CN114594277B - 一种基于旋转热膜设备的测试方法及其应用 - Google Patents

Abstract

一种基于旋转热膜设备的测试方法及其应用，包括动静转换装置、旋转端和数据接收端，在对待测试旋转部件表面附近边界层的速度进行测量时，旋转端随着待测试旋转部件一起旋转，实时采集与待测试旋转部件湍流边界层的速度相关的电信号，通过动静转换装置将电信号传输至数据接收端。相比于传统的只能在静止状态下对流体的速度进行测量的装置，该装置中的旋转端能够随着待测试流体一起旋转，实现了对旋转状态下边界层的速度的测量。在通过动静转换装置前加装了惠斯通电桥、负反馈电路、信号滤波电路和A/D转换模块，热膜探针测得的模拟信号经过放大和抑噪后转换成数字信号，然后再传输至导电滑环，从而降低了由于驱动电机和滑环转动带来的噪声干扰。

Description

一种基于旋转热膜设备的测试方法及其应用

技术领域

本发明属于测速技术领域，尤其是涉及一种基于旋转热膜设备的测试方法及其应用。

背景技术

在旋转机械的边界层的研究中，边界层速度测量一直以来都是一个较难的课题，想要研究边界层内湍流流动，需要对湍流边界层内的速度进行测量。热膜是一种目前应用非常广泛的速度测量技术，尤其对于边界层内速度的测量，具有很高的时间分辨率以及测试频率。对于分析边界层内湍流流动具有很重要的意义。然而，如何将热膜测试系统布置到旋转状态下对速度进行同步测量则是一个难题。因为不同于静止状态，旋转会使得线束发生缠绕，并且驱动电机电刷也会产生共模和差模两种噪声，使得采集的模拟信号受到干扰从而失真，并且模拟信号无法远距离传输。

文献(“旋转状态下方形通道内部流场特性热线实验”，魏宽等，航空动力学报，第31卷第11期，第2635-2640页，2016年11月)公开了一种旋转热线测试设备，在文章中仅仅对标定环节进行了误差分析，但是实际上并未解决驱动电机和滑环产生的噪声对信号的干扰问题，问题的本质是首先从源头上保证热膜探针所采集的信号是准确的，再在此基础上进行标定，如果不解决此问题，而直接在错误的数据上进行标定将毫无意义；并且热线极易折断，只适用于低速工况，而本文的热膜则可以敷设在测量物体表面的凹槽内，对流场的扰动小。

文献(热膜式风速测量系统的设计研究，张玉妮，内蒙古农业大学硕士论文)以美国TSI9565-P多参数风速测试仪的平均风速为纵坐标，采用乘幂函数对采集到的数据进行曲线拟合。此标定方法虽计算量较小，但是精确度不如多项式拟合。

CN106643809A公开了一种MEMS陀螺仪测试装置、系统和方法，装置包括高低温箱(4)，转台台面(3)、驱动电机、温度控制系统、滑环和单/多芯片测试板(1)，数据采集板(2)，此发明在高低温箱内部设置数据采集板，通过先将被测的单/多芯片的输出信号转换成数字信号，然后再将转换后的数字信号通过滑环传输到上位机，获得误差小、精度高、真实可靠的测量结果。该专利提供的方法并未详细描述数据采集板的构造以及内部电路，即模拟信号究竟是如何通过数据采集板后就变成了误差小、精度高、真实可靠的数字信号，实际经过测量如果只是经过A/D转换模块的信号仍然是有较大噪声的，而该专利只是含糊的一笔带过，无法证明其有效性。

CN113340473A公开了一种转子叶片表面热膜测试的修正方法，对比转子叶片表面进行热膜敷设前后热膜输出值的变化，获得由于热膜敷设到转子表面测量单元产生变形而引起的热膜输出值的变化，对热膜敷设过程中引入的测量误差进行修正；通过标定和理论计算得到热膜测量单元输出值随变形和温度的变化关系，进而根据测得的温度和应变对转子叶片表面热膜测量的输出值进行修正，最终提高转子叶片表面热膜测量气动参数的精度。此发明并未介绍如何在旋转状态下使用热膜测试设备获得误差小、精度高、真实可靠的数据。

