CN115290293B - 降低轴向力测量元件零点温度效应的应变天平研制方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种降低轴向力测量元件零点温度效应的应变天平研制方法，属于航空航天风洞试验气动力测试技术领域。解决了现有技术中缺失在应变天平研制阶段从根源上降低或消除温度梯度对轴向力测量元件零点温度效应影响量的方法的不足。本申请通过应用有限元分析软件对应变天平进行热分析，模拟了风洞试验温度工况下的轴向力测量元件测试输出，优化配置了适用的热膨胀系数材料；合理布置轴向力测量元件的应变计粘贴位置，并组成惠斯登电桥；优选低电阻温度系数的补偿电阻，并利用高低温试验箱试验，获得了补偿电阻的准确零点温度效应应变补偿系数，实现了精确补偿，提升了补偿工作效率，零点温度效应影响量小于0.02µV/V/℃。

Description

降低轴向力测量元件零点温度效应的应变天平研制方法

技术领域

本申请涉及一种应变天平研制方法，尤其涉及一种降低轴向力测量元件零点温度效应的应变天平研制方法，属于航空航天风洞试验气动力测试技术领域。

背景技术

航空航天飞行器研制需要在较短的研发周期内快速冻结气动外形，建立完整的气动数据库，作为后续性能评估、载荷计算和结构设计的基础。风洞被誉为高性能先进飞行器的“摇篮”，在航空航天飞行器研制中风洞试验发挥着非常重要的作用。伴随着航空航天技术的快速发展，中国已陆续投资建设了一批高品质的高速连续式风洞和高超风洞。

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。然而，高速连续式风洞和高超风洞的运行方式势必会导致应变天平体存在稳态或瞬态温度梯度分布工况，引起应变天平的温度效应问题，其中轴向力测量元件的零点温度效应问题尤为严重，已无法满足先进飞行器研制的需求。如宽体商用飞机研制进行到一定阶段之后，不同轮次方案的性能趋于收敛，阻力系数的改进往往就在0.0003以内，这要求高速风洞试验同期重复性阻力系数精度达到0.00005，不同期重复性的阻力系数精度达到0.0002。

应变天平零点温度效应的物理补偿方法对于除轴向力测量元件以外的其它五元测量元件的各种温度工况是适用的，但无法解决温度梯度工况下的轴向力测量元件热应力问题。当前，在应变天平零点温度效应的物理补偿技术基础上，也已研制了相关的补偿与修正技术方法，目的是最大限度地降低温度梯度工况下的应变天平零点温度效应问题，如专利CN104849019A、CN111638034A和CN109000879B，其中： 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。但是，以上技术手段主要立足于应变天平研制后的零点温度效应补偿或修正方法，缺少在应变天平研制阶段从根源上降低或消除温度梯度对轴向力测量元件零点温度效应影响量的方法。

发明内容

有鉴于此，本申请提供一种降低轴向力测量元件零点温度效应的应变天平研制方法，以解决现有技术中缺失在应变天平研制阶段从根源上降低或消除温度梯度对轴向力测量元件零点温度效应影响量的方法的不足，本申请通过应用有限元分析软件对应变天平进行热分析，模拟了风洞试验温度工况下的轴向力测量元件测试输出，打破常用应变天平体加工材料的禁锢，优化配置了适用的热膨胀系数材料；合理布置轴向力测量元件的应变计粘贴位置，并组成两个惠斯登电桥，降低了桥路导线对轴向力测量元件的零点温度效应影响量；优选低电阻温度系数的补偿电阻，并利用高低温试验箱试验，获得了补偿电阻的准确零点温度效应应变补偿系数，实现了应变天平惠斯登电桥的精确补偿，提升了补偿工作效率。风洞试验实际温度梯度工况下轴向力测量元件的零点温度效应影响量小于0.02µV/V/℃。

本申请的技术方案是这样实现的：

方案一：降低轴向力测量元件零点温度效应的应变天平研制方法，包括：

步骤一，应用有限元分析软件对应变天平进行热分析，模拟了风洞试验温度工况下的轴向力测量元件测试输出；

步骤二，优化配置适用的热膨胀系数、屈服强度应变天平材料，确定的应变天平尺寸和材料，加工应变天平和长方体样件；

步骤三，选择匹配的应变计和温度传感器，合理布置轴向力测量元件的应变计粘贴位置，并组成两个惠斯登电桥，选择低电阻温度系数的补偿电阻，并利用高低温试验箱试验，获得了补偿电阻的准确零点温度效应应变补偿系数；

