CN111397839B - 针对风洞气动力测量的光纤天平温度修正方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种针对风洞气动力测量的光纤天平温度修正方法及装置，该方法包括：将模型由风洞流场区域外移入风洞流场中心，进行气动力测量至测量结束，在关闭风洞前将模型移出，并记录上述过程的时间信息及输出信号；获取模型移入风洞流场前的初始时刻及对应的光纤应变计输出信号，以及模型移出风洞流场后的结束时刻及对应的光纤应变计输出信号；利用二次函数拟合，获得二次函数系数，得到对应的热输出；根据得到的热输出修正光纤应变计输出信号，获得温度修正后的气动力测量结果。本发明可实现单个应变计温度修正，简单易行，实用性好，并能够有效提高气动力测量精度。

Description

针对风洞气动力测量的光纤天平温度修正方法及装置
技术领域
本发明涉及风洞测量技术领域，尤其涉及一种针对风洞气动力测量的光纤天平温度修正方法及装置。
背景技术
光纤应变计具有灵敏度高、尺寸小、温度不敏感等优点，采用光纤应变计的光纤天平，为高超声速风洞气动力测量提供了一种可行途径。在高超声速风洞中，风洞流场温度高(气流总温可达400K～3000K)，模型和天平都会被加热，其温度都随着试验时间的增长而升高。应变天平温度升高将产生两方面的影响，一是天平本体温度升高，天平结构膨胀产生热应变，二是应变计的温度升高，引起热输出，两方面的共同作用导致应变天平存在较大热输出，从而影响天平测量气动力有效载荷信号的精准度。由于光纤应变计自身具有温度不敏感的特点，因此，光纤天平的热输出主要来至于天平本体的热膨胀引起的热应变。
目前，应对光纤天平的热输出主要有两种方法：一种方法是在光纤应变计附近安装光纤光栅等测温传感器，在温度试验装置内测得光纤应变计热输出随温度或测温传感器输出的函数关系，在风洞试验中，测温传感器可实时测量光纤天平的温度，并换算成光纤应变计的热输出，将光纤应变计的实际输出减去计算得到的光纤应变计热输出，就可得到光纤应变计的实际载荷输出。采用该方法后，应变计、传感器的安装数量翻倍，难度增大，同时光信号通道提高一倍，对信号解调提出了更高要求，不易实现。另一种方法是对称补偿方法，该方法假设天平对称位置的温度相等，因而对称位置的光纤应变计输出成一定比例关系，只需要在温度试验装置内获取该比例系数，就可实现温度补偿。但模型在风洞中带攻角试验时，天平对称位置的温度不一定相等，因此，采用该对称补偿方法也存在一定偏差。
发明内容
本发明的目的是针对上述至少一部分缺陷，提供一种无需增设传感器即可有效修正应变天平热输出的光纤天平温度修正方法。
为了实现上述目的，本发明提供了一种针对风洞气动力测量的光纤天平温度修正方法，包括如下步骤：
S1、将模型及设有光纤应变计的光纤天平由风洞流场区域外移入风洞流场中心，进行气动力测量至测量结束，在关闭风洞前将模型移出，并记录上述过程的时间信息及相应的光纤应变计输出信号；
S2、获取模型移入风洞流场前的初始时刻t1及对应的光纤应变计输出信号λ1，以及模型移出风洞流场后的结束时刻t2及对应的光纤应变计输出信号λ2；其中，初始时刻t1和结束时刻t2模型处于同一位置、同一姿态；
S3、利用二次函数Δλ＝a*t2拟合(t1,λ1)、(t2,λ2)，获得二次函数系数a，根据二次函数系数a得到初始时刻t1到结束时刻t2对应的热输出；
S4、根据得到的热输出修正光纤应变计输出信号，获得温度修正后的气动力测量结果。
优选地，所述步骤S1进一步包括：
S1-1、在风洞流场区域外安装模型及光纤天平，并开启风洞；
S1-2、待风洞流场稳定后，开始计时并采集光纤应变计输出信号，并将模型及光纤天平移至风洞流场中心；
S1-3、根据预设攻角序列调整模型姿态，进行气动力测量；
S1-4、结束测量，将模型及光纤天平复位；
S1-5、将模型及光纤天平移出，回到初始位置，停止采集光纤应变计输出信号，关闭风洞。
优选地，在初始时刻t1和结束时刻t2，模型均为0°攻角姿态。
优选地，所述步骤S1-2中，将模型及光纤天平移至风洞流场中心的时刻与初始时刻t1的时间间隔不超过5s；所述步骤S1-5中结束时刻t2与将模型及光纤天平移出风洞流场中心的时刻的时间间隔不超过5s。
优选地，结束时刻t2与初始时刻t1的时间间隔不超过3min。
本发明还提供了一种针对风洞气动力测量的光纤天平温度修正装置，包括：
