CN112378617A - 一种脉冲风洞测热信号干扰消除的数据处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种脉冲风洞测热信号干扰消除的数据处理方法，该方法针对偶然出现的气流中颗粒状杂质击中测点的情况，基于传热方程的线性叠加原理，对击中测点所造成的信号干扰进行消除后进行滤波，从而避免干扰信号对热流计算结果的影响。

Description

一种脉冲风洞测热信号干扰消除的数据处理方法

技术领域

本发明属于脉冲风洞测热信号数据处理技术领域，尤其涉及一种脉冲风洞测热信号干扰消除的数据处理方法。

背景技术

飞行器热环境试验是高超声速风洞试验的重要类型。一般而言，利用脉冲风洞进行飞行器热环境试验的方法，是在模型表面布设大量温敏电路元件(热敏电阻或热电偶)，将该位置在试验过程中的温度变化转化为电信号记录存储在计算机中；数据处理时，利用电信号曲线计算测点温度变化曲线，再根据固体一维半无限大热传导规律计算风洞流场施加于模型表面的热流情况。

在利用温敏电路元件将热信号向电信号转化的过程中，以及电信号的传递、记录和存储过程中，不可避免的会引入一些随机干扰，使得信号上出现大量毛刺状扰动。在利用测点温度曲线对热流进行计算时，温度曲线上的毛刺状扰动会变为热流曲线上的毛刺状扰动，增加热流计算值的辨识难度。通常的做法是，在计算热流前先对测点温度-时间曲线进行光滑处理，使用光滑处理后的温度曲线计算热流时，热流曲线的毛刺状扰动幅度会得到极大降低；进一步地，可以视情况对计算所得热流曲线进行再次的光滑处理。曲线光滑处理的方法可以是Fourier低通滤波，也可以是均值滤波或其它光滑处理算法。

当气流中的颗粒状杂质撞击模型表面测点时，会将自身的动能转化为自身和模型测点的热能，导致测点温度的阶跃式上升。这一热量的传递是瞬时完成的，因此根据一维导热理论，在撞击发生后，测点温度会迅速下降，其规律符合-1/2次幂曲线。对于受到颗粒状杂质撞击干扰的试验曲线，如果直接进行光滑处理，无法消除这一干扰的影响，只会降低扰动幅值，相应的，扰动影响时间会增加；对这一曲线进行热流计算结果无法反应模型表面真实热流状态。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种脉冲风洞测热信号干扰消除的数据处理方法，用于消除脉冲风洞测热试验中颗粒状杂质击中热流测点所造成信号干扰，有效增加试验数据的使用率，提高数据精度，降低试验成本。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种脉冲风洞测热信号干扰消除的数据处理方法，所述方法包括如下步骤：(1)在脉冲风洞试验中，通过试验测热传感器将模型表面特定位置即测点位置的温度转化为电信号，并用数据采集系统采集电信号，并将电信号传输给计算机；(2)利用计算机将电信号转化为试验原始温度-时间曲线；(3)根据试验原始温度-时间曲线判断在试验过程中该测点是否存在颗粒杂质撞击的情况，如果不存在，则跳至步骤(7)；(4)如果该测点存在颗粒杂质撞击的情况，则利用试验原始温度-时间曲线判读撞击时刻，并利用撞击前后的温度变化情况得到撞击对传感器所造成的能量输入；(5)利用步骤(4)的能量输入得到撞击所产生的附加温度-时间曲线；(6)将原始温度-时间曲线减去撞击产生的附加温度-时间曲线，得到修正温度-时间曲线；(7)对修正温度-时间曲线或无杂质撞击的原始温度-时间曲线进行滤波处理，得到滤波温度-时间曲线；(8)利用滤波温度-时间曲线得到热流-时间曲线。

上述脉冲风洞测热信号干扰消除的数据处理方法中，在步骤(1)中，所述试验测热传感器为铂薄膜热电阻温度计或是同轴/整体式热电偶，或是将温度信号转化为电信号的传感器；所述数据采集系统为示波器，或是计算机数据采集卡，或是其它可将电信号记录存储的软硬件设备。

