CN114674520A - 用于测力风洞试验应变天平的灵敏度温度效应修正方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了用于测力风洞试验应变天平的灵敏度温度效应修正方法，属于航空气动力风洞试验技术领域。解决了现有技术中缺失适用于温度分布不均应变天平的灵敏度温度效应修正方法的不足。本申请能够在应变计、温度传感器的粘贴和组桥满足相关要求的基础上，应用天平校准设备和可控温的加热带获得应变天平每个惠斯通测量电桥的灵敏度温度效应修正系数，并对测力风洞试验采集的惠斯通测量电桥原始数据进行修正，从而达到温度分布不均工况下对应变天平的灵敏度温度效应进行修正的目的，有效增加了应变天平的温度适用范围，保证了测力风洞试验气动力数据测试的精确度。

Description

用于测力风洞试验应变天平的灵敏度温度效应修正方法

技术领域

本申请涉及一种应变天平的灵敏度温度效应修正方法，尤其涉及一种用于测力风洞试验应变天平的灵敏度温度效应修正方法，属于航空气动力风洞试验技术领域。

背景技术

气动性能是评价飞行器研制成败的关键因素之一，精细的气动力设计与精确的气动力预测是保证飞行器具有优越气动性能的首要条件。测力风洞试验是气动力精确预测的主要手段，直接参与飞行器的气动力设计过程，避免设计不足、防范设计风险。作为测力风洞试验的关键核心设备，风洞应变天平直接感测飞行器模型所受的六分量气动力载荷。应变天平是通过粘贴在其弹性元件上的应变计，组成惠斯通电桥，将飞行器模型所受的气动力载荷转化为电压量，从而实现非电量的电量测量。

然而对于连续式风洞，单回流闭口式运行方式导致其运行过程中试验段流场存在温度变化，引起应变天平体温度变化和分布不均，从而使得应变天平测量电路产生热输出，即应变天平的温度效应，影响测力风洞试验数据的精准度。同样，在暂冲式风洞的进排气等特种测力风洞试验中，应变天平周围或内部通气，以及在高超音速测力风洞试验中，为了防止液化现象发生而对气流进行加热，也都须考虑应变天平温度效应对测力风洞试验数据的影响。温度变化对应变天平的影响主要有以下两个方面：一是由于温度改变使应变计及其连接导线的电阻改变以及产生热应力，导致零载输出变化，即应变天平零点温度效应；二是由于温度改变使应变计的灵敏系数和应变天平材料弹性模量变化，导致应变天平灵敏度变化，即应变天平灵敏度温度效应。

专利CN104849019A、CN111638034A和CN109000879B都是采用一定的技术手段，目的是解决温度梯度即温度分布不均导致的应变天平零点温度效应问题： CN104849019A采用各自弹性元件独立组桥，然后两个桥路并联组合的方法，消除由结构上造成的温度应力相互影响从而产生的较大零点温度输出； CN111638034A采用建立DBN网络预测模型进行应变天平零点温度梯度误差补偿，具有较好的鲁棒性和泛化能力； CN109000879B通过在地面温度试验和风洞试验中获得的温度数据拟合出天平在某次试验过程中未受载读数即初读数随天平特征温度的变化曲线，从而达到对天平温度漂移进行修正的目的。此外，专利CN103625655B和CN112577704A是通过硬件设备的建设，形成了恒温环境下的温度对风洞天平温度效应影响的校准能力：其中，CN103625655B实现了对风洞天平的轴向力和滚转力矩两个分量进行温度影响校准的能力；而CN112577704A克服了CN103625655B技术的不足，同时扩展实现了对风洞天平的六个分量进行温度影响校准的能力。但是，由于暂冲式风洞进排气特种测力试验、连续式风洞和高超音速风洞的运行方式，势必会导致应变天平体存在温度变化和分布不均工况，从以上分析可见，目前缺失适用于温度分布不均应变天平的灵敏度温度效应修正方法。

