CN115218966B - 风洞试验的天平应变计粘贴质量检验装置及其检验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及风洞试验的天平应变计粘贴质量检验装置及其检验方法，属于风洞试验技术领域。解决的是未检测环境压力对天平应变计影响的问题。包括上盖、加热装置、箱体、控制器、抽真空口、航空插头、压力传感器和温度传感器，所述箱体上设置有加热装置，箱体内腔放置有天平，箱体的上部设置有上盖，箱体的侧壁设置有压力传感器和温度传感器，用于检测箱体内的温度和压力，箱体上设置有抽真空口、航空插头，抽真空口与泵连接，航空插头分别与采集系统、天平电性连接，箱体外壁安装有控制器，控制器与加热装置、压力传感器、温度传感器、泵电性连接。本发明通过对压力和温度进行变量控制，作为检验应变计粘贴质量的手段。

Description

风洞试验的天平应变计粘贴质量检验装置及其检验方法

技术领域

本发明涉及风洞试验的天平应变计粘贴质量检验装置及其检验方法，属于风洞试验技术领域。

背景技术

天平是风洞试验过程中测量飞行器模型气动载荷的核心部件。其测量原理是将应变计粘贴在天平测量元件上，组成惠斯顿电桥，当风洞试验开始时，飞行器模型在气动载荷作用下，引起天平测量元件变形，粘贴于测量元件表面的应变计感知到形变后阻值发生变化，由惠斯顿电桥输出电压信号，经过天平公式迭代计算后，得到作用在飞行器模型上的气动载荷。

目前应变计粘贴质量检查包括外观检测、电阻和绝缘电阻测量。外观检查主要观察粘贴后的应变计贴片方位是否正确，应变计有无损伤，粘贴是否牢固和有无气泡等。测量电阻值可以检查有无断路、回路。绝缘电阻是最重要的受检指标，绝缘好坏取决于应变计的基底，粘贴不良或固化不充分的应变计往往绝缘电阻低。现有的这些检查方法可以筛选出粘贴质量差或者不合格的应变计，但不能排除所有粘贴不良的应变计，有些应变计只有在发生形变后如风洞测力试验中才能逐渐显露出欠佳的应变性能。

在风洞试验中时，天平还会受到各种环境因素的影响，导致测量出现误差，其中不可消除的因素主要包括风洞试验时流场温度和压力；

【文献1】研究的是一种降低风洞应变天平温度效应的电路设计方法，CN104849019A；

【文献2】基于深度学习的应变天平温度梯度误差补偿方法及系统，CN111638034A；

【文献3】一种风洞天平温度漂移修正方法，CN109000879B；

【文献4】一种降低风洞应变天平温度效应的电路设计方法，CN104849019A；

【文献5】应变天平温度影响校准系统，CN103625655B；

【文献6】一种用于校准风洞天平温度影响参数的高低温试验箱，CN112577704A；

【文献1】【文献2】【文献3】解决了温度分布不均导致的应变天平零点温度效应问题；【文献4】采用新的组桥方法，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；【文献5】【文献6】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，其均未公开检测环境压力对天平应变计影响的解决方案。

因此，亟需提出风洞试验的天平应变计粘贴质量检验装置及其检验方法，以解决上述技术问题。

发明内容

本发明研发解决的是未检测环境压力对天平应变计影响的问题。在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。

本发明的技术方案：

风洞试验的天平应变计粘贴质量检验装置，包括上盖、加热装置、箱体、控制器、抽真空口、航空插头、压力传感器和温度传感器，所述箱体上设置有加热装置，箱体内腔放置有天平，箱体的上部设置有上盖，箱体的侧壁设置有压力传感器和温度传感器，用于检测箱体内的温度和压力，箱体的侧壁还设置有抽真空口、航空插头，箱体通过抽真空口与真空泵连接，航空插头的一端与天平电性连接，航空插头的另一端与采集系统连接，箱体外壁安装有控制器，控制器与加热装置、压力传感器、温度传感器、真空泵电性连接。