上述脉冲风洞测热信号干扰消除的数据处理方法中，在步骤(2)中，将电信号转化为试验原始温度-时间曲线的过程中，当试验测热传感器为铂薄膜热电阻温度计时，利用事先标定的电阻温度系数进行计算；当试验测热传感器为同轴/整体式热电偶时，对照热电偶分度表进行计算。

上述脉冲风洞测热信号干扰消除的数据处理方法中，在步骤(3)中，根据试验原始温度-时间曲线判断在试验过程中该测点是否存在颗粒杂质撞击的情况为：判断在试验时间范围内原始温度-时间曲线是否有温度阶跃上升-迅速衰减的过程。

上述脉冲风洞测热信号干扰消除的数据处理方法中，在步骤(4)中，撞击时刻为试验时间内原始温度-时间曲线阶跃上升的时刻。

上述脉冲风洞测热信号干扰消除的数据处理方法中，在步骤(4)中，撞击对传感器所造成的能量输入通过以下公式拟合得到：

其中，T(t)为传感器所测的模型表面温度，Q₀为撞击对传感器所造成的能量输入，λ为传感器材料导热系数，ρ为传感器材料密度，c为传感器材料比热容，t为时间，t_impact为扰动发生的时间，T(t_impact)为扰动发生时刻传感器所测的模型表面温度。

上述脉冲风洞测热信号干扰消除的数据处理方法中，在步骤(6)中，修正温度-时间曲线的计算方法基于半无限大体准一维传热过程的可叠加性。

上述脉冲风洞测热信号干扰消除的数据处理方法中，基于半无限大体准一维传热过程的可叠加性的原理公式为：

其中，x为一维半无限大热传导条件下固体内部与传热面的距离，q₁(t)和q₂(t)分别为两个不同的热流输入，T₁和T₂分别为两个不同热流输入q₁(t)和q₂(t)分别导致的模型壁面温升。

上述脉冲风洞测热信号干扰消除的数据处理方法中，在步骤(7)中，滤波处理方法为使用Fourier低通滤波方法或使用均值滤波方法。

上述脉冲风洞测热信号干扰消除的数据处理方法中，在步骤(8)中，热流-时间曲线通过以下公式得到：

其中，i和j分别为离散数据不同时间点的编号，t_i、t_j和t_j-1分别为对应编号i、j和j-1的离散数据时间，T(t_j)和T(t_j-1)分别为对应时间t_j和t_j-1的模型表面所测量的温度，q(t_i)为对应时间t_i的模型表面热流。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明对流场中颗粒状杂质对模型测热传感器形成的干扰进行消除，可以有效增加试验数据的使用率，提高数据精度，降低试验成本。

(2)本发明采用拟合方法确定颗粒状杂质撞击对模型测点形成的能量输入，除了可用于数据处理进行干扰排除外，也可用于对流场中颗粒状杂质的特性分析。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1是本发明脉冲风洞测热信号干扰消除的数据处理方法的流程图；

图2是无颗粒状杂质撞击信号干扰时的测点温度-时间变化曲线的示意图；

图3是无颗粒状杂质撞击信号干扰时的用测点温度-时间变化曲线直接计算得到的测点热流-时间曲线的示意图；

图4是无颗粒状杂质撞击信号干扰时的测点温度-时间变化曲线进行光滑处理后的结果的示意图；

图5是无颗粒状杂质撞击信号干扰时的用光滑后的测点温度-时间变化曲线计算得到的测点热流-时间曲线的示意图；

图6是有颗粒状杂质撞击信号干扰时的测点温度-时间变化曲线的示意图；

图7是有颗粒状杂质撞击信号干扰时的测点温度-时间变化曲线直接进行光滑处理的结果的示意图；

图8是有颗粒状杂质撞击信号干扰时用直接光滑处理的测点温度-时间变化曲线进行计算得到的测点热流-时间曲线的示意图；

图9是有颗粒状杂质撞击信号干扰时的利用测点原始温度-时间变化曲线求解得到的撞击附加温度-时间曲线的示意图；

图10是有颗粒状杂质撞击信号干扰时的测点温度-时间变化曲线用本专利所述方法进行干扰消除后的测点温度-时间曲线的示意图；

图11是是有颗粒状杂质撞击信号干扰时的测点温度-时间变化曲线用本专利所述方法进行干扰消除并光滑处理后进行计算得到的测点热流-时间曲线的示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1所示，本发明提供一种针对脉冲风洞中颗粒状杂质击中热流测点所造成信号干扰进行消除的测热信号数据处理方法。包括如下步骤：