发明内容

有鉴于此，本申请提供一种用于测力风洞试验应变天平的灵敏度温度效应修正方法，以解决现有技术中缺失适用于温度分布不均应变天平的灵敏度温度效应修正方法的不足，本申请能够在应变计、温度传感器的粘贴和组桥满足相关要求的基础上，应用天平校准设备和可控温的加热带获得应变天平每个惠斯通测量电桥的灵敏度温度效应修正系数，并对测力风洞试验采集的惠斯通测量电桥原始数据进行修正，从而达到温度分布不均工况下对应变天平的灵敏度温度效应进行修正的目的。

本申请的技术方案是这样实现的：

用于测力风洞试验应变天平的灵敏度温度效应修正方法，包括：

步骤一，应变天平应变计、温度传感器的粘贴和组桥；

步骤二，将应变天平安装到天平校准设备上，并在连接应变天平的加载头上安装可控温的加热带；

步骤三，应用天平校准设备和可控温的加热带获得应变天平每个惠斯通测量电桥的灵敏度温度效应修正系数；

步骤四，对测力风洞试验采集的惠斯通测量电桥原始数据进行修正。

在上述技术方案中，所述步骤一，具体步骤为：

1.1应变天平每个惠斯通测量电桥中各自应变计都粘贴在垂直于弹性元件温度传递路径的一个截面上，并在惠斯通测量电桥对应位置处粘贴温度传感器；

1.2惠斯通测量电桥组桥，使每个惠斯通测量电桥各自内部桥路导线长度相等。

具体地，所述步骤1.1中惠斯通测量电桥对应位置是指与应变计处于一个截面上。

在上述技术方案中，所述步骤三，具体步骤为：

3.1在室温下，按混合多元法校准载荷表对应变天平实施静态性能校准，采集应变天平惠斯通测量电桥以及温度传感器的输出，从而获得常温校准工况下的加载数据、应变天平工作公式；

3.2打开可控温的加热带电源，设置目标温度；

3.3当加热带达到目标温度后，等待一段时长，按与步骤3.1相同的混合多元法校准载荷表对应变天平实施载荷加载，采集应变天平惠斯通测量电桥以及温度传感器的输出，获得温度分布不均工况下的加载数据；

3.4利用常温校准工况和温度分布不均工况下混合多元法校准载荷表加载的应变天平惠斯通测量电桥以及温度传感器的输出数据，处理计算获得温度分布不均应变天平的灵敏度温度效应修正系数。

具体地，步骤3.4中计算修正系数的公式形式为：

K_Ui=（（U_i加温-U_{i加温零点}）-（U_i校准-U_{i校准零点}））/（U_i校准-U_{i校准零点}）/（T_i加温-T_i校准）

其中，K_Ui是应变天平每个惠斯通测量电桥的灵敏度温度效应修正系数，U_i加温是温度分布不均工况下加载载荷后的应变天平每个惠斯通测量电桥输出值，U_{i加温零点}是温度分布不均工况下的零载应变天平每个惠斯通测量电桥输出值，U_i校准是常温校准工况下加载载荷后的应变天平每个惠斯通测量电桥输出值，U_{i校准零点}是常温校准工况下零载的应变天平每个惠斯通测量电桥输出值，T_i加温是温度分布不均工况下对应每个惠斯通测量电桥的温度传感器输出值，T_i校准是常温校准工况下对应每个惠斯通测量电桥的温度传感器输出值。

具体地，所述步骤3.3中一段时长是指使应变天平与周边设备及空气达到热平衡所需的时长，即应变天平上温度传感器输出值稳定不变所需时长。

具体地，所述步骤3.4中温度分布不均应变天平的灵敏度温度效应修正系数是指计算获得应变天平每个惠斯通测量电桥的灵敏度温度效应修正系数。

在上述技术方案中，所述步骤四，具体步骤为：

4.1利用步骤3.4中得到的应变天平每个惠斯通测量电桥的灵敏度温度效应修正系数修正测力风洞试验采集到的应变天平每个惠斯通测量电桥输出值；

4.2对步骤4.1修正后的惠斯通测量电桥数值进行加、减组合，获得对应应变天平各分量载荷的电压变化量，并利用3.1获得的应变天平工作公式计算获得飞行器模型在测力风洞试验中所受到的气动力载荷数据。