步骤四，采集惠斯通测量电桥的应变输出和温度传感器输出，计算获得应变天平每个惠斯通测量电桥的零点温度效应影响量；

步骤五，判断应变天平每个惠斯通测量电桥的零点温度效应影响量，是否全部小于0.02µV/V/℃指标要求。

在上述技术方案中，所述步骤一，具体步骤为：

1.1根据飞行器在测力风洞试验中的预估载荷、空间尺寸条件，初步确定应变天平的直径和试验支杆尺寸，获得应变天平每个分量的设计应变输出；

1.2应用有限元分析软件，模拟风洞来流温度条件和运行时长，对飞行器模型，以及步骤1.1所初步确定的应变天平和试验支杆进行热分析，获得应变天平体的温度场变化分布；

1.3对应变天平给定不同热膨胀系数材料，并分别应用有限元分析软件，模拟步骤1.2所获得的应变天平在时域内的温度场变化分布进行热应力分析，获得应变天平轴向力测量元件的热应变输出。

具体地，所述1.1中预估载荷是指飞行器模型在风洞试验过程中所受的体轴系下最大气动力载荷。

具体地，所述1.1中空间尺寸是指飞行器模型内部空腔可以放置应变天平的空间尺寸。

具体地，所述1.2中风洞来流温度条件是指风洞试验过程中的气流总温或热流密度。

具体地，所述1.2中运行时长是指风洞启动到风洞停风的整个试验时长。

在上述技术方案中，所述步骤二，具体步骤为：

2.1利用步骤1.1所获得的应变天平轴向力测量元件设计应变输出与步骤1.3所获得的应变天平轴向力测量元件的热应变输出，以及飞行器模型的轴向力预估载荷、参考面积和风洞试验段动压条件，计算获得阻力系数影响量，在满足风洞试验同期重复性阻力系数精度要求的条件下，优化配置适用的热膨胀系数应变天平材料；

2.2应用有限元分析软件，依据飞行器在风洞测力试验中的预估载荷和试验马赫数条件，对应变天平进行应力分析，优化应变天平测量元件尺寸，直至满足步骤2.1选择的应变天平材料的屈服强度，确定的应变天平尺寸和材料；

2.3根据步骤2.2所确定的应变天平尺寸和材料，加工一台应变天平和一个长方体样件。

具体地，步骤2.1中计算阻力系数影响量的公式形式为：

其中CX是阻力系数影响量，

是应变天平轴向力测量元件的热应变输出，

是应变天平轴向力测量元件设计应变输出，X是飞行器模型的轴向力预估载荷，q是风洞试验中试验段动压，s是飞行器模型的参考面积。

在上述技术方案中，所述步骤三，具体步骤为：

3.1依据有限元分析过程中模拟采用的应变计尺寸和位置，选择匹配的应变计和温度传感器，并在应变天平测量元件上的对应位置粘贴应变计，其中轴向力测量元件布置八个应变计，组成两个惠斯登电桥；

3.2在长方体样件上粘贴两个接线端子和一个温度传感器，同时在应变天平一个惠斯登电桥中的一个桥臂中引出两根长引线，分别与样件上的两个接线端子相连，并在两个接线端子之间连接一定长度的低电阻温度系数补偿电阻；

3.3将连有引线和补偿电阻的长方体样件放置于高低温试验箱内，连接数据采集设备预热30min后，采集常温状态下惠斯登电桥的应变输出和温度传感器输出；

3.4打开高低温试验箱电源，设置目标温度为步骤1.2所获得的应变天平体最高温度，达到目标温度后保持1h后，采集目标温度状态下惠斯登电桥的应变输出和温度传感器输出；

3.5根据步骤3.3和步骤3.4所获得的数据，计算获得低电阻温度系数补偿电阻的零点温度效应应变补偿系数。

具体地，步骤3.2中低电阻温度系数补偿电阻是指对电阻值对温度变化不敏感的材料，利于惠斯登电桥的精确补偿。

具体地，步骤3.5中计算补偿系数的公式形式为：

K=（U_目标温度-U_常温）/（T_目标温度-T_常温）/L

其中，K是低电阻温度系数补偿电阻的零点温度效应应变补偿系数，U_目标温度和U_常温分别对应为目标温度和常温状态下采集获得的惠斯登电桥的应变输出，T_目标温度和T_常温分别对应为目标温度和常温状态下采集获得的温度传感器输出，L是补偿电阻的长度。

