用旋转轴天平

技术领域

本发明属于螺旋桨动力影响风洞试验技术领域，具体为一种螺旋桨动力影响风洞试验用旋转轴天平。

背景技术

由于具有起飞状态拉力大、巡航状态经济效率高的等优点，螺旋桨动力系统广泛应用于小型低速飞机和中小型运输机。由于螺旋桨动力系统对飞机气动特性影响很大，在预测飞机气动、飞行性能时应充分考虑。考虑到螺旋桨工作的复杂性和滑流结构的复杂性，目前风洞试验是获得螺旋桨动力影响最直接可靠的方法。

传统的螺旋桨风洞动力影响风洞试验采用电机作为动力源驱动螺旋桨旋转，由于尺寸、材料特性的限制，电机的功率密度提升非常困难，难以满足新型大功率涡桨动力系统的模拟要求，对此，需要设计一种螺旋桨动力影响风洞试验用旋转轴天平。

发明内容：

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种螺旋桨动力影响风洞试验用旋转轴天平，解决了背景技术中提到的问题。

为了解决上述问题，本发明提供了一种技术方案：

一种螺旋桨动力影响风洞试验用旋转轴天平，包括弹性材料、电桥测量电路、信号调理电路板、十字槽沉头螺钉，所述的信号调理电路板通过十字槽沉头螺钉安装在弹性材料上所述的测量电路是由应变计、导线组成的测量电路。

作为优选，所述弹性材料由内环、外环以及双层十字型弹性梁组成，弹性梁边缘呈圆弧形。

作为优选，所述电桥测量电路由应变计、导线组成的恵斯顿全桥测量电路，所述电桥测量电路设计包括放大电路设计、滤波电路设计和测温电路设计；

放大电路设计包括增益设置、增益与频率、CMRR与频率、差分输入输出；

增益设置：通过单个外部电阻可在1到1000范围内设置增益，增益公式：G＝1+(19.8kΩ/RG)，设置增益电阻RG＝99.49Ω，得到增益G＝200，增益电阻选用0.1％精密电阻，温漂系数10ppm；

增益与频率：在200倍放大时信号带宽在60kHz附近，满足2kHz范围内的信号通过；

CMRR与频率：在50Hz处，CMRR>140dB；

差分输入输出：仪表运放AD8422的输入为差分输入，输出要求为差分输出；

滤波电路设计指高频信号可以通过仪表放大器输入端的低通RC网络滤除，采用一阶RC低通滤波，倍频程衰减为-20dB/10倍频程，满足-18dB/10倍频程要求；

测温电路设计：需要监测天平内环表面和外环表面的温度。

作为优选，所述结构设计包括PCB结构和接插件；

PCB结构：天平为环式构型，环形中心对称均匀分布四个Φ2的PCB安装孔，通过螺钉将PCB紧固在天平上；

接插件：信号输入输出和供电端采用弯针PCB插座，针脚间距为2.0mm，减小占用PCB空间，插头带锁扣；

作为优选，所述可靠性设计包括元器件选择和模块三防处理；

元器件选择：包括仪表放大器、运算放大器、接插件、电阻和电容；

模块三防处理：三防漆涂覆于线路板的外表，形成一层轻且柔韧，厚度约为25-50微米厚的薄膜。

本发明的有益效果是：采用高强度合金钢制造弹性材料；根据测量电桥原理图粘贴应变计并组成恵斯顿电桥，并进行电桥温度补偿，以减小温度变化带来的测量电桥输出；测量电桥信号经过信号调理电路板，进行滤波、放大、调理；天平校准，即获取天平感知的力信号与电桥输出测量信号的对应关系；测量信号通过电路板上的电连接器传输至滑环，最后传输至风洞测控系统经过解算即可获得测量实际所感知的载荷。