综上所述，现有的热膜测试设备无法对旋转状态下的流体边界层进行速度的测量，且使用滑环实现动静转换的过程中也无法保证信号的准确性和稳定性的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是如何解决现有的热膜测试设备无法对旋转状态下的流体进行速度的测量，且驱动电机产生的噪声，以及滑环动静转换的过程对信号的干扰使得无法保证信号的准确性和稳定性的问题；同时本发明是为了解决申请人另一篇专利申请文件：公开号：CN107271714A，公开一种适用于旋转条件下的热线测试设备所存在的缺陷而设计的。

针对以上技术问题，本发明提供了一种基于旋转热膜设备的测试方法

一种基于旋转热膜设备的测试方法，该方法适用于旋转条件下的热膜测试设备为载体，其特征为：包括如下步骤：

步骤1：将热膜探针敷设在待测物体表面，使得探针的轴线与流体流动方向呈90°；

步骤2：在静止条件下，将旋转端和数据接收端直接通过导线连接，不经过滑环，直接测量流体在不同流动速度下的相应的电压值；接着接通驱动电机电源使得待测部件开始旋转，此时再次测量旋转条件下只经过导电滑环的电压值，最后测量旋转条件下经过惠斯通电桥、负反馈电路、信号滤波电路、A/D转换模块和导电滑环的电压值，进行对比；

步骤3：对上述的电压值和流动速度作曲线方程拟合，得到电压值与流动速度的函数关系，即标定曲线；由于经负反馈电路中的放大器放大后的电压值与流动速度是非线性关系，测量过程中气体温度会影响电阻的阻值，从而影响流动速度测量的精度，因此，测量过程中，需要考虑气体温度对流动速度测量精度的影响，在流动速度计算的函数关系式中涉及两个变量，一个是温度变量，一个是流动速度变量；

步骤4：将标定曲线预先存储到数据接收端，然后开始测试，实时的电压值和流动速度数据在显示模块显示出来。

优选为：所述步骤1进一步包括如下内容：为了减小对流动的干扰，在待测物体表面加工一个形状和厚度与热膜匹配的凹槽，将热膜放置在里面，使得热膜与待测物体表面平齐，此外要将热膜探针轴线与流体流动方向呈90°放置，并且要远离转弯段紊流区。

优选为：所述步骤2进一步包括如下内容：所述惠斯通电桥为恒压型控制电路，用来精确测量电阻的变化；所述负反馈电路与所述惠斯通电桥集成在一起，用来提高放大器的输出信号质量；所述信号滤波电路为一阶低通有源滤波器，用于过滤驱动电机和滑环电刷产生的低频共模和差模噪声；为了实时采样热膜探针的电压值，A/D转换模块需具备至少8通道10位分辨率。

优选为：所述步骤3进一步包括如下内容：电压是流动速度和温度两者的函数，为了简化拟合过程，每隔5℃的间隔标定一条流动速度拟合曲线，采用多项式最小二乘拟合法拟合。

基于上述方法，本发明还公开一种旋转热膜设备，其特征为：包括动静转换装置、测试过程中随着待测试旋转部件转动的旋转端、静止放置的数据接收端；

所述动静转换装置连接所述旋转端和所述数据接收端；

所述旋转端将待测试旋转部件旋转过程中产生的电信号传输到所述动静转换装置，所述动静转换装置将所述电信号传输到所述数据接收端，所述数据接收端存储所述电信号；所述动静转换装置为导电滑环；所述旋转端的输出端连接所述导电滑环的转子所在的一端，所述数据接收端连接所述导电滑环的定子所在的一端。

优选为：所述旋转端中包含热膜探针、惠斯通电桥、负反馈电路、信号滤波电路、A/D转换模块，将所述热膜探针测得的电信号经过放大抑噪和A/D转换后传输到所述动静转换装置，所述动静转换装置将所述电信号传输到所述数据接收端，所述数据接收端存储并处理所述电信号。

优选为：所述动静转换装置为导电滑环；所述旋转端的输出端连接所述导电滑环的转子所在的一端，所述数据接收端连接所述导电滑环的定子所在的一端。

优选为：所述热膜探针首先连接所述惠斯通电桥，然后连接所述负反馈电路，再连接所述信号滤波电路，最后连接所述A/D转换模块的输入端；所述A/D转换模块的输出端连接所述导电滑环；其中，在测量所述待测试流体湍流边界层的速度时，所述热膜探针置于所述待测试旋转部件表面。