在上述技术方案中，所述步骤四，具体步骤为：

4.1将应变天平和试验支杆一起安装于风洞试验支撑装置上；

4.2安装风洞试验飞行器模型于应变天平的测量端，并在飞行器模型和试验支杆上布置加热装置；应变天平连接数据采集设备预热30min后，采集常温状态下应变天平每个惠斯通测量电桥的应变输出和每个温度传感器输出；

4.3依据步骤1.2所获得的应变天平在时域内的温度场变化分布，应用加热装置对飞行器模型和试验支杆加热，当达到试验温度梯度工况时，采集试验温度状态下应变天平每个惠斯通测量电桥的应变输出和每个温度传感器输出；

4.4根据步骤4.2和步骤4.3采集获得的数据，计算获得应变天平每个惠斯通测量电桥的零点温度效应影响量。

具体地，步骤4.4中计算零点温度效应影响量的公式形式为：

Y_Ui=（U_{i试验温度}-U_i常温）/（T_{i试验温度}-T_i常温）

其中，Y_Ui是应变天平每个惠斯通测量电桥的零点温度效应影响量，U_{i试验温度}和U_i常温分别对应为试验温度状态和常温状态下采集获得的应变天平每个惠斯通测量电桥的应变输出，T_{i试验温度}和T_i常温分别对应为试验温度状态和常温状态下采集获得的对应各自惠斯通测量电桥的温度传感器输出。

在上述技术方案中，所述步骤五，具体步骤为：

5.1当不满足指标要求时，针对不满足要求的惠斯通测量电桥，根据步骤3.5获得的低电阻温度系数补偿电阻的零点温度效应应变补偿系数，以及步骤4.4计算获得的数据，处理计算获得不满足要求的惠斯通测量电桥所需补偿的补偿电阻长度；

5.2拆除风洞试验飞行器模型，并根据步骤5.1计算获得的补偿电阻长度裁取补偿电阻，对不满足要求的惠斯通测量电桥实施物理补偿；

5.3重复步骤4.2~步骤5.2，直至应变天平每个惠斯通测量电桥的零点温度效应影响量全部满足小于0.02µV/V/℃指标要求。

具体地，步骤5.1中计算补偿电阻长度的公式形式为：

L_Ui= Y_Ui / K

其中，L_Ui是不满足要求的惠斯通测量电桥所需补偿的补偿电阻长度，Y_Ui是不满足要求的惠斯通测量电桥的零点温度效应影响量，K是低电阻温度系数补偿电阻的零点温度效应应变补偿系数。

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方案，本申请从根源上降低和消除了温度梯度对轴向力测量元件零点温度效应的影响量，拓宽了应变天平对温度分布的适用范围，该方法既适用于常规暂冲风洞，也适用于产生稳态或瞬态温度梯度分布的连续式风洞和高超风洞，可满足航空航天先进飞行器研制对风洞试验气动力高精度测试的需求。

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2.4米量级高速连续式风洞测力试验的某飞行器模型外形图；

图2是图1的俯视图；

图3是φ80应变天平图；

图4是图3的俯视图；

图5是图3的A-A剖视图；

图6是图3的B-B剖视图；

图7是某飞行器模型、φ80应变天平、支杆和风洞支撑装置简图；

图8是不同材料应变天平轴向力测量元件的热应变输出图，其中a为250号马氏体时效钢应变天平轴向力测量元件的热应变输出曲线图，b为高强度殷钢应变天平轴向力测量元件的热应变输出曲线图；

图9是应变天平的应变计和温度传感器粘贴位置图，其中a为主视图，b为截面图，c为俯视图，1-28表示应变计，T1-T4表示温度传感器；

图10是应变天平桥路图，其中a为U1桥路输出，b为U2桥路输出，c为U3桥路输出，d为U4桥路输出，e为U5桥路输出，f为U6桥路输出，g为U7桥路输出；

图11是补偿电阻的零点温度效应应变补偿系数试验图，i表示样件，ii表示接线端子，iii表示引线，iv表示低电阻温度系数补偿电阻。

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降低轴向力测量元件零点温度效应的应变天平研制方法，包括：