具体地，步骤4.1中修正测力风洞试验数据的公式形式为：

U_{i风洞修正}=（U_i风洞-U_{i风洞零点}）/（1+K_Ui*（T_i风洞-T_i校准））+U_{i风洞零点}

其中，U_{i风洞修正}是对测力风洞试验吹风中采集到的应变天平每个惠斯通测量电桥输出值进行灵敏度温度效应修正后的数值，U_i风洞是测力风洞试验吹风中采集到的应变天平每个惠斯通测量电桥输出值，U_{i风洞零点}是测力风洞试验无风状态采集到的应变天平每个惠斯通测量电桥输出值，K_Ui是步骤七中得到的应变天平每个惠斯通测量电桥的灵敏度温度效应修正系数，T_i风洞是测力风洞试验吹风中采集到的对应每个惠斯通测量电桥的温度传感器输出值，T_i校准是常温校准工况下对应每个惠斯通测量电桥的温度传感器输出值。

具体地，所述步骤4.1中修正测力风洞试验采集到的应变天平每个惠斯通测量电桥输出值是指对其进行灵敏度温度效应修正。

本申请有益效果体现在：

相对于现有的在应变天平零点温度效应的物理补偿技术基础上的相关补偿与修正温度分布不均导致的应变天平零点温度效应解决方案，本申请能够在应变计、温度传感器的粘贴和组桥满足相关要求的基础上，应用天平校准设备和可控温的加热带获得应变天平每个惠斯通测量电桥的灵敏度温度效应修正系数，并对测力风洞试验采集的惠斯通测量电桥原始数据进行修正，从而达到温度分布不均工况下对应变天平的灵敏度温度效应进行修正的目的。本申请有效增加了应变天平的温度适用范围可达10℃～60℃，保证了测力风洞试验气动力数据测试的精确度。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是应变天平U1和U2惠斯通测量电桥的应变计和对应温度传感器粘贴位置图；

图2是图1的俯视图；

图3是图1中A-A处应变天平U1和U2惠斯通测量电桥的组桥桥路图；

图4是图1中B-B处应变天平U1和U2惠斯通测量电桥的组桥桥路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关申请，而非对该申请的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与申请相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请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申请。

实施例一

本申请实施例一提供了一种用于测力风洞试验应变天平的灵敏度温度效应修正方法，包括：

步骤一：应变天平每个惠斯通测量电桥中各自应变计都粘贴在垂直于弹性元件温度传递路径的一个截面上，并在惠斯通测量电桥对应位置处粘贴温度传感器；

步骤二：惠斯通测量电桥组桥，使每个惠斯通测量电桥各自内部桥路导线长度相等；

步骤三：将应变天平安装到天平校准设备上，并在连接应变天平的加载头上安装可控温的加热带；

步骤四：在室温下，按混合多元法校准载荷表对应变天平实施静态性能校准，采集应变天平惠斯通测量电桥以及温度传感器的输出，从而获得常温校准工况下的加载数据、应变天平工作公式；

步骤五：打开可控温的加热带电源，设置目标温度；

步骤六：当加热带达到目标温度后，等待一段时长，按与步骤四相同的混合多元法校准载荷表对应变天平实施载荷加载，采集应变天平惠斯通测量电桥以及温度传感器的输出，获得温度分布不均工况下的加载数据；

步骤七：利用常温校准工况和温度分布不均工况下混合多元法校准载荷表加载的应变天平惠斯通测量电桥以及温度传感器的输出数据，处理计算获得温度分布不均应变天平的灵敏度温度效应修正系数。计算修正系数的公式形式为：

K_Ui=（（U_i加温-U_{i加温零点}）-（U_i校准-U_{i校准零点}））/（U_i校准-U_{i校准零点}）/（T_i加温-T_i校准）

其中，K_Ui是应变天平每个惠斯通测量电桥的灵敏度温度效应修正系数，U_i加温是温度分布不均工况下加载载荷后的应变天平每个惠斯通测量电桥输出值，U_{i加温零点}是温度分布不均工况下的零载应变天平每个惠斯通测量电桥输出值，U_i校准是常温校准工况下加载载荷后的应变天平每个惠斯通测量电桥输出值，U_{i校准零点}是常温校准工况下零载的应变天平每个惠斯通测量电桥输出值，T_i加温是温度分布不均工况下对应每个惠斯通测量电桥的温度传感器输出值，T_i校准是常温校准工况下对应每个惠斯通测量电桥的温度传感器输出值；