优选为：所述数据接收端根据预先存储的数字信号和湍流边界层的速度的对应关系，将所述数字信号转化为所述待测试旋转部件附近边界层的速度。

优选为：还包括显示模块；所述显示模块用于实时显示所述待测试流体湍流边界层的速度。

优选为：所述惠斯通电桥、负反馈电路、信号滤波电路集成后的尺寸为50mm×40mm×10mm；所述A/D转换模块的尺寸为50mm×40mm×15mm。

优选为：本发明待测试流体可以为液体或者气体。

有益效果

本发明的实施例提供了一种基于旋转热膜设备的测试方法及其应用，该设备包括动静转换装置、旋转端和数据接收端，在对待测试旋转部件的湍流边界层的速度进行测量时，旋转端随着待测试旋转部件一起旋转，实时采集与待测试流体湍流边界层的速度相关的电信号，通过动静转换装置将电信号传输至数据接收端。相比于传统的只能在静止状态下对流体的速度进行测量的装置，该装置中的旋转端能够随着待测试旋转部件一起旋转，实现了对旋转状态下流体的湍流边界层的速度的测量。另一方面，在通过动静转换装置前，创新性地引入惠斯通电桥、负反馈电路、信号滤波电路和A/D转换模块，将热膜探针测得的信号经过放大抑噪并转换成数字信号，然后再传输至导电滑环，经过测试对比，可以看出经过本发明的旋转端的信号质量比不经过得到了明显的提高，从而降低了由于驱动电机和滑环电刷转动带来的噪声干扰。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一个实施例提供的一种基于旋转热膜设备的测试方法及其应用的结构示意图；

图2是本发明另一个实施例提供的适用于旋转条件下的热膜测试设备的结构示意图。

图3是惠斯通电桥和负反馈电路的集成电路图；

图4是信号滤波电路(一阶有源高通滤波器)原理图；

图5是旋转状态下经过与未经过惠斯通电桥、负反馈电路、信号滤波电路的信号对比图，其中图5(a)为未经过惠斯通电桥、负反馈电路、信号滤波电路的电压图；图5(b)为经过惠斯通电桥、负反馈电路、信号滤波电路的电压图；

图6为本发明基于旋转热膜设备的测试方法流程图。

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。

我们先看一下申请人另一篇专利申请文件：公开号：CN107271714A，公开一种适用于旋转条件下的热线测试设备，包括动静转换装置、测试过程中随着待测试流体转动的旋转端、静止放置的数据接收端；所述动静转换装置连接所述旋转端和所述数据接收端；所述旋转端将所述待测试流体旋转过程中产生的电信号传输到所述动静转换装置，所述动静转换装置将所述电信号传输到所述数据接收端，所述数据接收端存储所述电信号。转换装置为导电滑环；所述旋转端的输出端连接所述导电滑环的转子所在的一端，所述数据接收端连接所述导电滑环的定子所在的一端。

与本发明相比，该申请人公开的这篇现有技术并未对热膜探针的放置位置进行规定，而热膜探针的放置位置直接关系着原始电压值的准确，并且在旋转端只有一个CTA模块，而本发明增加了惠斯通电桥、负反馈电路和信号滤波电路，并且通过上述基于旋转热膜设备的测试方法中的步骤3验证了本发明能够大幅减小旋转引起的误差，这在CN107271714A中并未得到证实，并且在此基础上详细地给出了该测试方法，经过实际验证，该测试方法能够很好地完成旋转条件下的热膜测速实验。