步骤一：根据飞行器在测力风洞试验中的预估载荷、空间尺寸等条件，初步确定应变天平的直径和测量元件尺寸，获得应变天平每个分量的设计应变输出；

步骤二：应用有限元分析软件，模拟风洞来流温度条件和运行时长，对飞行器模型、步骤一所设计的应变天平和试验支杆进行热分析，获得应变天平体的温度场变化分布；

步骤三：对应变天平给定不同热膨胀系数材料，并分别应用有限元分析软件，模拟步骤二所获得的应变天平在时域内的温度场变化分布进行热应力分析，获得应变天平轴向力测量元件的热应变输出；

步骤四：利用步骤一所获得的应变天平轴向力测量元件设计应变输出与步骤三所获得的应变天平轴向力测量元件的热应变输出，以及飞行器模型的轴向力预估载荷、参考面积和风洞试验段动压条件，计算获得阻力系数影响量，在满足风洞试验同期重复性阻力系数精度要求的条件下，优化配置适用的热膨胀系数应变天平材料；计算阻力系数影响量的公式形式为：

其中, C_X是阻力系数影响量，

是应变天平轴向力测量元件的热应变输出，

是应变天平轴向力测量元件设计应变输出，X是飞行器模型的轴向力预估载荷，q是风洞试验中试验段动压，s是飞行器模型的参考面积；

步骤五：应用有限元分析软件，依据飞行器在风洞测力试验中的预估载荷和试验马赫数等条件，对应变天平进行应力分析，优化应变天平测量元件尺寸，直至满足步骤四选择的应变天平材料的屈服强度；

步骤六：根据步骤五所确定的应变天平尺寸和材料，加工一台应变天平和一个长方体样件；

步骤七：依据有限元分析过程中模拟采用的应变计尺寸和位置，选择匹配的应变计和温度传感器，并在应变天平测量元件上的对应位置粘贴应变计，其中轴向力测量元件布置八个应变计，组成两个惠斯登电桥；

步骤八：在长方体样件上粘贴两个接线端子和一个温度传感器，同时在应变天平一个惠斯登电桥中的一个桥臂中引出两根长引线，分别与样件上的两个接线端子相连，并在两个接线端子之间连接一定长度的低电阻温度系数补偿电阻；

步骤九：将连有引线和补偿电阻的长方体样件放置于高低温试验箱内，连接数据采集设备预热30min后，采集常温状态下惠斯登电桥的应变输出和温度传感器输出；

步骤十：打开高低温试验箱电源，设置目标温度为步骤二所获得的应变天平体最高温度，达到目标温度后保持1h后，采集目标温度状态下惠斯登电桥的应变输出和温度传感器输出；

步骤十一：根据步骤九和步骤十所获得的数据，计算获得低电阻温度系数补偿电阻的零点温度效应应变补偿系数；计算补偿系数的公式形式为：

K=（U_目标温度-U_常温）/（T_目标温度-T_常温）/L

其中，K是低电阻温度系数补偿电阻的零点温度效应应变补偿系数，U_目标温度和U_常温分别对应为目标温度和常温状态下采集获得的惠斯登电桥的应变输出，T_目标温度和T_常温分别对应为目标温度和常温状态下采集获得的温度传感器输出，L是补偿电阻的长度；

步骤十二：将应变天平和试验支杆一起安装于风洞试验支撑装置上；

步骤十三：安装风洞试验飞行器模型于应变天平的测量端，并在飞行器模型和试验支杆上布置加热装置；应变天平连接数据采集设备预热30min后，采集常温状态下应变天平每个惠斯通测量电桥的应变输出和每个温度传感器输出；

步骤十四：依据步骤二所获得的应变天平在时域内的温度场变化分布，应用加热装置对飞行器模型和试验支杆加热，当达到试验温度梯度工况时，采集试验温度状态下应变天平每个惠斯通测量电桥的应变输出和每个温度传感器输出；

步骤十五：根据步骤十三和步骤十四采集获得的数据，计算获得应变天平每个惠斯通测量电桥的零点温度效应影响量，并判断是否都小于0.02µV/V/℃指标要求；计算零点温度效应影响量的公式形式为：