测量模块，用于将模型及设有光纤应变计的光纤天平由风洞流场区域外移入风洞流场中心，进行气动力测量至测量结束，在关闭风洞前将模型移出，并记录上述过程的时间信息及相应的光纤应变计输出信号；
提取模块，用于获取模型移入风洞流场前的初始时刻t1及对应的光纤应变计输出信号λ1，以及模型移出风洞流场后的结束时刻t2及对应的光纤应变计输出信号λ2；其中，初始时刻t1和结束时刻t2模型处于同一位置、同一姿态；
拟合模块，用于利用二次函数Δλ＝a*t2拟合(t1,λ1)、(t2,λ2)，获得二次函数系数a，并根据二次函数系数a得到初始时刻t1到结束时刻t2对应的热输出；
修正模块，用于根据得到的热输出修正光纤应变计输出信号，获得温度修正后的气动力测量结果。
优选地，所述测量模块用于执行以下步骤：
(1)在风洞流场区域外安装模型及光纤天平，并开启风洞；
(2)待风洞流场稳定后，开始计时并采集光纤应变计输出信号，并将模型及光纤天平移至风洞流场中心；
(3)根据预设攻角序列调整模型姿态，进行气动力测量；
(4)结束测量，将模型及光纤天平复位；
(5)将模型及光纤天平移出，回到初始位置，停止采集光纤应变计输出信号，关闭风洞。
优选地，在初始时刻t1和结束时刻t2，模型均为0°攻角姿态。
优选地，所述步骤(2)中，将模型及光纤天平移至风洞流场中心的时刻与初始时刻t1的时间间隔不超过5s；所述步骤(5)中结束时刻t2与将模型及光纤天平移出风洞流场中心的时刻的时间间隔不超过5s。
优选地，结束时刻t2与初始时刻t1的时间间隔不超过3min。
本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明提供了一种针对风洞气动力测量的光纤天平温度修正方法及装置，本发明通过获取无气动载荷影响时刻的应变计输出信号，采用二次函数拟合光纤天平的热输出与时间的关系，可直接获取光纤应变计热输出随时间的函数，从而实现单个应变计的温度修正，不需要测量天平具体温度或假设天平温度分布状况，也不限制光纤应变计的具体设置位置以及气动力测量试验中模型的具体位姿变化，实用性好，并能够有效提高气动力测量精度。
附图说明
图1是本发明实施例中一种针对风洞气动力测量的光纤天平温度修正方法步骤示意图；
图2是一种风洞气动力测量试验过程中模型位姿示意图；
图3(a)是天平不同位置设置光纤应变计的温升曲线图；
图3(b)是天平不同位置设置光纤应变计的输出曲线图；
图4(a)是天平头部设置光纤应变计对应的修正前后输出曲线；
图4(b)是天平中部设置光纤应变计对应的修正前后输出曲线；
图4(c)是天平尾部设置光纤应变计对应的修正前后输出曲线；
图5是本发明实施例中光纤应变计随试验时间的输出曲线；
图6是本发明实施例中光纤应变计热输出与温度修正前后光纤应变计的输出曲线；
图7是本发明实施例中一种针对风洞气动力测量的光纤天平温度修正装置示意图。
图中：100：测量模块；200：提取模块；300：拟合模块；400：修正模块。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出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。
实施例一
如图1所示，本发明实施例提供的一种针对风洞气动力测量的光纤天平温度修正方法，包括如下步骤：
S1、将模型及设有光纤应变计的光纤天平由风洞流场区域外移入风洞流场中心，按预设进行气动力测量至测量结束，在关闭风洞前将模型移出，并记录上述过程的时间信息及相应的光纤应变计输出信号。
本发明中所针对的光纤天平采用光纤应变计测量天平应变输出，光纤应变计本身具有温度不敏感的特点，但由于在高超声速风洞中测量时，天平本体温度不断升高，天平结构膨胀产生热应变，引起热输出。
步骤S1对应常规的风洞气动力测量试验过程，如图2所示，风洞气动力测量试验中，模型、光纤天平与支杆安装为一个整体，通过模型机构送入/移出流场，以便通过设有光纤应变计的光纤天平测量风洞流场气流对模型造成的气动载荷。
优选地，步骤S1进一步包括：
S1-1、在风洞流场区域外安装模型及光纤天平，并开启风洞。图2中的序号①对应模型进入风洞流场区域前的状态。
S1-2、待风洞流场稳定后，开始计时并采集光纤应变计输出信号，同时开始移动模型及光纤天平，将模型及光纤天平移至风洞流场中心。图2中的序号②对应模型移至风洞流场中心位置后的状态，此时流场内的气流作用在模型及光纤天平表面，加热模型。