步骤八：利用步骤七中得到的应变天平每个惠斯通测量电桥的灵敏度温度效应修正系数修正测力风洞试验采集到的应变天平每个惠斯通测量电桥输出值。修正测力风洞试验数据的公式形式为：

U_{i风洞修正}=（U_i风洞-U_{i风洞零点}）/（1+K_Ui*（T_i风洞-T_i校准））+U_{i风洞零点}

其中，U_{i风洞修正}是对测力风洞试验吹风中采集到的应变天平每个惠斯通测量电桥输出值进行灵敏度温度效应修正后的数值，U_i风洞是测力风洞试验吹风中采集到的应变天平每个惠斯通测量电桥输出值，U_{i风洞零点}是测力风洞试验无风状态采集到的应变天平每个惠斯通测量电桥输出值，K_Ui是步骤七中得到的应变天平每个惠斯通测量电桥的灵敏度温度效应修正系数，T_i风洞是测力风洞试验吹风中采集到的对应每个惠斯通测量电桥的温度传感器输出值，T_i校准是常温校准工况下对应每个惠斯通测量电桥的温度传感器输出值；

步骤九：对步骤八修正后的惠斯通测量电桥数值进行加、减组合，获得对应应变天平各分量载荷的电压变化量，并利用步骤四获得的应变天平工作公式计算获得飞行器模型在测力风洞试验中所受到的气动力载荷数据。

实施例二

本申请实施例二与实施例一的不同在于，以某应变天平U₁和U₂惠斯通测量电桥为例，如图1-2所示，U₁惠斯通测量电桥的1、2、3和4号应变计粘贴在垂直于沿测量法向力和俯仰力矩的前弹性元件温度传递路径的一个截面A-A上，并在对应位置处粘贴温度传感器T₁；U₂惠斯通测量电桥的5、6、7和8号应变计粘贴在垂直于沿测量法向力和俯仰力矩的后弹性元件温度传递路径的一个截面B-B上，并在对应位置处粘贴温度传感器T₂。如图3-4所示，U₁惠斯通测量电桥组桥后的内部桥路导线（1）、（2）、（3）、（4）号长度相等，U₂惠斯通测量电桥组桥后的内部桥路导线（5）、（6）、（7）、（8）号长度相等。

应变天平安装于天平校准设备的支撑装置上，连接加载头于应变天平的前端，并在加载头上安装可控温的加热带，并连接加载钢带和加载力源。在室温25°C下，按混合多元法校准载荷表对应变天平实施静态性能校准，获得常温校准工况下的加载数据、应变天平工作公式。加热带进行控温加热到50°C，保持30min后应变天平上温度传感器T₁输出值稳定到47°C和温度传感器T₂输出值稳定到32°C，按混合多元法校准载荷表对应变天平实施载荷加载，获得温度分布不均工况下混合多元法校准载荷表的加载数据。

利用温度分布不均应变天平的灵敏度温度效应修正系数计算公式：K_Ui=（（U_i加温-U_{i加温零点}）-（U_i校准-U_{i校准零点}））/（U_i校准-U_{i校准零点}）/（T_i加温-T_i校准），其中，K_Ui是应变天平每个惠斯通测量电桥的灵敏度温度效应修正系数，U_i加温是温度分布不均工况下加载载荷后的应变天平每个惠斯通测量电桥输出值，U_{i加温零点}是温度分布不均工况下的零载应变天平每个惠斯通测量电桥输出值，U_i校准是常温校准工况下加载载荷后的应变天平每个惠斯通测量电桥输出值，U_{i校准零点}是常温校准工况下零载的应变天平每个惠斯通测量电桥输出值，T_i加温是温度分布不均工况下对应每个惠斯通测量电桥的温度传感器输出值，T_i校准是常温校准工况下对应每个惠斯通测量电桥的温度传感器输出值。计算获得U₁和U₂惠斯通测量电桥的灵敏度温度效应修正系数，K_U1=0.00013，K_U2=0.00011。