Y_Ui=（U_{i试验温度}-U_i常温）/（T_{i试验温度}-T_i常温）

其中，Y_Ui是应变天平每个惠斯通测量电桥的零点温度效应影响量，U_{i试验温度}和U_i常温分别对应为试验温度状态和常温状态下采集获得的应变天平每个惠斯通测量电桥的应变输出，T_{i试验温度}和T_i常温分别对应为试验温度状态和常温状态下采集获得的对应各自惠斯通测量电桥的温度传感器输出；

步骤十六：当不满足步骤十五的要求，针对不满足要求的惠斯通测量电桥，根据步骤十一获得的低电阻温度系数补偿电阻的零点温度效应应变补偿系数，以及步骤十五计算获得的数据，处理计算获得不满足要求的惠斯通测量电桥所需补偿的补偿电阻长度；计算补偿电阻长度的公式形式为：

L_Ui= Y_Ui / K

其中，L_Ui是不满足要求的惠斯通测量电桥所需补偿的补偿电阻长度，Y_Ui是不满足要求的惠斯通测量电桥的零点温度效应影响量，K是低电阻温度系数补偿电阻的零点温度效应应变补偿系数；

步骤十七：拆除风洞试验飞行器模型，并根据步骤十六计算获得的补偿电阻长度裁取补偿电阻，对不满足要求的惠斯通测量电桥实施物理补偿；

步骤十八：重复步骤十三~步骤十七，直至应变天平每个惠斯通测量电桥的零点温度效应影响量都满足小于0.02µV/V/℃指标要求。

实施例二

本申请实施例二与实施例一的不同在于，以某飞行器模型在2.4米量级高速连续式风洞测力试验为例，模型外形如图1和图2所示，内部空间最小处外径φ112mm，预估所受的体轴系下最大气动力载荷：法向力Y是26000N；俯仰力矩Mz是1500 Nm；滚转力矩Mx是1000Nm；轴向力X是2000N；侧向力Z是3200N；偏航力矩My是300Nm。根据预估的载荷和模型内部空腔可以放置应变天平的空间尺寸，应变天平前、后采用φ100mm法兰连接、测量段直径φ80mm、总长490mm，应变天平如图3-图6所示，应变天平每个分量的设计应变输出：法向力Y是665

；俯仰力矩Mz是366

；滚转力矩Mx是228

；轴向力X是452

；侧向力Z是322

；偏航力矩My是284

。

应用有限元分析软件的热分析模块，模拟风洞来流温度条件45℃和运行时长3600秒，对如图7的飞行器模型以及步骤一所设计的应变天平和试验支杆进行热分析，获得应变天平体的温度场变化分布。

对应变天平给定不同热膨胀系数材料，分别是250号马氏体时效钢（热膨胀系数为：1.2×10^-5/℃）与高强度殷钢（热膨胀系数为：0.2×10^-5/℃），并模拟应变天平体的温度场变化分布进行热应力分析，获得图8应变天平轴向力测量元件的热应变输出，250号马氏体时效钢应变天平轴向力测量元件的最大热应变输出达到7.2

，而高强度殷钢应变天平轴向力测量元件的最大热应变输出达到0.55

。

应用阻力系数影响量的计算公式

，其中，C_X是阻力系数影响量，

是应变天平轴向力测量元件的热应变输出（马氏体时效钢7.2

和高强度殷钢0.55

），

是应变天平轴向力测量元件设计应变输出（452

），X是飞行器模型的轴向力预估载荷（2000N），q是风洞试验中试验段动压（33524Pa），s是飞行器模型的参考面积（0.2711m²）；则250号马氏体时效钢应变天平阻力系数影响量最大值达到0.0035，超出了国家军用标准要求的合格指标0.0005要求；而高强度殷钢应变天平阻力系数影响量最大值0.00027，满足指标要求。

应用有限元分析软件，对应变天平进行应力分析，最大应力集中点值为1039.5MPa，而高强度殷钢材料的抗拉强度为1400MPa，同时高速连续式风洞不存在冲击因子，因此该高强度殷钢材料应变天平满足强度要求。