(1)在脉冲风洞试验中，通过试验测热传感器将模型表面特定位置(即测点位置)的温度转化为电信号，并用数据采集系统进行采集；优选的，步骤(1)所述的测热传感器，可以是铂薄膜热电阻温度计，或是同轴/整体式热电偶，或是其他类型的可将温度信号转化为电信号的传感器。

优选的，步骤(1)所述的数据采集系统，可以示波器，或是计算机数据采集卡，也可以是其它可将电信号记录存储的软硬件设备。

(2)利用计算机将电信号转化为温度-时间曲线(即试验原始温度-时间曲线)；优选的，步骤(2)所述的将电信号转化为温度-时间曲线的过程，当传感器为铂薄膜热电阻温度计时，利用事先标定的电阻温度系数进行计算；当传感器为同轴/整体式热电偶时，对照热电偶分度表进行计算。

(3)分析试验原始温度-时间曲线，判断在试验过程中该测点是否存在颗粒杂质撞击的情况，如果不存在该类情况，则进行正常的试验数据滤波与处理即可(跳至步骤(7))；优选的，步骤(3)所述的对原始温度-时间曲线的分析判读，其方法为，判断在试验时间范围内原始温度-时间曲线是否有温度阶跃上升-迅速衰减的过程。一般而言，在风洞起动过程中可能存在一次或数次的温度阶跃上升，上升后温度不会迅速下降；在试验时间内，温度曲线总体趋势应较为平稳，并可能因电信号干扰存在少许毛刺。

(4)如果该测点存在颗粒杂质撞击的情况，则利用试验原始温度-时间曲线判读撞击时刻，并利用撞击前后一小段时间内的温度变化情况计算撞击对传感器所造成的能量输入；

(5)利用步骤(4)所计算的能量输入，计算撞击所产生的附加温度-时间曲线；

(6)将原始温度-时间曲线减去撞击产生的附加温度-时间曲线，得到修正温度-时间曲线；

(7)对修正温度-时间曲线(或无杂质撞击的原始温度-时间曲线)进行滤波处理，得到滤波温度-时间曲线；

(8)利用滤波温度-时间曲线计算热流-时间曲线，如有必要，对热流-时间曲线进行再次滤波。

步骤(4)所述的撞击时刻，为试验时间内原始温度-时间曲线阶跃上升的时刻。

步骤(4)所述的撞击能量输入，可以用式

进行拟合计算。式中T为传感器所测的模型表面温度，Q₀为撞击能量输入，λ、ρ、c分别为传感器材料导热系数、传感器材料密度和传感器材料比热容，t为时间，t_impact为扰动发生的时间。

步骤(5)所述的利用撞击能量输入对附加温度-时间曲线的计算，使用步骤(4)中所给出的公式进行。

步骤(6)所述的通过将原始温度-时间曲线和撞击产生的附加温度-时间曲线相减计算修正温度-时间曲线的方法，其原理基于半无限大体准一维传热过程的可叠加性，其原理公式如下

式中下标1和2分别代表两种不同热流加载条件，q为所加载热流，x为一维半无限大热传导条件下固体内部与传热面的距离。

步骤(7)所述的对修正温度-时间曲线或无杂质撞击的原始温度-时间曲线的滤波处理，可以使用Fourier低通滤波方法，也可以使用均值滤波方法或其它常用的保留低频信息的滤波方法。