某次连续式风洞测力试验的基本步骤是：将应变天平和支杆安装到风洞支撑机构上；安装飞行器模型于应变天平前端，采集无风状态应变天平U₁和U₂惠斯通测量电桥输出值；保持攻角零位启动风洞开始吹风，待流场建立并达到要求的Ma0.8后采集不同攻角下的应变天平U₁和U₂惠斯通测量电桥以及对应温度传感器T₁与T₂的输出值；当所有需要的攻角都走遍后，攻角机构回零位，完成本Ma0.8的吹风试验。

利用U₁和U₂惠斯通测量电桥的灵敏度温度效应修正系数，K_U1=0.00013，K_U2=0.00011和修正公式对本Ma0.8的吹风试验数据进行修正处理，获得U₁和U₂惠斯通测量电桥的修正后数据U_{1风洞修正}和U_{2风洞修正}。修正测力风洞试验数据的公式形式为：U_{i风洞修正}=（U_i风洞-U_{i风洞零点}）/（1+K_Ui*（T_i风洞-T_i校准））+U_{i风洞零点}，其中，U_{i风洞修正}是对测力风洞试验吹风中采集到的应变天平每个惠斯通测量电桥输出值进行灵敏度温度效应修正后的数值，U_i风洞是测力风洞试验吹风中采集到的应变天平每个惠斯通测量电桥输出值，U_{i风洞零点}是测力风洞试验无风状态采集到的应变天平每个惠斯通测量电桥输出值，K_Ui是步骤七中得到的应变天平每个惠斯通测量电桥的灵敏度温度效应修正系数，T_i风洞是测力风洞试验吹风中采集到的对应每个惠斯通测量电桥的温度传感器输出值，T_i校准是常温校准工况下对应每个惠斯通测量电桥的温度传感器输出值。

对U₁和U₂惠斯通测量电桥的修正后数据U_{1风洞修正}和U_{2风洞修正}进行加、减组合，U_法向力=U_{2风洞修正}-U_{1风洞修正}和U_俯仰力矩=U_{2风洞修正}+U_{1风洞修正}，获得对应法向力和俯仰力矩的电压变化量；再利用常温校准工况下获得的该应变天平工作公式，计算获得了飞行器模型在吹风风洞试验Ma0.8时所受到的法向力和俯仰力矩载荷数据。

以上所述的实施例，对本申请的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限定本申请的保护范围，凡在本申请的技术方案的基础之上，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.用于测力风洞试验应变天平的灵敏度温度效应修正方法，其特征在于，包括：

步骤一，应变天平应变计、温度传感器的粘贴和组桥；

步骤二，将应变天平安装到天平校准设备上，并在连接应变天平的加载头上安装可控温的加热带；

步骤三，应用天平校准设备和可控温的加热带获得应变天平每个惠斯通测量电桥的灵敏度温度效应修正系数；

步骤四，对测力风洞试验采集的惠斯通测量电桥原始数据进行修正。

2.根据权利要求1所述的用于测力风洞试验应变天平的灵敏度温度效应修正方法，其特征在于，所述步骤一，具体步骤为：

1.1应变天平每个惠斯通测量电桥中各自应变计都粘贴在垂直于弹性元件温度传递路径的一个截面上，并在惠斯通测量电桥对应位置处粘贴温度传感器；

1.2惠斯通测量电桥组桥，使每个惠斯通测量电桥各自内部桥路导线长度相等。

3.根据权利要求2所述的用于测力风洞试验应变天平的灵敏度温度效应修正方法，所述步骤1.1中惠斯通测量电桥对应位置是指与应变计处于一个截面上。

4.根据权利要求2所述的用于测力风洞试验应变天平的灵敏度温度效应修正方法，其特征在于，所述步骤三，具体步骤为：

3.1在室温下，按混合多元法校准载荷表对应变天平实施静态性能校准，采集应变天平惠斯通测量电桥以及温度传感器的输出，从而获得常温校准工况下的加载数据、应变天平工作公式；