应变天平完成加工后，按图9所示位置，完成应变计和温度传感器PT100的粘贴，共计二十八片应变计（应变计1~28）和4个PT100温度传感器（T1~T4）；温度传感器T1用于测量前端测量元件的温度，温度传感器T2用于测量后端测量元件的温度，温度传感器T3和T4分别用于测量轴向力左、右两个测量元件的温度；并按图10所示，组成七个惠斯登测量电桥（U₁~U₇），组桥公式U_Y= U₂- U₁、U_Mz= U₂- U₁、U_Mx=U₃、U_X=U₄+U₅、U_Z=U₆-U₇、U_My=U₆+U₇，分别用于法向力Y、俯仰力矩Mz、滚转力矩Mx、轴向力X、侧向力Z、偏航力矩My的测量。

按图11所示，在长方体样件i上粘贴两个接线端子ii和一个温度传感器PT100，同时在应变天平惠斯登电桥U₁的一个桥臂中引出两根长引线iii，分别与样件上的两个接线端子相连，并在两个接线端子之间连接100mm长的低电阻温度系数补偿电阻iv；将连有引线和补偿电阻的长方体样件放置于高低温试验箱内，连接数据采集设备预热30min后，采集常温状态下惠斯登电桥U₁的应变输出（107.0μv/v）和温度传感器输出（21.2℃）；打开高低温试验箱电源，设置目标温度45℃，达到目标温度后保持1h后，采集目标温度状态下惠斯登电桥U₁的应变输出（117.2μv/v）和温度传感器输出（45.5℃）；应用公式K=（U_目标温度-U_常温）/（T_目标温度-T_常温）/L计算补偿电阻零点温度效应应变补偿系数，其中K是补偿电阻的零点温度效应应变补偿系数，U_目标温度和U_常温分别对应为目标温度和常温状态下采集获得的惠斯登电桥U₁应变输出，T_目标温度和T_常温分别对应为目标温度和常温状态下采集获得的温度传感器输出，L是补偿电阻的长度，获得补偿电阻的零点温度效应应变补偿系数值K为0.0042μv/v/℃/mm。

按图7所示，将应变天平和试验支杆一起安装于风洞试验支撑装置上，然后安装风洞试验飞行器模型于应变天平的测量端，并在飞行器模型和试验支杆上布置加热装置；将应变天平连接数据采集设备预热30min后，采集常温状态下应变天平每个惠斯通测量电桥的应变输出U₁~U₇和每个温度传感器输出T1~T4；应用加热装置对飞行器模型和试验支杆加热，当达到试验温度梯度工况时，采集试验温度状态下应变天平每个惠斯通测量电桥的应变输出U₁∽U₇和每个温度传感器输出T1~T4；应用公式Y_Ui=（U_{i试验温度}-U_i常温）/（T_{i试验温度}-T_i常温）计算每个电桥的零点温度效应影响量，其中，Y_Ui是应变天平每个惠斯通测量电桥的零点温度效应影响量，U_{i试验温度}和U_i常温分别对应为试验温度状态和常温状态下采集获得的应变天平每个惠斯通测量电桥的应变输出，T_{i试验温度}和T_i常温分别对应为试验温度状态和常温状态下采集获得的对应各自惠斯通测量电桥的温度传感器输出；每个电桥的零点温度效应影响量与0.02µV/V/℃指标进行比较，对于超出0.02µV/V/℃指标要求的电桥，应用公式L_Ui= Y_Ui / K计算补偿电阻长度，其中，L_Ui是不满足要求的惠斯通测量电桥所需补偿的补偿电阻长度，Y_Ui是不满足要求的惠斯通测量电桥的零点温度效应影响量，K是低电阻温度系数补偿电阻的零点温度效应应变补偿系数，具体数据见下表。

拆除风洞试验飞行器模型，根据计算获得的补偿电阻长度裁取补偿电阻，对不满足要求的惠斯通测量电桥实施物理补偿；重复安装风洞试验飞行器模型、布置加热装置、常温状态采集、加温、试验温度状态采集和计算步骤，直至应变天平每个惠斯通测量电桥的零点温度效应影响量都满足小于0.02µV/V/℃指标要求。

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 (9)

1.降低轴向力测量元件零点温度效应的应变天平研制方法，其特征在于，包括：

步骤一，应用有限元分析软件对应变天平进行热分析，模拟了风洞试验温度工况下的轴向力测量元件测试输出；

步骤二，优化配置适用的热膨胀系数、屈服强度应变天平材料，确定的应变天平尺寸和材料，加工应变天平和长方体样件；

步骤三，选择匹配的应变计和温度传感器，合理布置轴向力测量元件的应变计粘贴位置，并组成两个惠斯登电桥，选择低电阻温度系数的补偿电阻，并利用高低温试验箱试验，获得了补偿电阻的准确零点温度效应应变补偿系数；

