CN113639954A - 一种适用于1米量级高速风洞试验的模型倾角测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于1米量级高速风洞试验的模型倾角测量装置。本发明的适用于1米量级高速风洞试验的模型倾角测量装置基于高精度石英倾角仪，集成了振动传感器、陀螺仪和温度传感器，通过采用多物理量敏感与数据融合补偿算法，实现了1米量级高速风洞试验环境下模型倾角的高精度测量。本发明的适用于1米量级高速风洞试验的模型倾角测量装置能够适用于工况恶劣复杂的高速风洞试验环境，有效减小了振动误差和干扰加速度导致的模型倾角测量误差，具有测试精度高、量程范围大的特点。

Description

一种适用于1米量级高速风洞试验的模型倾角测量装置
技术领域
本发明属于风洞试验技术领域，具体涉及一种适用于1米量级高速风洞试验的模型倾角测量装置。
背景技术
相对于光学测量、基于应力应变的力学测量等技术手段，基于惯性技术的姿态测量具有直接检测、精度高等特点，普遍应用于工业测控、飞行器航姿测量、风洞模型测姿。目前，模型姿态角测量传感器主要应用在准静态环境下，工作环境无振动或振动极小，这种工况下可单独采用一只石英倾角仪实现±0.01°的检测精度。但是，在1米量级高速风洞试验应用中，振动、干扰加速度、以及由于安装失准引起的耦合误差等干扰因素，将严重影响测量精度，故无法采用单只倾角仪实现复杂力学环境下的高精度姿态测量；而高精度惯性测量单元往往受体积限制无法安装在1米量级风洞模型内部。因此亟需发展一种一种适用于1米量级高速风洞试验的模型倾角测量装置，实现高速风洞试验条件下模型倾角的高精度动态测量。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种适用于1米量级高速风洞试验的模型倾角测量装置。
本发明的适用于1米量级高速风洞试验的模型倾角测量装置，其特点是，所述的模型倾角测量装置包括支撑框架，和固定在支撑框架的下表面并且包覆在支撑框架的上方、左侧和右侧的“门”字型的外壳；
支撑框架的底部下表面为安装平面，固定安装在模型内部的安装表面上；
支撑框架的上部设置有顶部平台，顶部极板为水平放置方形平板，顶部极板的四个顶角固定在顶部平台的对应位置，顶部极板整体悬空，顶部极板上固定有X轴振动传感器、AD模块和电源模块；
支撑框架的左侧设置有左侧平台，左侧极板为竖直放置方形平板，左侧极板的四个顶角固定在左侧平台的对应位置，左侧极板整体悬空，左侧极板上固定有Y轴振动传感器、陀螺仪、AD模块、电源模块、微处理器、温度传感器和DA模块；
支撑框架的右侧设置有右侧平台，右侧极板为与左侧极板平行的竖直放置方形平板，右侧极板的四个顶角固定在右侧平台的对应位置，右侧极板整体悬空，右侧极板上固定有Z轴振动传感器、AD模块和电源模块；
支撑框架的前端开有石英倾角仪的安装孔，石英倾角仪通过柱面配合和端面配合的方式固定在支撑框架上；
支撑框架的后端设置有后端平台，后极板为与左侧极板垂直的竖直放置的方形平板，后极板整体固定在后端平台上，后极板上固定有电连接器；
顶部极板的X轴振动传感器、左侧极板的Y轴振动传感器和右侧极板的Z轴振动传感器的信号分别经各自的AD模块进行快速AD转换后，传输至左侧极板的微处理器；左侧极板的陀螺仪和温度传感器的信号直接传输至左侧极板的微处理器； 石英倾角仪的信号经其内置高精度AD模块转换直接进入微处理器；微处理器输出两路输出信号，一路将石英倾角仪信号经DA模块转换为模拟信号输出，另一路将微处理器处理获得的模型倾角信号转换为数字信号采用RS-422通讯协议输出，两路信号均通过电连接器输出至风洞数采系统。
进一步地，所述的石英倾角仪为单轴石英倾角仪或者多轴石英倾角仪。
进一步地，所述的X轴振动传感器、Y轴振动传感器和Z轴振动传感器为单轴振动传感器。
进一步地，所述的陀螺仪为X轴方向单轴硅基微机械陀螺。
进一步地，所述的电连接器的电气接口连接±18V的直流电源、RS-422信号和石英倾角仪的±5V模拟信号。
本发明的适用于1米量级高速风洞试验的模型倾角测量装置中的振动传感器采用全硅工艺制造，具有体积小，精度高，抗冲击等特点。
本发明的适用于1米量级高速风洞试验的模型倾角测量装置基于高精度石英倾角仪，集成了振动传感器、陀螺仪和温度传感器，通过采用多物理量敏感与数据融合补偿算法，实现了1米量级高速风洞试验环境下模型倾角的高精度测量。