步骤(8)所述的利用滤波温度-时间曲线计算热流-时间曲线时，采用公式

进行。式中下标i和j分别代表不同时刻。

具体工作原理：本发明提供一种针对脉冲风洞中颗粒状杂质击中热流测点所造成信号干扰进行消除的测热信号数据处理方法。它是基于传热方程的线性叠加原理，对击中测点所造成的信号干扰进行消除后进行滤波，从而避免干扰信号对热流计算结果的影响。其处理步骤如图1所示。

在无颗粒状杂质撞击产生信号干扰的条件下，根据测点电压信号计算得到的测点温度-时间变化曲线如图2所示。如果用这一曲线直接进行热流值计算，得到的测点热流-时间曲线如图3所示。从图3可知，在温度-时间曲线存在一定毛刺状干扰的前提下，直接用原始温度-时间曲线直接计算热流，会在得到的热流-时间曲线中形成相对幅度更大的毛刺状干扰，严重影响试验时间段内模型表面热流的判读。一般而言，对原始温度-时间曲线进行一次光滑处理(通常可使用Fourier低通滤波、均值滤波或其它光滑处理方法)，即可有效改善测点温度-时间曲线及利用其算出的测点热流-时间曲线，如图4和图5所示。

在有颗粒杂质撞击产生信号干扰的条件下，原始温度-时间曲线如图6所示。如果直接进行光滑处理和热流计算，得到的结果如图7和图8所示。显然，图8给出的热流-时间曲线无法真实反映模型表面的气动加热状况。

模型表面气动加热热流与温度关系可用半无限大体一维热传导理论进行计算，其微分方程及初值、边界条件为

式中T_initial为初始温度。通过对该式的观察可知，该式服从线性叠加定律：如对应q₁(t)和q₂(t)两个热流输入条件，分别有

则在热流输入条件为q₁(t)+q₂(t)时，传热方程和边界条件满足

实际测热试验中，T_1,initial＝T_2,initial＝T_room，代入后进行略微调整可将上式改写为

以上推导表明，热流-时间曲线q₁(t)+q₂(t)作用于模型表面引起的温度变化量，等于q₁(t)和q₂(t)分别单独作用引起的温度变化量之和。同时，这个推导是可逆的，说明从温度变化反算热流-时间曲线的过程也遵循这一叠加原理。这是本专利对温度-时间曲线进行处理的理论基础。

颗粒状杂质击中模型热流测点所造成的加热效应，可以看做一个时间极短的高热流加热过程。假设撞击时刻为t_impact，撞击造成加热时间长度为t_δ，单位面积热流为q_δ，同时设定模型初始温度和无穷远处温度均为T_room，则单独由这一加热所造成的温度-时间曲线表达式为

当t_δ<<t时，撞击加热持续的时间尺度远小于试验时间尺度及试验中采集器的采样频率，此时无需单独考虑加热过程，仅需考虑撞击前后的温度变化，单独由这一加热所造成的温度-时间曲线表达式可简化为

根据上述分析，结合图6的温度-时间曲线可知，利用模型测点测得的温度-时间曲线可以对撞击对测点的加热进行估算，估算的方式为利用撞击后一小段时间内的温度-时间曲线对式

进行拟合，计算q_δt_δ乘积的拟合值，式中下标BTS表示温度阶跃发生之前的测点温度值。进一步地，用该值计算撞击加热的温度-时间曲线(如图9)，再将原始温度-时间曲线与撞击附加温度-时间曲线相减，得到修正温度-时间曲线(如图10)，对其进行光滑处理后可求解热流-时间曲线(如图11)。

本发明对流场中颗粒状杂质对模型测热传感器形成的干扰进行消除，可以有效增加试验数据的使用率，提高数据精度，降低试验成本。本发明采用拟合方法确定颗粒状杂质撞击对模型测点形成的能量输入，除了可用于数据处理进行干扰排除外，也可用于对流场中颗粒状杂质的特性分析。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种脉冲风洞测热信号干扰消除的数据处理方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