优选的：所述压力传感器、温度传感器的数量均为三个，三个压力传感器沿竖直方向等距设置，三个温度传感器沿竖直方向等距设置。

风洞试验的天平应变计粘贴质量检验方法，包括以下步骤：

步骤一：打开上盖，将粘贴完成的天平放入到箱体中，将天平与航空插头连接，合上上盖，使天平处于密封的腔体内；

步骤二：启动真空泵使装置内的压力值达到设定状态，启动加热装置使装置内达到设定温度；

步骤三：通过采集系统采集天平各分量零点电压值的输出信号，并对这些信号的变化情况进行采集、保存；

步骤四：根据压力和/或温度与天平各分量零点电压值的对应关系，对天平各分量的应变计粘贴质量做出判断。

优选的：步骤一中，天平包括天平体和粘贴在天平体上的应变计，天平体的前端面与箱体的底面接触，使天平体垂直放置于箱体内。

优选的：步骤二中，装置中的压力值可设定为恒定、升压或降压，升压或降压时，压力值为阶梯变化。

优选的：步骤二中，通过控制器可控制单一变量，或使压力、温度同时变化，实现步骤三中模拟多种环境下，即恒温下的压力升高或降低、恒压下的温度升高或降低、压力与温度同时升高或降低、压力升高温度降低、压力降低温度升高的环境模拟，对天平各分量零点电压值的输出信号进行采集，通过对比分析，判断天平在不同环境下的使用性能。

优选的：采集系统的型号为PSIe-1082。

优选的：步骤四中，当天平零点电压输出值小于或等于1µV/V时，可以判定天平应变计粘贴合格；当天平零点电压输出值大于1µV/V时，判定天平应变计粘贴质量不合格。

优选的：步骤五，将压力和/或温度环境变化下天平各分量零点电压输出值通过天平公式迭代计算获得载荷的变化值，确定天平性能是否能够满足试验要求。

优选的：步骤五中，通过试验获得的不同压力环境下天平零点电压变化值，可以判断该天平是否满足要求的气动力指标，具体方法是：气动力系数是由气动力载荷除以速压再除以模型横截面积获得的，当测力试验开始前可以确定模型横截面积以及试验的马赫数，因此只要确定气动力载荷的大小即可计算得到气动力系数是否满足标准，公式如下：

气动力系数=F/QS；

F-气动力载荷，Q-速压，S-模型横截面积。

本发明具有以下有益效果：

1.本发明可以作为检验应变计粘贴质量的手段；

2.本发明可以在天平应用于风洞测力试验前对天平应变计粘贴质量做出判断，避免风洞试验过程中因为天平应变计粘贴问题导致的试验数据无效的情况，降低试验风险，提高风洞测力试验精准度，提升效率；

3.本发明通过对压力和温度进行精确的变量控制，当一台天平在风洞试验过程中出现问题时，既可以对天平进行温度效应试验，又能够通过压力测试，检测天平性能，有助于确定主要的影响因素，提高排除故障的效率。

附图说明

图1是风洞试验的天平应变计粘贴质量检验装置的剖面图；

图2是风洞试验的天平应变计粘贴质量检验装置的结构图；

图3是试验时的压力控制曲线；

图4是压力值和零点电压值关系曲线；

图中1-上盖，2-加热装置，3-箱体，4-控制器，5-抽真空口，6-航空插头，7-压力传感器，8-温度传感器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

具体实施方式一：结合图1-图2说明本实施方式，本实施方式的风洞试验的天平应变计粘贴质量检验装置，包括上盖1、加热装置2、箱体3、控制器4、抽真空口5、航空插头6、压力传感器7和温度传感器8，所述箱体3上设置有加热装置2，加热装置2设置在箱体3与保温层之间，箱体3内腔放置有天平，箱体3的上部设置有上盖1，箱体3与上盖1之间设置密封条，箱体3与上盖1的外侧设置有保温层结构，可以减少外界环境对装置内温度的影响，箱体3的侧壁设置有压力传感器7和温度传感器8，用于检测箱体3内的温度和压力，箱体3的侧壁还设置有抽真空口5、航空插头6，箱体3通过抽真空口5与真空泵连接，航空插头6的一端与天平电性连接，航空插头6的另一端与采集系统连接，箱体3外壁安装有控制器4，控制器4与加热装置2、压力传感器7、温度传感器8、真空泵电性连接，所述压力传感器7、温度传感器8的数量均为三个，三个压力传感器7沿竖直方向等距设置，三个温度传感器8沿竖直方向等距设置。