S1-3、根据预设攻角序列调整模型姿态，进行气动力测量。图2中的序号③对应按预设攻角序列，模型变换攻角，调整姿态的测量过程，此过程中，气流持续加热模型。
S1-4、结束测量，将模型及光纤天平复位。图2中的序号④对应完成模型攻角序列运动后，模型复位，即回到其进入流场中心时姿态，此时，流场内的气流依然作用在模型及光纤天平表面，加热模型。
S1-5、将模型及光纤天平移出，回到初始位置，停止采集光纤应变计输出信号，关闭风洞。初始位置即步骤S1-2中开始采集输出信号并开始将模型移向流场的位置，图2中的序号⑤对应将模型、天平和支杆通过模型机构从流场中心回到初始位置的状态。
上述步骤S1-2到步骤S1-4，模型及光纤天平处在流场中，会被气流加热，热量从模型传递到天平，导致天平温度升高，而且天平不同位置的温度变化量存在差异。
S2、获取模型移入风洞流场前的初始时刻t1及对应的光纤应变计输出信号λ1，以及模型移出风洞流场后的结束时刻t2及对应的光纤应变计输出信号λ2；其中，在初始时刻t1和结束时刻t2，模型处于同一位置、同一姿态。
初始时刻t1对应步骤S1-2中模型开始移动的时刻(也即开始计时的时刻)，结束时刻t2对应步骤S1-5中模型结束移动的时刻，模型、天平均处于风洞流场外，不被气流加热，也不受到气动力载荷的影响，因此不论风洞流场参数具体如何设置、变化，初始时刻t1与结束时刻t2所测数据不受流场影响，也无需限制测量试验中模型位姿如何变化。
优选地，在初始时刻t1和结束时刻t2，模型均为0°攻角姿态。进一步地，如图2所示，在步骤S1-2中，模型、天平和支杆通过模型机构送入流场中心后，此时模型攻角仍为0°，在步骤S1-4中，完成模型攻角序列运动后，模型复位，回到0°攻角姿态，在步骤S1-5中，模型保持0°攻角姿态移出至流场外。而步骤S1-3中，可按试验所需预设攻角序列，模型、天平和支杆变换攻角，具体变换过程不影响本发明所提供方法的修正结果。
S3、利用二次函数Δλ＝a*t2拟合(t1,λ1)、(t2,λ2)，获得二次函数系数a，根据二次函数系数a得到初始时刻t1到结束时刻t2对应的热输出，热输出可表示为λ热＝at2。
请参阅图3，图3示出了风洞试验中，光纤天平在固定攻角时的热输出，图3(a)示出了天平不同位置设置光纤应变计的温升曲线，图3(b)示出了天平不同位置设置光纤应变计的输出曲线，其中天平头部指天平靠近模型头部的一端，天平尾部指天平靠近模型尾部的一端。
从图3(a)所示的温升曲线可看出，天平不同位置的温升与试验时间均存在二次函数关系，考虑到光纤应变计的输出与天平温度之间存在良好线性，光纤应变计的输出与试验时间存在二次函数的关系。
用Δλ＝a*t2函数进行拟合，可得到图3(b)中三条温升曲线的二次项系数和相关系数，见下表1。
表1拟合参数
位置 系数a 相关系数R<sup>2</sup>
天平头部 9.03701×10<sup>-5</sup> 0.99391
天平中部 2.78734×10<sup>-5</sup> 0.99967
天平尾部 7.88015×10<sup>-6</sup> 0.99641
从表1中数据可知，采用该二次函数拟合曲线的相关系数接近1，说明函数拟合较好。从上述分析可知，试验过程中，天平的温升和应变计输出随试验时间呈良好的二次函数关系，因而，光纤应变计在试验过程中的热输出可用Δλ＝a*t2函数进行拟合。
本发明所提供的方法无需考虑光纤天平的具体温度值，而是直接解算时间与热输出信号之间的函数关系，不需要额外设置温度测量装置或增设光纤应变计，并且只通过两个特殊点计算二次函数的二次项系数，简单易行，且限制较少。
进一步地，若设置初始时刻t1＝0，则二次项系数
Figure GDA0003183566270000081
t1至t2的热输出可表示为
Figure GDA0003183566270000082
S4、根据得到的热输出修正光纤应变计输出信号，获得温度修正后的气动力测量结果。
将实际测量得到的光纤应变计输出减去该拟合的热输出，即可得到光纤天平的实际气动载荷输出，修正后得到实际气动载荷输出可表示为λ载荷＝λ-λ热。
采用本发明提供的方法对图3所示光纤天平的应变计输出进行修正，得到如图4所示结果，其中，图4(a)、图4(b)、图4(c)分别对应天平头部、中部、尾部的修正前后光纤应变计输出，由图4可知，不同位置的温度修正效果良好，本发明采用二次函数拟合方式对光纤天平热输出进行修正是有效的。