(1)在脉冲风洞试验中，通过试验测热传感器将模型表面特定位置即测点位置的温度转化为电信号，并用数据采集系统采集电信号，并将电信号传输给计算机；

(2)利用计算机将电信号转化为试验原始温度-时间曲线；

(3)根据试验原始温度-时间曲线判断在试验过程中该测点是否存在颗粒杂质撞击的情况，如果不存在，则跳至步骤(7)；

(4)如果该测点存在颗粒杂质撞击的情况，则利用试验原始温度-时间曲线判读撞击时刻，并利用撞击前后的温度变化情况得到撞击对传感器所造成的能量输入；

(5)利用步骤(4)的能量输入得到撞击所产生的附加温度-时间曲线；

(6)将原始温度-时间曲线减去撞击产生的附加温度-时间曲线，得到修正温度-时间曲线；

(7)对修正温度-时间曲线或无杂质撞击的原始温度-时间曲线进行滤波处理，得到滤波温度-时间曲线；

(8)利用滤波温度-时间曲线得到热流-时间曲线。

2.根据权利要求1所述的脉冲风洞测热信号干扰消除的数据处理方法，其特征在于：在步骤(1)中，所述试验测热传感器为铂薄膜热电阻温度计或是同轴/整体式热电偶，或是将温度信号转化为电信号的传感器；

所述数据采集系统为示波器，或是计算机数据采集卡，或是其它可将电信号记录存储的软硬件设备。

3.根据权利要求1所述的脉冲风洞测热信号干扰消除的数据处理方法，其特征在于：在步骤(2)中，将电信号转化为试验原始温度-时间曲线的过程中，当试验测热传感器为铂薄膜热电阻温度计时，利用事先标定的电阻温度系数进行计算；当试验测热传感器为同轴/整体式热电偶时，对照热电偶分度表进行计算。

4.根据权利要求1所述的脉冲风洞测热信号干扰消除的数据处理方法，其特征在于：在步骤(3)中，根据试验原始温度-时间曲线判断在试验过程中该测点是否存在颗粒杂质撞击的情况为：判断在试验时间范围内原始温度-时间曲线是否有温度阶跃上升-迅速衰减的过程。

5.根据权利要求1所述的脉冲风洞测热信号干扰消除的数据处理方法，其特征在于：在步骤(4)中，撞击时刻为试验时间内原始温度-时间曲线阶跃上升的时刻。

6.根据权利要求1所述的脉冲风洞测热信号干扰消除的数据处理方法，其特征在于：在步骤(4)中，撞击对传感器所造成的能量输入通过以下公式拟合得到：

其中，T(t)为传感器所测的模型表面温度，Q₀为撞击对传感器所造成的能量输入，λ为传感器材料导热系数，ρ为传感器材料密度，c为传感器材料比热容，t为时间，t_impact为扰动发生的时间，T(t_impact)为扰动发生时刻传感器所测的模型表面温度。

7.根据权利要求6所述的脉冲风洞测热信号干扰消除的数据处理方法，其特征在于：在步骤(6)中，修正温度-时间曲线的计算方法基于半无限大体准一维传热过程的可叠加性。

8.根据权利要求7所述的脉冲风洞测热信号干扰消除的数据处理方法，其特征在于：基于半无限大体准一维传热过程的可叠加性的原理公式为：

其中，x为一维半无限大热传导条件下固体内部与传热面的距离，q₁(t)和q₂(t)分别为两个不同的热流输入，T₁和T₂分别为两个不同热流输入q₁(t)和q₂(t)分别导致的模型壁面温升。

9.根据权利要求6所述的脉冲风洞测热信号干扰消除的数据处理方法，其特征在于：在步骤(7)中，滤波处理方法为使用Fourier低通滤波方法或使用均值滤波方法。

10.根据权利要求6所述的脉冲风洞测热信号干扰消除的数据处理方法，其特征在于：在步骤(8)中，热流-时间曲线通过以下公式得到：

其中，i和j分别为离散数据不同时间点的编号，t_i、t_j和t_j-1分别为对应编号i、j和j-1的离散数据时间，T(t_j)和T(t_j-1)分别为对应时间t_j和t_j-1的模型表面所测量的温度，q(t_i)为对应时间t_i的模型表面热流。

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