实施例1

图1-5为发明的实施例提供的适用于旋转条件下的热膜测试设备的结构示意图。参见图1，该设备包括动静转换装置102、测试过程中随着待测试旋转部件转动的旋转端101、静止放置的数据接收端103；所述动静转换装置102连接所述旋转端101和所述数据接收端103；所述旋转端101将所述待测试旋转部件旋转过程中产生的电信号传输到所述动静转换装置102，所述动静转换装置102将所述电信号传输到所述数据接收端103，所述数据接收端103存储所述电信号。该旋转端中包含依次连接热膜探针、惠斯通电桥、负反馈电路、信号滤波电路、A/D转换模块，将所述热膜探针测得的电信号经过放大抑噪和A/D转换后传输到所述动静转换装置，所述动静转换装置将所述电信号传输到所述数据接收端，所述A/D转换模块的输出端连所述导电滑环；在测量所述待测试旋转部件湍流边界层的速度时，所述热膜探针置于所述待测试旋转部件表面的凹槽内，所述惠斯通电桥、负反馈电路、信号滤波电路用于准确测量所述热膜探针上的电信号，并将所述电信号传输至所述A/D转换模块；所述A/D转换模块将所述电信号转换为数字信号，并将所述数字信号传输至所述导电滑环。惠斯通电桥、负反馈电路和信号滤波电路可以直接将经过放大和抑噪的模拟信号传输至A/D转换模块。

本发明在对待测试流体的湍流边界层的速度进行测量时，旋转端随着待测试流体一起旋转，实时采集与待测试流体湍流边界层的速度相关的电信号，通过动静转换装置将电信号传输至数据接收端。在对待测试流体进行测试的过程中，热膜探针轴线需与流体流动方向呈90°，直接与待测试流体接触，热膜则敷设在壁面凹槽内，与壁面齐平。惠斯通电桥、负反馈电路和信号滤波电路用于对待测试流体流过热膜探针引起的电信号的变化进行采集。可理解的是，其采集的电信号为模拟信号。

参见图3所示，该图是惠斯通电桥和恒温式负反馈电路的集成电路图，其中，热膜测速的原理公式为：

式中：A，B，X，Y为常数；v为流场平均流速；ρ为流体密度；T_w为热膜温度，T_f为流场温度；I_w为电流，R_w为电阻；Nu为努塞尔数，Re为雷诺数，l为特征长度，入为导热系数。

参见图3所示，由于是恒温式电路，即热膜温度T_w不变，当流动速度v增大时，电阻R_w会减小，其所对应的电势差E₁₂会增大，经运放电路后的E₀也增加，电流I_w随着增加，就会导致电阻R_w又变大，形成负反馈。其中R_w通过设定热线工作过热比确定。其具体的负反馈流程可表示为：

相比于传统的只能在静止状态下对流体的速度进行测量的装置，该装置中的旋转端能够随着待测试旋转部件一起旋转，实现了对旋转状态下流体的湍流边界层的速度的测量，另一方面，在通过动静转换装置进行电信号的传输前，先经过惠斯通电桥、负反馈电路、信号滤波电路的放大与抑噪，再引入A/D转换模块，若直接将模拟信号通过导电滑环传输到数据接收端，则会因为驱动电机和滑环转动带来的信号干扰使得模拟信号不稳定，给测试结果产生影响。所以将模拟信号转换成数字信号，然后再传输至导电滑环，从而降低了由于滑环转动带来的信号干扰，保证了动静转换的过程中信号的准确性和稳定性。

更进一步地，在上述各个实施例的基础上，所述数据接收端还用于根据预先存储的数字信号和湍流边界层的速度的对应关系，将所述数字信号转化为所述待测试流体湍流边界层的速度。

本发明中数据接收端可以为一电脑，该电脑能够对数据信号进行存储，并将该数字信号转换为相应的速度信号。

具体的，该电脑内预先存储有数字信号和湍流边界层的速度的对应关系，例如，数字信号和湍流边界层的速度的映射关系表。当数据接收端接收到数字信号后，根据该映射关系表找到每一数字信号对应的湍流边界层的速度，从而实现数字信号和湍流边界层的速度之间的转换。所述映射关系表通过标定的方法获取，具体地，对电压和流动速度数据作曲线方程拟合，得到电压与流动速度的确切函数关系。由于经负反馈电路中的放大器放大后的电压与流动速度值是非线性关系，测量过程中气体温度会影响电阻的阻值，从而影响流动速度测量的精度。因此，测量过程中，需要考虑气体温度对流动速度测量精度的影响，在流动速度计算的函数关系式中涉及两个变量，一个是温度变量，一个是流动速度变量。电压是流动速度和温度两者的函数，为了简化拟合过程，每隔一定温度间隔标定一条流动速度拟合曲线。本测量系统的温度间隔为5℃，由于流动速度传感器探头的特性曲线很难用单一解析式拟合，本发明采用的拟合方法是多项式最小二乘拟合法：