具体实施方式二：结合图1-图2说明本实施方式，本实施方式的风洞试验的天平应变计粘贴质量检验方法，包括上盖1、加热装置2、箱体3、控制器4、抽真空口5、航空插头6、压力传感器7和温度传感器8，所述箱体3上设置有加热装置2，箱体3内腔放置有天平，箱体3的上部设置有上盖1，箱体3与上盖1之间设置密封条，箱体3与上盖1的外侧设置有保温层结构，箱体3的侧壁设置有压力传感器7和温度传感器8，用于检测箱体3内的温度和压力，箱体3的侧壁还设置有抽真空口5、航空插头6，箱体3通过抽真空口5与真空泵连接，航空插头6的一端与天平电性连接，航空插头6的另一端与采集系统连接，箱体3外壁安装有控制器4，控制器4与加热装置2、压力传感器7、温度传感器8、真空泵电性连接，所述压力传感器7、温度传感器8的数量均为三个，三个压力传感器7沿竖直方向等距设置，三个温度传感器8沿竖直方向等距设置；

包括以下步骤：

步骤一：打开上盖1，将粘贴完成的天平放入到箱体3中，将天平与航空插头6连接，合上上盖1，使天平处于密封的腔体内；

步骤二：启动真空泵使装置内的压力值达到设定状态，启动加热装置2使装置内达到设定温度；

步骤三，通过采集系统采集天平各分量零点电压值的输出信号，并对这些信号的变化情况进行采集，保存；

步骤四，根据压力和/或温度与天平各分量零点电压值的对应关系，对天平各分量的应变计粘贴质量做出判断。

具体实施方式三：结合图1-图4说明本实施方式，本实施方式的风洞试验的天平应变计粘贴质量检验方法，包括以下步骤：

步骤一：打开上盖1，将粘贴完成的天平放入到箱体3中，将天平与航空插头6连接，合上上盖1，使天平处于密封的腔体内；天平包括天平体和粘贴在天平体上的应变计，天平体的前端面与箱体3的底面接触，使天平体垂直放置于箱体3内；

步骤二：启动真空泵使装置内的压力值达到设定状态，启动加热装置2使装置内达到设定温度；装置中的压力值可设定为恒定、升压或降压，升压或降压时，压力值为阶梯变化；通过控制器可控制单一变量，或使压力、温度同时变化；

步骤三：通过控制压力、温度实现模拟多种环境下，即恒温下的压力升高或降低、恒压下的温度升高或降低、压力与温度同时升高或降低、压力升高温度降低、压力降低温度升高的环境模拟，对天平各分量零点电压值的输出信号进行采集，通过对比分析，判断天平在不同环境下的使用性能，通过采集系统采集天平各分量零点电压值的输出信号，并对这些信号的变化情况进行采集、保存；采集系统的型号为PSIe-1082；

步骤四：根据压力和/或温度与天平各分量零点电压值的对应关系，对天平各分量的应变计粘贴质量做出判断；当天平零点电压输出值小于或等于1µV/V时，可以判定天平应变计粘贴合格；当天平零点电压输出值大于1µV/V时，判定天平应变计粘贴质量不合格；

步骤五：将压力和/或温度环境变化下天平各分量零点电压输出值通过天平公式迭代计算获得载荷的变化值，确定天平性能是否能够满足试验要求；通过试验获得的不同压力环境下天平零点电压变化值，可以判断该天平是否满足要求的气动力指标，具体方法是：气动力系数是由气动力载荷除以速压再除以模型横截面积获得的，当测力试验开始前可以确定模型横截面积以及试验的马赫数，因此只要确定气动力载荷的大小即可计算得到气动力系数是否满足，公式如下：