附图说明：

为了易于说明，本发明由下述的具体实施及附图作以详细描述。

图1为本发明的正面立体结构示意图；

图2为本发明的反面立体结构示意图；

图3为本发明的功能框架结构示意图；

图4为本发明的增益设置结构示意图；

图5为本发明的差分输入输出配置结构示意图；

图6为本发明的低通滤波设计结构示意图；

图7为本发明的AD590的测试电路结构示意图。

图中：1、弹性材料；2、测量电桥电路；3、信号调理电路板；4、十字槽沉头螺钉。

具体实施方式：

如图1-7所示，本具体实施方式采用以下技术方案：具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本旋转轴天平的基本工作原理是将感受的力信号通过测量电路转换为电信号，然后传输至测控系统并进行结算，即可获得所感知的力信号。制造方法为：采用高强度合金钢制造弹性材料，根据测量电桥原理图粘贴应变计并组成恵斯顿电桥，然后进行电桥温度补偿，以减小温度变化带来的测量电桥输出。测量电桥信号经过信号调理电路板，进行滤波、放大、调理，然后通过电路板上的电连接器传输至滑环，最后传输至风洞测控系统进行处理。

其中，测量电路为惠斯顿全桥电路，共计6组电桥，每组电桥对应一个气动力分量，如图2所示。

天平的测量电桥采用惠斯顿全桥电路。当环境温度变化时，天平材料的弹性模量和应变计的灵敏度系数随之改变，进而引入了测量误差；同时，天平桥路的零点也会发生变化，影响到信号输出的稳定性。为了提高天平信号的稳定性和测量精度，需要进行天平测量电桥的补偿和调整，主要包括灵敏度补偿、灵敏度温度补偿、零点平衡补偿、零点温度补偿。图3所示为桥路补偿的基本原理。

其中，R1～R4——桥路应变计；

Rt——零点温度补偿电阻；

Ra——零点平衡补偿电阻；

Rm——灵敏度温度补偿电阻；

Rc——灵敏度补偿电阻；

U——供桥电压；

ΔU——桥路输出电压。

测量信号调理电路如图4所示。包括电路设计、结构设计和可靠性设计。

其中，所述电路设计包括放大电路设计、滤波电路设计和测温电路设计；

放大电路设计包括增益设置、增益与频率、CMRR与频率、差分输入输出，通过仪表运算放大器来实现200倍的增益放大，选用高精度、低功耗、低噪声轨到轨仪表放大器AD8422BRZ，它是一款具有业界最佳的每单位微安性能，该器件以超低失真性能处理信号，在整个输出范围内负载不影响性能，具有极低的偏置电流，高源阻抗时不会产生误差，允许多个传感器多路复用至输入端。低电压噪声和低电流噪声特性使AD8422成为测量惠斯顿电桥的理想选择，具有鲁棒的输入过压保护，确保其稳定性，并且不牺牲噪声性能，具有高ESD抑制能力和针对来自正负供电轨、高达40V的连续电压输入保护，通过一个电阻可将增益设置为1至1000，基准引脚可用来向输出电压施加精确失调，AD8422BRZ的具体指标参数如下表所示。

AD8422BRZ指标参数

增益设置：通过单个外部电阻可在1到1000范围内设置增益，增益公式：G＝1+(19.8kΩ/RG)，设置增益电阻RG＝99.49Ω，得到增益G＝200，增益电阻选用0.1％精密电阻，温漂系数10ppm，保证增益稳定性；

增益与频率：在200倍放大时信号带宽在60kHz附近，满足2kHz范围内的信号通过；

CMRR与频率：在50Hz处，CMRR>140dB；

差分输入输出：仪表运放的输入为差分输入，精密运放和仪表运放组合成差分输出；

通过如下图2-3所示实现差分信号的输出；

差分输出电压由如下公式设置：

VDIFF_OUT＝V+OUT-V-OUT＝增益×(V+IN-V-IN)

共模输出电压由如下公式设置：

VCM_OUT＝(V+OUT+V-OUT)/2＝VBIAS

这个电路的优点是直流差分精度取决于AD8422而不是运算放大器或者电阻，此外，这个电路利用了AD8422对其基准电压相关的输出电压的精确控制，由于该电路易受稳定性影响，可使用一个电容以限制有效运算放大器带宽，如果放大器工作稳定，则无需连接该电容。环境温度也应在预期范围内变动，以评估温度对稳定性的影响，为获得最佳的大信号交流性能，可以使用高压摆率的运算放大器，以匹配AD8422的0.8V/s性能，高带宽并非特别重要，因为系统带宽受RC反馈的限制，这里选择运算放大器AD8610满足要求；