测量序号	y-20℃时流动速度(m/s)	x-电压值(V)
			1	0.0	0.513
2	0.5	0.817
			3	1.0	1.196
4	1.5	1.312
			5	2.0	1.421
6	2.5	1.564
			7	3.0	1.645
8	5.0	1.743
			9	8.0	1.982
10	10.0	2.152

上述即为20℃时流动速度与电压的对应表格，对于这样一组数据(x，y)，x即为电压值，y即为流动速度，要求用某个函数类：θ＝θ{θ₀(x)，θ₁(x)，L，θ_n(x)}(n＝m)来拟合一个函数

取θ＝{1，x，x²，L，xⁿ}，则有：φ(x)＝a₀+a₁x+a₂x²+L+a_nxⁿ，改写为矩阵形式为：

只要求出系数a₀，a₁，…，a_n的值，即可得到拟合曲线的函数方程。为了避免求解病态方程组，在此基础上构造正交多项式来求拟合多项式，即：给定的点集{x_i}，(I＝1，2，L，m)有递推公式：

其中：

j＝1，2，L，m-1，α，β为系数，Q为正交多项式的各项，n和k为序号，经过数据接收端的数据处理，得到最终的标定曲线拟合多项式为y＝-5.65+25.9x+-33.5x²+45.6x³-15.32x⁴+1.28x⁵。同样的其他温度下电压与流动速度的数据也经过这样处理得到标定曲线。

将热膜探针放在一个已知速度的风洞中，测量电压，然后得出电压与速度的标定曲线。

实际测量过程中，得到的数字信号是电压的数字信号，将该数字信号带入上述电压与速度的标定曲线中，得到湍流边界层的速度的曲线。

更进一步地，在上述各个实施例的基础上，还包括显示模块；

所述显示模块用于显示所述待测试流体湍流边界层的速度。

可理解的是，上述的数据接收端和显示模块可以为图2中所示的电脑。通过该电脑，用户可以对显示的结果进行控制，例如，用户可以选择用表格显示待测试流体湍流边界层的速度，或者用曲线图的形式显示待测试流体湍流边界层的速度，本实施例对此不作限制。

本实施例提供的数据接收端、显示模块可以实现采集的电信号到速度值之间的转换和显示，保证了用户能够及时准确的获取到对待测试流体测量的湍流边界层的速度。

更进一步地，在上述各个实施例的基础上，所述惠斯通电桥、负反馈电路、信号滤波电路模块的尺寸为50mm×40mm×10mm；所述A/D转换模块的尺寸为50mm×40mm×15mm。

只能用于静止状态下对流体的速度进行测量的设备尺寸大约为50mm×50mm×15mm。本实施例中提供的适用于旋转条件下的热膜测试设备对各个模块的尺寸进行控制，例如，惠斯通电桥、负反馈电路、信号滤波电路模块的尺寸(长、宽、高)为50mm×40mm×10mm，A/D转换模块的尺寸(长、宽、高)为50mm×40mm×15mm，从而使得旋转端的尺寸更小，避免了旋转端随着待测试流体转动过程中，给承载待测试流体的设备带来过重的负担，保证了在不对待测试流体的转动产生影响的情况下，对待测试流体湍流边界层的速度进行测量。

与现有技术相比，本发明的实施例提供的适用于旋转条件下的热膜测试设备，可以实现旋转状态下湍流边界层的测量；旋转测试系统具有小型化、模块化的特点，易安装与使用；采用惠斯通电桥、负反馈电路、信号滤波电路和A/D转换后的信号通过USB导电滑环实现动静转换，具有抗干扰能力强的特点。

实施例2

本发明还公开一种基于旋转热膜设备的测试方法，包括如下步骤：

步骤1：首先将热膜探针敷设在待测物体表面，使得探针轴线与流体流动方向呈90°；

所述步骤1进一步包括如下内容：为了减小对流动的干扰，一般在条件允许的情况下，可以在待测物体表面加工一个形状和厚度与热膜匹配的凹槽，将热膜放置在里面，使得热膜与待测物体表面平齐，此外要将热膜探针轴线与流体流动方向呈90°放置，并且要远离转弯段等紊流区。