本发明不需增加额外的测温传感器，也无需假设天平对称位置的温度相等，在风洞试验过程中，只需要确保风洞启动前模型在流场外，且试验结束模型回到流场外的初始位置，同时模型攻角也回到初始角度即可，无其他特殊要求，具有更宽的实用性；并且，天平不同位置(头部、中部、尾部)的光纤应变计的热输出与试验时间均为良好的二次函数关系，都能采用该温度修正方法，无需限制光纤应变计具体安装位置。本发明采用二次函数拟合有效减小光纤应变计的热输出影响，实现单个应变计的温度修正，提高了风洞气动力测量精度，且简单、易行。
优选地，考虑到风洞气动力测量试验的有效时间通常不会持续太久，结束时刻t2与初始时刻t1的时间间隔不超过3min，优选不超过100s。
考虑到模型及光纤天平从流场外移入流场中心，以及从流场中心移出流场外的过程，模型受到气流影响与其处于流场中心不同，移动过程应尽可能短，以减少引入干扰。优选地，步骤S1-2中，将模型及光纤天平移至风洞流场中心的时刻与初始时刻t1的时间间隔不超过5s，即从初始时刻t1到模型及光纤天平移至风洞流场中心的时刻(模型状态由图2中的序号①所示状态开始移动，到移动至序号②所示状态)不超过5s。所述步骤S1-5中结束时刻t2与将模型及光纤天平移出风洞流场中心的时刻的时间间隔不超过5s，即从模型及光纤天平开始移出风洞流场中心的时刻到结束时刻t2(模型状态由图2中的序号④所示状态开始移动，到移动至序号⑤所示状态)不超过5s。
图5和图6示出了一个具体实施方式中，风洞试验过程中光纤应变计随试验时间的输出曲线，以及热输出与温度修正前后光纤应变计的输出曲线，图5中标识了序号①状态至序号⑤状态在时序中的相对位置。在进行温度修正时，需要获取序号①和⑤对应的应变计输出(即初始时刻t1、结束时刻t2对应的输出信号λ1、λ2)，得到坐标点分别为(0s，0nm)和(86s，0.35486nm)。通过二次函数Δλ＝a*t2拟合，可获得系数a＝4.798×10-4，故可得到热输出随试验时间的变化曲线，如图6中虚线。温度修正前，序号④和⑤对应的应变计输出分别为0.22307nm和-0.03399nm，温度修正后，序号④和⑤对应的应变计输出分别为0.31242nm和-0.01988nm，修正后热输出为修正前热输出的15.24％和6.36％，温度修正效果良好。
实施例二
如图7所示，本发明实施例二提供了一种针对风洞气动力测量的光纤天平温度修正装置，包括测量模块100、提取模块200、拟合模块300和修正模块400。其中：
测量模块100用于将模型及设有光纤应变计的光纤天平由风洞流场区域外移入风洞流场中心，进行气动力测量至测量结束，在关闭风洞前将模型移出，并记录上述过程的时间信息及相应的光纤应变计输出信号。
提取模块200用于获取模型移入风洞流场前的初始时刻t1及对应的光纤应变计输出信号λ1，以及模型移出风洞流场后的结束时刻t2及对应的光纤应变计输出信号λ2；其中，初始时刻t1和结束时刻t2模型处于同一位置、同一姿态。
拟合模块300用于利用二次函数Δλ＝a*t2拟合(t1,λ1)、(t2,λ2)，获得二次函数系数a，并根据二次函数系数a得到初始时刻t1到结束时刻t2对应的热输出。
修正模块400用于根据得到的热输出修正光纤应变计输出信号，获得温度修正后的气动力测量结果。
优选地，测量模块100用于执行以下步骤：
(1)在风洞流场区域外安装模型及光纤天平，并开启风洞；
(2)待风洞流场稳定后，开始计时并采集光纤应变计输出信号，并将模型及光纤天平移至风洞流场中心；
(3)根据预设攻角序列调整模型姿态，进行气动力测量；
(4)结束测量，将模型及光纤天平复位；
(5)将模型及光纤天平移出，回到初始位置，停止采集光纤应变计输出信号，关闭风洞。
优选地，在初始时刻t1和结束时刻t2，模型均为0°攻角姿态。
优选地，步骤(2)中，将模型及光纤天平移至风洞流场中心的时刻与初始时刻t1的时间间隔不超过5s。步骤(5)中结束时刻t2与将模型及光纤天平移出风洞流场中心的时刻的时间间隔不超过5s。