滤波电路设计指高频信号可以通过仪表放大器输入端的低通RC网络滤除，采用一阶RC低通滤波，倍频程衰减为-20dB/10倍频程，满足-18dB/10倍频程要求；

滤波器根据以下关系式对输入信号带宽加以限制：

其中10CD≧10Cc，CD影响差模信号，Cc影响共模信号，正输入端R×Cc与负输入端R×Cc的不匹配会降低AD8422的CMRR性能，使CD的值比Cc大一个数量级，可以降低不匹配的影响，从而改善性能；

通过设置R、CD、Cc的值来调整截止频率，此处选择R＝330Ω，CD＝0.1uF，Cc＝10nF，计算得到差分低通滤波截止频率为f＝2.3kHz；

测温电路设计：需要监测天平内环表面和外环表面的温度；

采用表贴感温器件用硅胶粘附在被测表面，从而真实可靠的测试表面温度。选用温度变送器芯片AD590MF，AD590是美国ANALOG DEVICES公司的单片集成两端感温电流源，它是一个将输出电流比例转换成绝对温度的二终端集成电路温度变换装置，其输出电流与绝对温度成比例。在4V至30V电源电压范围内，该器件可充当一个高阻抗、恒流调节器，调节系数为1μA/K。芯片的薄膜电阻器的激光微调装置被用于将设备微调至在298.2K(+25℃)时输出298.2uA，应用AD590时，无需线性化电路、精密电压放大器、电阻测量电路和冷结补偿，AD590特别适合远程检测应用，它提供高阻抗电流输出，对长线路上的压降不敏感。任何绝缘良好的双绞线都适用，与接收电路的距离可达到几十米，AD590的参数如下所示；

线性输出电流：1μA/K

宽温度范围：-55℃至+150℃

双端器件：电压输入/电流输出

出色的线性度：满量程范围±0.3℃

宽电源电压范围：4V至30V

AD590粘贴在被测表面，通过线缆连接至远端(测控端)，在远端串接一个1k精密电阻，将输出电流调理成1mV/k的比例电压输出，通过采集1k精密电阻两端的电压来测量温度；

其中，所述结构设计包括PCB结构和接插件；

PCB结构：天平为环式构型，环形中心对称均匀分布四个Φ3的PCB安装孔，通过螺钉将PCB紧固在天平上；

接插件：信号输入输出和供电端采用弯针PCB插座，针脚间距为2.0mm，减小占用PCB空间，插头带锁扣；

其中，所述可靠性设计包括元器件选择和模块三防处理；

元器件选择：包括仪表放大器、运算放大器、接插件、电阻和电容，前置放大模块选用的主要元器件和可靠性预计如下表所示。

前置放大模块元器件可靠性预计表

元器件计数法的可靠性数学模型为：

n

λGS＝∑Ni(λp)

i＝1

根据可靠性预计表中的数据，可计算得到模块元器件失效率为：

λGS＝6.4992×10-6/h

前置放大模块平均故障间隔时间为：

MTBF＝1/λGS＝153865小时

模块三防处理：在现实条件下，如化学环境(燃料、冷却剂等)、震动、高尘、盐雾、潮湿与高温等，线路板可能产生腐蚀、软化、变形、霉变等问题，导致线路板电路出现故障，为了保护线路板及其相关设备免受坏境的侵蚀，需对线路板进行三防处理，从而提高并延长它们的使用寿命，确保使用的安全性和可靠性，三防漆涂覆于线路板的外表，形成一层轻且柔韧，厚度约为25-50微米厚的薄膜，保护膜可有效地隔离线路板，保护电路免遭恶劣环境的侵蚀、破坏，提高线路板的可靠性，增加其安全系数，保证其使用寿命。

注意事项：

硬件设计标准：1、GB 4793.1-2007《测量、控制和实验室用电气设备的安全要求》；2、GJB1805-1993《数据采集设备通用规范》；3、GJB299C-2006《电子设备可靠性预计手册》；4、GJB3947-2000《军用电子测试设备通用规范》；5、GB/T2423.1-2008《电工电子产品环境试验》。

可靠性措施：该前置放大模块在研发设计实施过程中严格遵守质量管理流程，模块从设计、研发到实施，经过可行性评审、设计评审等环节严格把关，经过多次的测试和应用，在功能的效率和稳定度方面要远优于新开发的模块，根据实际情况提出了进一步提高硬件系统可靠性的必要措施：

