CN113670567B - 测量壁面摩擦阻力的高动态响应测力天平及其标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种测量壁面摩擦阻力的高动态响应测力天平及其标定方法，该测力天平其包括支撑台、平衡杆、柔性支杆、支撑杆、平板、浮动元件和砝码；所述支撑台上设有支点，所述浮动元件的底部通过柔性支杆与支撑杆的顶部连接，所述柔性支杆上设有光纤光栅传感器，所述支撑杆的底部放置在支点上，所述平衡杆与支撑杆连接，所述平衡杆上设有测力传感器，所述砝码位于平衡杆的两端；所述平板和浮动元件处于同一平面且存在微小间隙。采用本发明的技术方案，将光纤光栅传感器应用于测力天平，实现对浮动元件所受壁面摩擦阻力瞬时值的精确测量，极大地提高测力天平的动态响应频率，为壁面摩擦阻力瞬时值的测量提供了新的思路。

Description

测量壁面摩擦阻力的高动态响应测力天平及其标定方法

技术领域

本发明属于流体力学流体测试技术领域，尤其涉及一种测量壁面摩擦阻力的高动态响应测力天平及其标定方法。

背景技术

在湍流边界层的实验研究和工程应用中，壁面摩擦阻力不仅是其归一化的重要参数，还对流体机械的运行效率具有极大影响。尽管目前的文献已报道了多种壁面摩擦阻力的测量技术，但其大多是基于各种假设的间接测量技术，如普林斯顿管法、近壁面速度梯度法、壁面热线或热膜等。测力天平作为一种直接测量技术，无需额外假设，可直接测量浮动元件所受壁面摩擦阻力，具有简单直接的优点。然而，由于测力天平机械结构的限制，现有技术公开的测力天平响应频率往往较低，仅局限于壁面摩擦阻力平均值的测量，难以精确捕捉其脉动值。

发明内容

针对以上技术问题，本发明公开了一种测量壁面摩擦阻力的高动态响应测力天平及其标定方法，解决了现有测量技术存在动态响应低的缺点。

对此，本发明采用的技术方案为：

一种测量壁面摩擦阻力的高动态响应测力天平，其包括支撑台、平衡杆、柔性支杆、支撑杆、平板、浮动元件和砝码；

所述支撑台上设有支点，所述浮动元件的底部通过柔性支杆与支撑杆的顶部连接，所述柔性支杆上设有光纤光栅传感器，所述支撑杆的底部放置在支点上，所述平衡杆与支撑杆连接，所述平衡杆上设有测力传感器，所述砝码位于平衡杆的两端；所述平板和浮动元件处于同一平面且存在微小间隙。其中，平板为待测平面，平板与浮动元件之间的微小间隙既需防止浮动元件与待测平面的接触，还需避免间隙对流动的影响。砝码分别设置于平衡杆的两端，以平衡预应力，保证测力传感器在规定量程范围内工作。优选的，所述平板与浮动元件之间的微小间隙为不大于1mm。其中所述支撑杆为刚性竖直杆。

采用此技术方案，测力天平使用中，浮动元件所受壁面摩擦阻力的时均值由测力传感器测量，再由采集卡对测力传感器的输出信号进行采集。浮动元件所受壁面摩擦阻力的脉动值通过光纤光栅应变进行测量。由于光纤光栅传感器具有极高的动态响应频率，因而可以根据其应变精确捕捉浮动平板所受壁面摩擦阻力的变化。

现有技术的测力天平的整体响应频率小于1赫兹，远低于湍流边界层局部脉动摩擦阻力的特征频率，此技术方案将光纤光栅技术融入测力天平，借助于光纤光栅传感器灵敏度高、响应快的优点，从而解决其动态响应较低的问题，实现对壁面摩擦阻力瞬时值的实时捕捉，该测力天平动态响应频率可达到上千赫兹，实现高动态响应，使得测量更加精准。

作为本发明的进一步改进，所述支点为刀片型支点，所述支撑杆的底部设有V型缺口，所述刀片型支点伸入到V型缺口内。

作为本发明的进一步改进，所述平板和浮动元件之间的间隙为0.4~0.6mm。

作为本发明的进一步改进，所述测力传感器通过连接螺栓固定在平衡杆上。采用此技术方案，所述测力传感器可通过连接螺栓改变其水平位置，调节方便。

作为本发明的进一步改进，所述平衡杆为螺纹结构，所述砝码通过螺纹与平衡杆连接。采用此技术方案，砝码在平衡杆上可以通过旋转来调节配重位置，使用方便。

作为本发明的进一步改进，所述的测量壁面摩擦阻力的高动态响应测力天平包括保护壳，测力天平位于平板下方的部分位于在保护壳内。采用此技术方案，也就是将浮动元件下方的零部件全部放入到保护壳内，也就是使柔性支杆、支撑杆、平衡杆、支点、砝码、支撑台位于保护壳内，这样可减少外界空气流动对测力天平干扰。