优选地，结束时刻t2与初始时刻t1的时间间隔不超过3min。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种针对风洞气动力测量的光纤天平温度修正方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、将模型及设有光纤应变计的光纤天平由风洞流场区域外移入风洞流场中心，进行气动力测量至测量结束，在关闭风洞前将模型移出，并记录上述过程的时间信息及相应的光纤应变计输出信号；
S2、获取模型移入风洞流场前的初始时刻t1及对应的光纤应变计输出信号λ1，以及模型移出风洞流场后的结束时刻t2及对应的光纤应变计输出信号λ2；其中，初始时刻t1和结束时刻t2模型处于同一位置、同一姿态；
S3、利用二次函数Δλ＝a*t2拟合(t1,λ1)、(t2,λ2)，获得二次函数系数a，根据二次函数系数a得到初始时刻t1到结束时刻t2对应的热输出；
S4、根据得到的热输出修正光纤应变计输出信号，获得温度修正后的气动力测量结果。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1进一步包括：
S1-1、在风洞流场区域外安装模型及光纤天平，并开启风洞；
S1-2、待风洞流场稳定后，开始计时并采集光纤应变计输出信号，并将模型及光纤天平移至风洞流场中心；
S1-3、根据预设攻角序列调整模型姿态，进行气动力测量；
S1-4、结束测量，将模型及光纤天平复位；
S1-5、将模型及光纤天平移出，回到初始位置，停止采集光纤应变计输出信号，关闭风洞。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：在初始时刻t1和结束时刻t2，模型均为0°攻角姿态。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤S1-2中，将模型及光纤天平移至风洞流场中心的时刻与初始时刻t1的时间间隔不超过5s；所述步骤S1-5中结束时刻t2与将模型及光纤天平移出风洞流场中心的时刻的时间间隔不超过5s。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：结束时刻t2与初始时刻t1的时间间隔不超过3min。
6.一种针对风洞气动力测量的光纤天平温度修正装置，其特征在于，包括：
测量模块，用于将模型及设有光纤应变计的光纤天平由风洞流场区域外移入风洞流场中心，进行气动力测量至测量结束，在关闭风洞前将模型移出，并记录上述过程的时间信息及相应的光纤应变计输出信号；
提取模块，用于获取模型移入风洞流场前的初始时刻t1及对应的光纤应变计输出信号λ1，以及模型移出风洞流场后的结束时刻t2及对应的光纤应变计输出信号λ2；其中，初始时刻t1和结束时刻t2模型处于同一位置、同一姿态；
拟合模块，用于利用二次函数Δλ＝a*t2拟合(t1,λ1)、(t2,λ2)，获得二次函数系数a，并根据二次函数系数a得到初始时刻t1到结束时刻t2对应的热输出；
修正模块，用于根据得到的热输出修正光纤应变计输出信号，获得温度修正后的气动力测量结果。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述测量模块用于执行以下步骤：
(1)在风洞流场区域外安装模型及光纤天平，并开启风洞；
(2)待风洞流场稳定后，开始计时并采集光纤应变计输出信号，并将模型及光纤天平移至风洞流场中心；
(3)根据预设攻角序列调整模型姿态，进行气动力测量；
(4)结束测量，将模型及光纤天平复位；
(5)将模型及光纤天平移出，回到初始位置，停止采集光纤应变计输出信号，关闭风洞。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于：在初始时刻t1和结束时刻t2，模型均为0°攻角姿态。
9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于：所述步骤(2)中，将模型及光纤天平移至风洞流场中心的时刻与初始时刻t1的时间间隔不超过5s；所述步骤(5)中结束时刻t2与将模型及光纤天平移出风洞流场中心的时刻的时间间隔不超过5s。
10.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：结束时刻t2与初始时刻t1的时间间隔不超过3min。
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