步骤2：在静止条件下不通过滑环直接测量在不同流速情况下的电压曲线；接着接通驱动电机电源使得待测部件开始旋转，此时再次测量旋转条件下只经过导电滑环的电压曲线，最后测量旋转条件下经过惠斯通电桥、负反馈电路、信号滤波电路、A/D转换模块和导电滑环的电压曲线，进行对比，从图5(a)可以看出，只经过A/D转换模块的信号噪声很大，振幅很大，无法得到有效的电压数据，经过处理后的信号如图5(b)所示，电压曲线变得平滑，振幅范围缩小了很多，低频段的尖峰被消除，驱动电机和导电滑环电刷产生的周期性噪声干扰被消除，被淹没的有用信号得到了显现；所述惠斯通电桥为恒压型控制电路，用来精确测量电阻的变化；所述负反馈电路与所述惠斯通电桥集成在一起，用来提高放大器的输出信号质量；所述信号滤波电路为简单一阶低通有源滤波器，主要用来过滤驱动电机和滑环电刷产生的低频共模和差模噪声。为了实时采样热膜探针的电压值，A/D转换模块需具备至少8通道10位分辨率。

步骤3：对电压和流动速度数据作曲线方程拟合，得到电压与流动速度的确切函数关系。由于经负反馈电路中的放大器放大后的电压与流动速度值是非线性关系，测量过程中气体温度会影响电阻的阻值，从而影响流动速度测量的精度。因此，测量过程中，需要考虑气体温度对流动速度测量精度的影响，在流动速度计算的函数关系式中应该涉及两个变量，一个是温度变量，一个是流动速度变量。

其中，映射关系表通过标定的方法获取，具体地，对电压和流动速度数据作曲线方程拟合，得到电压与流动速度的确切函数关系，即标定曲线。由于经负反馈电路中的放大器放大后的电压与流动速度值是非线性关系，测量过程中气体温度会影响电阻的阻值，从而影响流动速度测量的精度。因此，测量过程中，需要考虑气体温度对流动速度测量精度的影响，在流动速度计算的函数关系式中涉及两个变量，一个是温度变量，一个是流动速度变量。电压是流动速度和温度两者的函数，为了简化拟合过程，每隔一定温度间隔标定一条流动速度拟合曲线。本测量系统的温度间隔为5℃，由于流动速度传感器探头的特性曲线很难用单一解析式拟合，本发明采用的拟合方法是多项式最小二乘拟合法：

测量序号	y-20℃时流动速度(m/s)	x-电压值(V)
			1	0.0	0.513
2	0.5	0.817
			3	1.0	1.196
4	1.5	1.312
			5	2.0	1.421
6	2.5	1.564
			7	3.0	1.645
8	5.0	1.743
			9	8.0	1.982
10	10.0	2.152

上述即为20℃时流动速度与电压的对应表格，对于这样一组数据(x，y)，x即为电压值，y即为流动速度，要求用某个函数类：θ＝θ{θ₀(x)，θ₁(x)，L，θ_n(x)}(n＝m)来拟合一个函数

取θ＝{1，x，x²，L，xⁿ}，则有：φ(x)＝a₀+a₁x+a₂x²+L+a_nxⁿ，改写为矩阵形式为：

只要求出系数a₀，a₁，…，a_n的值，即可得到拟合曲线的函数方程。为了避免求解病态方程组，在此基础上构造正交多项式来求拟合多项式，即：给定的点集{x_i}，(i＝1，2，L，m)有递推公式：

其中：

j＝1，2，L，m-1，α，β为系数，Q为正交多项式的各项，n和k为序号，经过数据接收端的数据处理，得到最终的标定曲线拟合多项式为y＝-5.65+25.9x+-33.5x²+45.6x³-15.32x⁴+1.28x⁵。同样的其他温度下电压与流动速度的数据也经过这样处理得到标定曲线。