作为本发明的进一步改进，所述保护壳为透明材料。进一步优选的，所述保护壳的材质为亚克力。

作为本发明的进一步改进，所述平衡杆和支撑杆通过调节螺母连接。

作为本发明的进一步改进，所述支撑台的底部设有可调支撑脚。

作为本发明的进一步改进，所述支撑杆为中空结构。采用此技术方案，可以减少质量，减小支撑杆的质量对测量的影响。

作为本发明的进一步改进，所述支撑杆的材质为铝合金。采用此技术方案，利用铝合金或者碳纤维此类低密度高刚度的材料，可以减小支撑杆的质量对测量的影响。

本发明还公开了如上任意一项所述的测量壁面摩擦阻力的高动态响应测力天平的标定方法，其包括：将所述测量壁面摩擦阻力的高动态响应测力天平的浮动元件放置于由电磁铁形成的匀强磁场中，所述浮动元件为带有磁力的浮动元件；通过改变电磁铁线圈电流的大小，使浮动元件受到不同大小的电磁力，并将其与光纤光栅应变关联，从而完成对光线光栅传感器的标定。其中，可以将浮动元件替换为质量相等的带磁性的小平板安装在柔性支杆上方，并放于匀强磁场中，进行标定。

在测力天平使用前，采用对光纤光栅传感器进行标定，可以确定浮动元件受到的空气摩擦阻力与光纤光栅传感器输出电压之间的关系。采用此技术方案进行标定，使用频率可变的电磁力对光纤光栅传感器进行标定，在标定过程中，电磁铁通电后在其间隙中可产生匀强磁场，通过调节电磁铁的电流强度，产生不同强度的磁场，并通过浮动元件所受磁场力与光纤光栅应变之间的关系对天平进行标定，方法简单，容易实施，而且精度高。

作为本发明的进一步改进，所述测量壁面摩擦阻力的高动态响应测力天平的标定方法包括：给电磁铁线圈施加稳定电流，使浮动元件受到稳态的电磁力，记录光纤光栅应变量；给电磁铁线圈施加低频交变电流，其峰值与前述稳态电流强度相同，使磁性浮动元件受到变化的磁场力，光纤光栅传感器随磁场力的变化产生随时间的摆动，记录摆动的幅值；

增大交变电流的频率，并记录不同频率下光纤光栅应变的幅值；

当光纤光栅应变幅值衰减至稳态条件下的95%时，其对应的频率即为该测力天平的动态响应频率。

采用此技术方案，通过改变磁场频率，可进一步确定该测力天平的动态响应频率，方法简单，容易操作。

进一步的，所述交变电流为正弦交流信号的电流。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

第一，采用本发明的技术方案，将光纤光栅传感器应用于测力天平，将浮动元件受到的壁面摩擦阻力通过柔性支杆转化为光纤光栅传感器的应变，再由计算机对光纤光栅传感器输出的电信号进行采集。根据光纤光栅的瞬时应变，从而实现对浮动元件所受壁面摩擦阻力瞬时值的精确测量，极大地提高测力天平的动态响应频率，为壁面摩擦阻力瞬时值的测量提供了新的思路。

第二，采用本发明的技术方案，使用频率可变的电磁力对光纤光栅传感器进行标定。在标定过程中，电磁铁通电后在其间隙中可产生匀强磁场，将浮动元件替换为质量相等的带磁性的小平板安装在柔性支杆上方，并放于匀强磁场中。通过调节电磁铁的电流强度，产生不同强度的磁场，并通过浮动平板所受磁场力与光纤光栅应变之间的关系对天平进行标定。此外，通过改变磁场频率，可进一步确定该测力天平的动态响应频率。

附图说明

图1是本发明实施例的测量壁面摩擦阻力的高动态响应测力天平的结构示意图。

图2是本发明实施例的测量壁面摩擦阻力的高动态响应测力天平的标定示意图。

附图标记包括：

1-平板，2-浮动元件，3-光纤光栅传感器，4-柔性支杆，5-支撑杆，6-平衡杆，7-刀片型支点，8-调节螺母，9-砝码，10-连接螺栓，11-测力传感器，12-支撑台，13-可调支撑脚，14-保护壳；

21-电磁铁。

具体实施方式

下面对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明。

实施例1

如图1所示，一种测量壁面摩擦阻力的高动态响应测力天平，其包括保护壳14、支撑台12、平衡杆6、支撑杆5、平板1、浮动元件2和砝码9；

所述支撑台12上设有刀片型支点7，所述浮动元件2的底部通过柔性支杆4与支撑杆5的顶部连接，所述柔性支杆4上设有光纤光栅传感器3，所述支撑杆5的底部放置在刀片型支点7上，所述平衡杆6与支撑杆5连接，所述平衡杆6上设有测力传感器11，所述砝码9位于平衡杆6的两端，以平衡预应力，保证测力传感器11在规定量程范围内工作。所述平板1和浮动元件2处于同一平面且存在微小间隙。其中，平板1与浮动元件2之间的微小间隙满足既需防止浮动元件2与待测平面的接触，还需避免间隙对流动的影响。优选的，所述平板1与浮动元件2之间的微小间隙为不大于1mm。所述支撑台12的底部设有可调支撑脚13，方便调节。