气动力系数=F/QS；

F-气动力载荷，Q-速压，S-模型横截面积，气动力载荷可以通过不同压力和/或温度下天平零点电压的变化值和天平校准获得的天平公式以迭代的方式计算得出，为现有技术；如果是一台新加工未校准的天平，可以通过天平设计阶段的应力应变分析获得，因此通过本发明即可在试验开始前对天平性能进行分析，排除试验隐患，降低试验风险，提升试验效率。

实施例1：结合图1-图4说明本实施方式，本实施方式的风洞试验的天平应变计粘贴质量检验方法，模拟温度恒定，压力下降至接近真空的环境下，天平应变计粘贴质量检验方法，包括以下步骤：

步骤一：打开上盖1，将粘贴完成的两个天平同时放入到箱体3中，将天平与航空插头6连接，合上上盖1，使天平处于密封的腔体内；

步骤二：启动真空泵通过抽真空口5制造箱体3内的负压环境，使压力值由常压阶梯减小至真空，在压力降低的过程中通过加热装置2进行加热，制造恒温环境；用于检测天平粘贴质量的真空环境，以10kPa为一个阶梯，逐级降压，每个阶梯的压力值稳定且持续3分钟以上，再逐级增压返回至常压，压力控制范围100kPa-1kPa，从常压抽到1kPa时间少于或等于60min，温度控制范围为20-250℃，加热至200℃时间少于40min，温度稳定精度小于或等于0.5℃；因为理想气体方程为 PV=nRT ，P是压力，V是体积，n是物质的量，R是常数，当体积不变时温度随压力减小而减小，而且应变天平的电压输出信号会随着温度变化发生变化，为保证整个检测过程中温度恒定，该装置提供可控温度功能；

步骤三：天平零点电压信号通过航空插头6传送给采集系统保存；

步骤四：根据压力传感器检测的压力与天平各分量零点电压值的对应关系，对天平各分量的应变计粘贴质量做出判断；当应变计粘贴质量高的情况下，天平零点电压值不随压力值变化而变化，当应变计粘贴质量差，应变片与天平元件之间存在微小气泡时，环境压力发生变化后，应变计和天平元件之间会随着压力的变化产生微小形变，从而导致天平零点电压值发生变化，天平采用单分量天平，U1、U2是两台天平的电压值曲线，结合图3、图4，在环境压力从常压100KPa到20KPa再回到常压的过程中，U1的电压值由0.2µV/V变化到-0.5µV/V，变化量为0.7µV/V；U2的电压值由0µV/V变化到-0.5µV/V，变化量为0.5µV/V，因此，被测试的这两台单分量天平在压力环境变化的情况下，U1和U2的电压值变化量均小于1µV/V，满足合格指标要求，U2的粘贴质量要优于U1的粘贴质量，其中，图3中p0为环境压力值。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

需要说明的是，在以上实施例中，只要不矛盾的技术方案都能够进行排列组合，本领域技术人员能够根据排列组合的数学知识穷尽所有可能，因此本发明不再对排列组合后的技术方案进行一一说明，但应该理解为排列组合后的技术方案已经被本发明所公开。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.风洞试验的天平应变计粘贴质量检验方法，其特征在于：包括上盖(1)、加热装置(2)、箱体(3)、控制器(4)、抽真空口(5)、航空插头(6)、压力传感器(7)和温度传感器(8)，所述箱体(3)上设置有加热装置(2)，箱体(3)内腔放置有天平，箱体(3)的上部设置有上盖(1)，箱体(3)的侧壁设置有压力传感器(7)和温度传感器(8)，用于检测箱体(3)内的温度和压力，箱体(3)的侧壁还设置有抽真空口(5)、航空插头(6)，箱体(3)通过抽真空口(5)与真空泵连接，航空插头(6)的一端与天平电性连接，航空插头(6)的另一端与采集系统连接，箱体(3)外壁安装有控制器(4)，控制器(4)与加热装置(2)、压力传感器(7)、温度传感器(8)、真空泵电性连接；