本发明的适用于1米量级高速风洞试验的模型倾角测量装置能够适用于工况恶劣复杂的高速风洞试验环境，有效减小了振动误差和干扰加速度导致的模型倾角测量误差，具有测试精度高、量程范围大的特点。
附图说明
图1为本发明的适用于1米量级高速风洞试验的模型倾角测量装置的结构示意图；
图2为本发明的适用于1米量级高速风洞试验的模型倾角测量装置的线路连接示意图；
图3a为本发明的适用于1米量级高速风洞试验的模型倾角测量装置的第一种安装方式（俯视图）；
图3b为本发明的适用于1米量级高速风洞试验的模型倾角测量装置的第一种安装方式（立体图）；
图4a为本发明的适用于1米量级高速风洞试验的模型倾角测量装置的第二种安装方式（模型倾角测量装置安装测试平台安装图）；
图4b为本发明的适用于1米量级高速风洞试验的模型倾角测量装置的第二种安装方式（立体图）。
图中，1.支撑框架；2.外壳；3.石英倾角仪；4.Z轴振动传感器；5.X轴振动传感器；6.Y轴振动传感器；7.陀螺仪；8.AD模块；9.电源模块；10.微处理器；11.温度传感器；12.DA模块；13.电连接器；14.模型倾角测量装置；15.试验模型；16.模型倾角测量装置安装测试平台；17.连接螺栓。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明。
如图1所示，本发明的适用于1米量级高速风洞试验的模型倾角测量装置包括支撑框架1，和固定在支撑框架1的下表面并且包覆在支撑框架1的上方、左侧和右侧的“门”字型的外壳2；
支撑框架1的底部下表面为安装平面，固定安装在模型内部的安装表面上；
支撑框架1的上部设置有顶部平台，顶部极板为水平放置方形平板，顶部极板的四个顶角固定在顶部平台的对应位置，顶部极板整体悬空，顶部极板上固定有X轴振动传感器5、AD模块8和电源模块9；
支撑框架1的左侧设置有左侧平台，左侧极板为竖直放置方形平板，左侧极板的四个顶角固定在左侧平台的对应位置，左侧极板整体悬空，左侧极板上固定有Y轴振动传感器6、陀螺仪7、AD模块8、电源模块9、微处理器10、温度传感器11和DA模块12；
支撑框架1的右侧设置有右侧平台，右侧极板为与左侧极板平行的竖直放置方形平板，右侧极板的四个顶角固定在右侧平台的对应位置，右侧极板整体悬空，右侧极板上固定有Z轴振动传感器4、AD模块8和电源模块9；
支撑框架1的前端开有石英倾角仪3的安装孔，石英倾角仪3通过柱面配合和端面配合的方式固定在支撑框架1上；
支撑框架1的后端设置有后端平台，后极板为与左侧极板垂直的竖直放置的方形平板，后极板整体固定在后端平台上，后极板上固定有电连接器13；
如图2所示，顶部极板的X轴振动传感器5、左侧极板的Y轴振动传感器6和右侧极板的Z轴振动传感器4的信号分别经各自的AD模块8进行快速AD转换后，传输至左侧极板的微处理器10；左侧极板的陀螺仪7和温度传感器11的信号直接传输至左侧极板的微处理器10；石英倾角仪3的信号经其内置高精度AD模块转换直接进入微处理器10；微处理器10输出两路输出信号，一路将石英倾角仪3信号经DA模块12转换为模拟信号输出，另一路将微处理器10处理获得的模型倾角信号转换为数字信号采用RS-422通讯协议输出，两路信号均通过电连接器13输出至风洞数采系统。
进一步地，所述的石英倾角仪3为单轴石英倾角仪或者多轴石英倾角仪。
进一步地，所述的X轴振动传感器5、Y轴振动传感器6和Z轴振动传感器4为单轴振动传感器。
进一步地，所述的陀螺仪7为X轴方向单轴硅基微机械陀螺。
进一步地，所述的电连接器13的电气接口连接±18V的直流电源、RS-422信号和石英倾角仪3的±5V模拟信号。
实施例1
本实施例的适用于1米量级高速风洞试验的模型倾角测量装置中的石英倾角仪3为单轴石英倾角仪，X轴振动传感器5、Y轴振动传感器6和Z轴振动传感器4为单轴振动传感器，陀螺仪7为单轴硅基微机械陀螺，电连接器13的电气接口型号为J30J-15ZKN-D，连接±18V的直流电源。
本实施例的适用于1米量级高速风洞试验的模型倾角测量装置的总体技术性能指标如下：
角度测量范围：±45°；
角度测量精度：±0.01°（静态无风时），±0.03°（测量范围≤±25°时）；
倾角传感器带宽：>300Hz；