3.2打开可控温的加热带电源，设置目标温度；

3.3当加热带达到目标温度后，等待一段时长，按与步骤3.1相同的混合多元法校准载荷表对应变天平实施载荷加载，采集应变天平惠斯通测量电桥以及温度传感器的输出，获得温度分布不均工况下的加载数据；

3.4利用常温校准工况和温度分布不均工况下混合多元法校准载荷表加载的应变天平惠斯通测量电桥以及温度传感器的输出数据，处理计算获得温度分布不均应变天平的灵敏度温度效应修正系数。

5.根据权利要求4所述的用于测力风洞试验应变天平的灵敏度温度效应修正方法，其特征在于，步骤3.4中计算修正系数的公式形式为：

K_Ui=（（U_i加温-U_{i加温零点}）-（U_i校准-U_{i校准零点}））/（U_i校准-U_{i校准零点}）/（T_i加温-T_i校准）

其中，K_Ui是应变天平每个惠斯通测量电桥的灵敏度温度效应修正系数，U_i加温是温度分布不均工况下加载载荷后的应变天平每个惠斯通测量电桥输出值，U_{i加温零点}是温度分布不均工况下的零载应变天平每个惠斯通测量电桥输出值，U_i校准是常温校准工况下加载载荷后的应变天平每个惠斯通测量电桥输出值，U_{i校准零点}是常温校准工况下零载的应变天平每个惠斯通测量电桥输出值，T_i加温是温度分布不均工况下对应每个惠斯通测量电桥的温度传感器输出值，T_i校准是常温校准工况下对应每个惠斯通测量电桥的温度传感器输出值。

6.根据权利要求4所述的用于测力风洞试验应变天平的灵敏度温度效应修正方法，其特征在于，所述步骤3.3中一段时长是指使应变天平与周边设备及空气达到热平衡所需的时长，即应变天平上温度传感器输出值稳定不变所需时长。

7.根据权利要求4所述的用于测力风洞试验应变天平的灵敏度温度效应修正方法，其特征在于，所述步骤3.4中温度分布不均应变天平的灵敏度温度效应修正系数是指计算获得应变天平每个惠斯通测量电桥的灵敏度温度效应修正系数。

8.根据权利要求4所述的用于测力风洞试验应变天平的灵敏度温度效应修正方法，其特征在于，所述步骤四，具体步骤为：

4.1利用步骤3.4中得到的应变天平每个惠斯通测量电桥的灵敏度温度效应修正系数修正测力风洞试验采集到的应变天平每个惠斯通测量电桥输出值；

4.2对步骤4.1修正后的惠斯通测量电桥数值进行加、减组合，获得对应应变天平各分量载荷的电压变化量，并利用3.1获得的应变天平工作公式计算获得飞行器模型在测力风洞试验中所受到的气动力载荷数据。

9.根据权利要求8所述的用于测力风洞试验应变天平的灵敏度温度效应修正方法，其特征在于，步骤4.1中修正测力风洞试验数据的公式形式为：

U_{i风洞修正}=（U_i风洞-U_{i风洞零点}）/（1+K_Ui*（T_i风洞-T_i校准））+U_{i风洞零点}

其中，U_{i风洞修正}是对测力风洞试验吹风中采集到的应变天平每个惠斯通测量电桥输出值进行灵敏度温度效应修正后的数值，U_i风洞是测力风洞试验吹风中采集到的应变天平每个惠斯通测量电桥输出值，U_{i风洞零点}是测力风洞试验无风状态采集到的应变天平每个惠斯通测量电桥输出值，K_Ui是步骤七中得到的应变天平每个惠斯通测量电桥的灵敏度温度效应修正系数，T_i风洞是测力风洞试验吹风中采集到的对应每个惠斯通测量电桥的温度传感器输出值，T_i校准是常温校准工况下对应每个惠斯通测量电桥的温度传感器输出值。

10.根据权利要求8所述的用于测力风洞试验应变天平的灵敏度温度效应修正方法，其特征在于，所述步骤4.1中修正测力风洞试验采集到的应变天平每个惠斯通测量电桥输出值是指对其进行灵敏度温度效应修正。

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