将热膜探针放在一个已知速度的风洞中，测量电压或者电流，然后得出电压与速度的标定曲线。

实际测量过程中，得到的数字信号是电压的数字信号，将该数字信号带入上述电压与速度的标定曲线中，得到湍流边界层的速度的曲线。

步骤4：将标定完的曲线数据预先存储到数据接收端(电脑)，然后开始测试，实时的电压和流动速度数据在显示模块显示出来。

本发明还公开一种将适用于旋转条件下的热膜测试设备的测试方法应用于旋转机械的边界层的研究中。

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 (1)

1.一种基于旋转热膜设备的测试方法，该方法适用于旋转条件下的热膜测试设备为载体，其特征为：包括如下步骤：

步骤1：将热膜探针敷设在待测物体表面，使得探针的轴线与流体流动方向呈90°；在待测物体表面加工一个形状和厚度与热膜匹配的凹槽，将热膜放置在里面，使得热膜与待测物体表面平齐，此外要将热膜探针轴线与流体流动方向呈90°放置，并且要远离转弯段紊流区；

步骤2：在静止条件下，将旋转端和数据接收端直接通过导线连接，不经过滑环，直接测量流体在不同流动速度下的相应的电压值；接着接通驱动电机电源使得待测部件开始旋转，此时再次测量旋转条件下只经过导电滑环的电压值，最后测量旋转条件下经过惠斯通电桥、负反馈电路、信号滤波电路、A/D转换模块和导电滑环的电压值，进行对比；

所述惠斯通电桥为恒压型控制电路，用来测量电阻的变化；所述负反馈电路与所述惠斯通电桥集成在一起，用来提高放大器的输出信号质量；所述信号滤波电路为一阶低通有源滤波器，用于过滤驱动电机和滑环电刷产生的低频共模和差模噪声；为了实时采样热膜探针的电压值，A/D转换模块需具备至少8通道10位分辨率；

热膜测速的原理公式为：

式中：A，B，X，Y为常数；v为流场平均流速；ρ为流体密度；T_W为热膜温度，T_f为流场温度；I_W为电流，R_W为电阻；Nu为努塞尔数，Re为雷诺数，I为特征长度，λ为导热系数；

由于是恒温式电路，即热膜温度T_W不变，当流动速度v增大时，电阻R_W会减小，其所对应的电势差E₁₂会增大，经运放电路后的E₀也增加，电流I_W随着增加，就会导致电阻R_W又变大，形成负反馈，其中R_W通过设定热线工作过热比确定其具体的负反馈流程可表示为：

对于一组数据(x，y)，x即为电压值，y即为流动速度，要求用某个函数类：θ＝θ{θ₀(x)，θ₁(x)，L，θ_n(x)}(n＝m)来拟合一个函数取θ＝{1，x，x²，L，xⁿ}，则有：改写为矩阵形式为：只要求出系数a₀，a₁，...，a_n的值，即可得到拟合曲线的函数方程，为了避免求解病态方程组，在此基础上构造正交多项式来求拟合多项式，即：给定的点集{x_i}，(I＝1，2，L，m)有递推公式：

其中：j＝1，2，L，m-1，α，β为系数，Q为正交多项式的各项，n和k为序号，经过数据接收端的数据处理，得到最终的标定曲线拟合多项式为y＝-5.65+25.9x+-33.5x²+45.6x³-15.32x⁴+1.28x⁵，同样的其他温度下电压与流动速度的数据也经过这样处理得到标定曲线，

步骤3：对上述的电压值和流动速度作曲线方程拟合，得到电压值与流动速度的函数关系，即标定曲线；由于经负反馈电路中的放大器放大后的电压值与流动速度是非线性关系，测量过程中气体温度会影响电阻的阻值，从而影响流动速度测量的精度，因此，测量过程中，需要考虑气体温度对流动速度测量精度的影响，在流动速度计算的函数关系式中涉及两个变量，一个是温度变量，一个是流动速度变量；电压是流动速度和温度两者的函数，为了简化拟合过程，每隔5℃的间隔标定一条流动速度拟合曲线，采用多项式最小二乘拟合法拟合，

步骤4：将标定曲线预先存储到数据接收端，然后开始测试，实时的电压值和流动速度数据在显示模块显示出来。

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