测力天平位于平板1下方的部分位于在保护壳14内，也就是使柔性支杆4、支撑杆5、平衡杆6、支点、砝码9、支撑台12位于保护壳14内，这样可减少外界空气流动对测力天平干扰。

所述支撑杆5的底部设有V型缺口，所述刀片型支点7伸入到V型缺口内。

进一步的，所述测力传感器11通过连接螺栓10固定在平衡杆6上。所述平衡杆6为螺纹结构，所述砝码9通过螺纹与平衡杆6连接。所述平衡杆6和支撑杆5通过调节螺母8连接。

进一步的，所述保护壳14为透明材料。进一步优选的，所述保护壳14的材质为亚克力。

进一步的，所述支撑杆5使用的材料为密度小且刚度大的铝合金或碳纤维，并优选采用中空的设计以减少质量。

使用过程中，平板1为待测平面，浮动元件2受到的壁面摩擦阻力时均值通过天平机械结构放大后由采集力传感器采集。另一方面，浮动元件2所受壁面摩擦阻力使位于柔性支杆4上的光纤光栅产生应变，从而可以根据测量光纤光栅应变得到浮动元件2所受壁面摩擦阻力的瞬时值。

实施例2

对实施例1所述的测量壁面摩擦阻力的高动态响应测力天平进行标定，也就是对其中的光纤光栅传感器3进行标定，具体包括如下步骤：

首先，如图2所示，将测量壁面摩擦阻力的高动态响应测力天平的浮动元件2放置于由电磁铁21形成的匀强磁场中，该浮动元件2采用带有磁力的小平板，浮动元件2受到电磁力的作用使柔性支杆4及光纤光栅传感器3产生应变。通过改变电磁铁21线圈电流的大小，使浮动元件2受到不同大小的电磁力，记录此时光纤光栅传感器3的应变，并将该应变量与浮动元件2所受电磁力相关联，从而完成对光纤光栅传感器3的标定。光纤光栅传感器3标定后，即可根据光纤光栅应变量对浮动元件2受到壁面摩擦阻力瞬时值进行测量。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种测量壁面摩擦阻力的高动态响应测力天平，其特征在于：其包括支撑台、柔性支杆、平衡杆、支撑杆、平板、浮动元件和砝码；

所述支撑台上设有支点，所述浮动元件的底部通过柔性支杆与支撑杆的顶部连接，所述柔性支杆上设有光纤光栅传感器，所述支撑杆的底部放置在支点上，所述平衡杆与支撑杆连接，所述平衡杆上设有测力传感器，所述砝码位于平衡杆的两端；所述平板和浮动元件处于同一平面且存在微小间隙。

2.根据权利要求1所述的测量壁面摩擦阻力的高动态响应测力天平，其特征在于：所述支点为刀片型支点，所述支撑杆的底部设有V型缺口，所述刀片型支点伸入到V型缺口内。

3.根据权利要求2所述的测量壁面摩擦阻力的高动态响应测力天平，其特征在于：所述平板和浮动元件之间的间隙为0.4~0.6mm。

4.根据权利要求1所述的测量壁面摩擦阻力的高动态响应测力天平，其特征在于：所述测力传感器通过连接螺栓固定在平衡杆上。

5.根据权利要求1所述的测量壁面摩擦阻力的高动态响应测力天平，其特征在于：所述平衡杆为螺纹结构，所述砝码通过螺纹与平衡杆连接。

6.根据权利要求1所述的测量壁面摩擦阻力的高动态响应测力天平，其特征在于：其包括保护壳，测力天平位于平板下方的部分位于在保护壳内。

7.根据权利要求1所述的测量壁面摩擦阻力的高动态响应测力天平，其特征在于：所述支撑台的底部设有可调支撑脚，所述支撑杆为中空结构。

8.根据权利要求7所述的测量壁面摩擦阻力的高动态响应测力天平，其特征在于：所述支撑杆的材质为铝合金或碳纤维。

9.如权利要求1~8任意一项所述的测量壁面摩擦阻力的高动态响应测力天平的标定方法，其特征在于，其包括：将所述测量壁面摩擦阻力的高动态响应测力天平的浮动元件放置于由电磁铁形成的匀强磁场中，所述浮动元件为带有磁力的浮动元件；通过改变电磁铁线圈电流的大小，使浮动元件受到不同大小的电磁力，并将其与光纤光栅应变关联，从而完成对光纤光栅传感器的标定。

10.根据权利要求9所述的测量壁面摩擦阻力的高动态响应测力天平的标定方法，其特征在于，其包括：

给电磁铁线圈施加稳定电流，使浮动元件受到稳态的电磁力，记录光纤光栅应变量；给电磁铁线圈施加低频交变电流，其峰值与前述稳态电流强度相同，使磁性浮动元件受到变化的磁场力，光纤光栅传感器随磁场力的变化产生随时间的摆动，记录摆动的幅值；

增大交变电流的频率，并记录不同频率下光纤光栅应变的幅值；

当光纤光栅应变幅值衰减至稳态条件下的95%时，其对应的频率即为该测力天平的动态响应频率。