包括以下步骤：

步骤一：打开上盖(1)，将粘贴完成的天平放入到箱体(3)中，将天平与航空插头(6)连接，合上上盖(1)，使天平处于密封的腔体内；

步骤一中，天平包括天平体和粘贴在天平体上的应变计，天平体的前端面与箱体(3)的底面接触，使天平体垂直放置于箱体(3)内；

步骤二：启动真空泵使装置内的压力值达到设定状态，启动加热装置(2)使装置内达到设定温度；在压力降低的过程中通过加热装置(2)进行加热，制造恒温环境；用于检测天平粘贴质量的真空环境，以10kPa为一个阶梯，逐级降压，每个阶梯的压力值稳定且持续3分钟以上，再逐级增压返回至常压，压力控制范围100kPa-1kPa，从常压抽到1kPa时间少于或等于60min，温度控制范围为20-250℃，加热至200℃时间少于40min，温度稳定精度小于或等于0.5℃；因为理想气体方程为PV＝nRT，P是压力，V是体积，n是物质的量，R是常数，当体积不变时温度随压力减小而减小；

步骤三，通过采集系统采集天平各分量零点电压值的输出信号，并对这些信号的变化情况进行采集、保存；

步骤四，根据压力和/或温度与天平各分量零点电压值的对应关系，对天平各分量的应变计粘贴质量做出判断；

应变计粘贴质量高的情况下，天平零点电压值不随压力值变化而变化，当应变计粘贴质量差，应变片与天平元件之间存在微小气泡时，环境压力发生变化后，应变计和天平元件之间会随着压力的变化产生微小形变，从而导致天平零点电压值发生变化。

2.根据权利要求1所述的风洞试验的天平应变计粘贴质量检验方法，其特征在于：所述压力传感器(7)、温度传感器(8)的数量均为三个，三个压力传感器(7)沿竖直方向等距设置，三个温度传感器(8)沿竖直方向等距设置。

3.根据权利要求1所述的风洞试验的天平应变计粘贴质量检验方法，其特征在于：步骤二中，装置中的压力值可设定为恒定、升压或降压，升压或降压时，压力值为阶梯变化。

4.根据权利要求3所述的风洞试验的天平应变计粘贴质量检验方法，其特征在于：步骤二中，通过控制器可控制单一变量，或使压力、温度同时变化，实现步骤三中模拟多种环境下，即恒温下的压力升高或降低、恒压下的温度升高或降低、压力与温度同时升高或降低、压力升高温度降低、压力降低温度升高的环境模拟，对天平各分量零点电压值的输出信号进行采集，通过对比分析，判断天平在不同环境下的使用性能。

5.根据权利要求1或4所述的风洞试验的天平应变计粘贴质量检验方法，其特征在于：采集系统的型号为PSIe-1082。

6.根据权利要求1所述的风洞试验的天平应变计粘贴质量检验方法，其特征在于：步骤四中，当天平零点电压输出值小于或等于1μV/V时，可以判定天平应变计粘贴合格；当天平零点电压输出值大于1μV/V时，判定天平应变计粘贴质量不合格。

7.根据权利要求1或6所述的风洞试验的天平应变计粘贴质量检验方法，其特征在于：还包括步骤五，将压力和/或温度环境变化下天平各分量零点电压输出值通过天平公式迭代计算获得载荷的变化值，确定天平性能是否能够满足试验要求。

8.根据权利要求7所述的风洞试验的天平应变计粘贴质量检验方法，其特征在于：步骤五中，通过试验获得的不同压力环境下天平零点电压变化值，可以判断该天平是否满足国军标要求的气动力指标，具体方法是：气动力系数是由气动力载荷除以速压再除以模型横截面积获得的，当测力试验开始前可以确定模型横截面积以及试验的马赫数，因此只要确定气动力载荷的大小即可计算得到气动力系数是否满足标准，公式如下：

气动力系数＝F/QS；

F-气动力载荷，Q-速压，S-模型横截面积。

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