根据相关国标、国军标和单位的可靠性设计规范，制定整机可靠性试验大纲，提出技术要求，加强可靠性设计；

基于已有相关工程成果，尽量采用成熟、可靠的技术与产品；

严格元器件的采购与筛选工作。元器件和原材料的采购确保优质定点，对采用的新材料、新器件进行充分论证和试验，证明确实可靠后，报上级设计负责部门批准；

严格科研与生产管理程序；

设计和开发过程中，充分采用自动化设计工具与辅助开发软件；

硬件设计首先确保设计可靠性，充分利用成熟的EDA工具进行仿真、分析和验证；硬件模块要经过充分测试与试验。

维修性设计：根据国标、国军标等相关规范和标准，结合针对硬件系统的具体要求，确定系统维修设计规范，确定检测快速性、互换性、可达性、模块化等维修性要求，根据系统相关技术要求确定定量要求，设计合理的系统平均维修时间MTTR。

为确保硬件系统的可维修性指标达到要求，需要采取以下措施：

结构设计过程中为维修操作留出足够空间，包括使用工具等的空间，保证维修迅速便捷；

提高系统模块的标准化程度，可以大大简化维修，便于拆拼修理，减轻保障负担；

提供完善的防差错措施和识别标记。从结构设计上保证安装、更换、插件插头安装时，不会插错或装错，同时，设置必要的文字、标识和符号等；

防止维修时损伤维修人员，采取必要的保护措施。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种螺旋桨动力影响风洞试验用旋转轴天平，其特征在于，包括弹性材料(1)、电桥测量电路(2)、信号调理电路板(3)、十字槽沉头螺钉(4)，所述的信号调理电路板(3)通过十字槽沉头螺钉(4)安装在弹性材料(1)上所述的测量电路(2)是由应变计、导线组成的测量电路。

2.根据权利要求1所述的一种螺旋桨动力影响风洞试验用旋转轴天平，其特征在于：所述弹性材料(1)由内环、外环以及双层十字型弹性梁组成，弹性梁边缘呈圆弧形。

3.根据权利要求1所述的一种螺旋桨动力影响风洞试验用旋转轴天平，其特征在于：所述电桥测量电路(2)由应变计、导线组成的恵斯顿全桥测量电路，所述电桥测量电路(2)设计包括放大电路设计、滤波电路设计和测温电路设计；

3.1、放大电路设计包括增益设置、增益与频率、CMRR与频率、差分输入输出；

3.1.1、增益设置：通过单个外部电阻可在1到1000范围内设置增益，增益公式：G＝1+(19.8kΩ/RG)，设置增益电阻RG＝99.49Ω，得到增益G＝200，增益电阻选用0.1％精密电阻，温漂系数10ppm；

3.1.2、增益与频率：在200倍放大时信号带宽在60kHz附近，满足2kHz范围内的信号通过；

3.1.3、CMRR与频率：在50Hz处，CMRR>140dB；

3.1.4、差分输入输出：仪表运放AD8422的输入为差分输入，输出要求为差分输出；

3.2、滤波电路设计指高频信号可以通过仪表放大器输入端的低通RC网络滤除，采用一阶RC低通滤波，倍频程衰减为-20dB/10倍频程，满足-18dB/10倍频程要求；

3.3、测温电路设计：需要监测天平内环表面和外环表面的温度。

4.根据权利要求1所述的一种螺旋桨动力影响风洞试验用旋转轴天平，其特征在于：所述结构设计包括PCB结构和接插件；

4.1、PCB结构：天平为环式构型，环形中心对称均匀分布四个Φ2的PCB安装孔，通过螺钉将PCB紧固在天平上；

4.2、接插件：信号输入输出和供电端采用弯针PCB插座，针脚间距为2.0mm，减小占用PCB空间，插头带锁扣。

5.根据权利要求1所述的一种螺旋桨动力影响风洞试验用旋转轴天平，其特征在于：所述可靠性设计包括元器件选择和模块三防处理；

5.1、元器件选择：包括仪表放大器、运算放大器、接插件、电阻和电容；

5.2、模块三防处理：三防漆涂覆于线路板的外表，形成一层轻且柔韧，厚度约为25-50微米厚的薄膜。

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