信号输出：模拟量输出0～±5V，数字量输出：RS-422通讯协议；
信号输出速率可分档调节：20Hz、50Hz、100Hz；
振动量级：10g（RMS）；抗冲击：80g，2ms；
倾角测量组件单套体积：<270cm3；
工作温度：-20°C～50°C。
本实施例的适用于1米量级高速风洞试验的模型倾角测量装置具有两种安装方式：第一种，如果试验模型15内部具有安装表面，则如图3a、图3b所示，模型倾角测量装置14通过固定在底部表面上的4个M4螺钉安装在试验模型15内部的安装表面上；第二种，如果试验模型15内部没有安装表面，则如图4a、图4b所示，单独加工一个模型倾角测量装置安装测试平台16，模型倾角测量装置安装测试平台16通过连接螺栓17固定在试验模型15内部，模型倾角测量装置14再通过固定在底部表面上的4个M4螺钉安装在模型倾角测量装置安装测试平台16的安装表面上。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的高超声速边界层转捩模式方法领域。对于熟悉本领域的人员而言，在不脱离本发明原理的前提下，可容易地实现另外的改进和润饰，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (5)

1.一种适用于1米量级高速风洞试验的模型倾角测量装置，其特征在于，所述的模型倾角测量装置包括支撑框架（1），和固定在支撑框架（1）的下表面并且包覆在支撑框架（1）的上方、左侧和右侧的“门”字型的外壳（2）；
支撑框架（1）的底部下表面为安装平面，固定安装在模型内部的安装表面上；
支撑框架（1）的上部设置有顶部平台，顶部极板为水平放置方形平板，顶部极板的四个顶角固定在顶部平台的对应位置，顶部极板整体悬空，顶部极板上固定有X轴振动传感器（5）、AD模块（8）和电源模块（9）；
支撑框架（1）的左侧设置有左侧平台，左侧极板为竖直放置方形平板，左侧极板的四个顶角固定在左侧平台的对应位置，左侧极板整体悬空，左侧极板上固定有Y轴振动传感器（6）、陀螺仪（7）、AD模块（8）、电源模块（9）、微处理器（10）、温度传感器（11）和DA模块（12）；
支撑框架（1）的右侧设置有右侧平台，右侧极板为与左侧极板平行的竖直放置方形平板，右侧极板的四个顶角固定在右侧平台的对应位置，右侧极板整体悬空，右侧极板上固定有Z轴振动传感器（4）、AD模块（8）和电源模块（9）；
支撑框架（1）的前端开有石英倾角仪（3）的安装孔，石英倾角仪（3）通过柱面配合和端面配合的方式固定在支撑框架（1）上；
支撑框架（1）的后端设置有后端平台，后极板为与左侧极板垂直的竖直放置的方形平板，后极板整体固定在后端平台上，后极板上固定有电连接器（13）；
顶部极板的X轴振动传感器（5）、左侧极板的Y轴振动传感器（6）和右侧极板的Z轴振动传感器（4）的信号分别经各自的AD模块（8）进行快速AD转换后，传输至左侧极板的微处理器（10）；左侧极板的陀螺仪（7）和温度传感器（11）的信号直接传输至左侧极板的微处理器（10）； 石英倾角仪（3）的信号经其内置高精度AD模块转换直接进入微处理器（10）；微处理器（10）输出两路输出信号，一路将石英倾角仪（3）信号经DA模块（12）转换为模拟信号输出，另一路将微处理器（10）处理获得的模型倾角信号转换为数字信号采用RS-422通讯协议输出，两路信号均通过电连接器（13）输出至风洞数采系统。
2.根据权利要求1所述的适用于1米量级高速风洞试验的模型倾角测量装置，其特征在于，所述的石英倾角仪（3）为单轴石英倾角仪或者多轴石英倾角仪。
3.根据权利要求1所述的适用于1米量级高速风洞试验的模型倾角测量装置，其特征在于，所述的X轴振动传感器（5）、Y轴振动传感器（6）和Z轴振动传感器（4）为单轴振动传感器。
4.根据权利要求1所述的适用于1米量级高速风洞试验的模型倾角测量装置，其特征在于，所述的陀螺仪（7）为X轴方向单轴硅基微机械陀螺。
5.根据权利要求1所述的适用于1米量级高速风洞试验的模型倾角测量装置，其特征在于，所述的电连接器（13）的电气接口连接±18V的直流电源、RS-422信号和石英倾角仪（3）的±5V模拟信号。
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