步骤四，采集惠斯通测量电桥的应变输出和温度传感器输出，计算获得应变天平每个惠斯通测量电桥的零点温度效应影响量；

步骤五，判断应变天平每个惠斯通测量电桥的零点温度效应影响量，是否全部小于0.02µV/V/°C指标要求；

所述步骤一，具体步骤为：

1.1根据飞行器在测力风洞试验中的预估载荷、空间尺寸条件，初步确定应变天平的直径和试验支杆尺寸，获得应变天平每个分量的设计应变输出；

1.2应用有限元分析软件，模拟风洞来流温度条件和运行时长，对飞行器模型，以及步骤1.1所初步确定的应变天平和试验支杆进行热分析，获得应变天平体的温度场变化分布；

1.3对应变天平给定不同热膨胀系数材料，并分别应用有限元分析软件，模拟步骤1.2所获得的应变天平在时域内的温度场变化分布进行热应力分析，获得应变天平轴向力测量元件的热应变输出。

2.根据权利要求1所述的降低轴向力测量元件零点温度效应的应变天平研制方法，其特征在于，所述步骤二，具体步骤为：

2.1利用步骤1.1所获得的应变天平轴向力测量元件设计应变输出与步骤1.3所获得的应变天平轴向力测量元件的热应变输出，以及飞行器模型的轴向力预估载荷、参考面积和风洞试验段动压条件，计算获得阻力系数影响量，在满足风洞试验同期重复性阻力系数精度要求的条件下，优化配置适用的热膨胀系数应变天平材料；

2.2应用有限元分析软件，依据飞行器在风洞测力试验中的预估载荷和试验马赫数条件，对应变天平进行应力分析，优化应变天平测量元件尺寸，直至满足步骤2.1选择的应变天平材料的屈服强度，确定的应变天平尺寸和材料；

2.3根据步骤2.2所确定的应变天平尺寸和材料，加工一台应变天平和一个长方体样件。

3.根据权利要求2所述的降低轴向力测量元件零点温度效应的应变天平研制方法，其特征在于，步骤2.1中计算阻力系数影响量的公式形式为：

C_X=ε_r/ε_x *X/（q*s）

其中, C_X是阻力系数影响量，ε_r是应变天平轴向力测量元件的热应变输出，ε_x是应变天平轴向力测量元件设计应变输出，X是飞行器模型的轴向力预估载荷，q是风洞试验中试验段动压，s是飞行器模型的参考面积。

4.根据权利要求3所述的降低轴向力测量元件零点温度效应的应变天平研制方法，其特征在于，所述步骤三，具体步骤为：

3.1依据有限元分析过程中模拟采用的应变计尺寸和位置，选择匹配的应变计和温度传感器，并在应变天平测量元件上的对应位置粘贴应变计，其中轴向力测量元件布置八个应变计，组成两个惠斯登电桥；

3.2在长方体样件上粘贴两个接线端子和一个温度传感器，同时在应变天平一个惠斯登电桥中的一个桥臂中引出两根长引线，分别与样件上的两个接线端子相连，并在两个接线端子之间连接一定长度的低电阻温度系数补偿电阻；

3.3将连有引线和补偿电阻的长方体样件放置于高低温试验箱内，连接数据采集设备预热30min后，采集常温状态下惠斯登电桥的应变输出和温度传感器输出；

3.4打开高低温试验箱电源，设置目标温度为步骤1.2所获得的应变天平体最高温度，达到目标温度后保持1h后，采集目标温度状态下惠斯登电桥的应变输出和温度传感器输出；

3.5根据步骤3.3和步骤3.4所获得的数据，计算获得低电阻温度系数补偿电阻的零点温度效应应变补偿系数。

5.根据权利要求4所述的降低轴向力测量元件零点温度效应的应变天平研制方法，其特征在于，步骤3.5中计算补偿系数的公式形式为：

K=（U_目标温度-U_常温）/（T_目标温度-T_常温）/L

其中，K是低电阻温度系数补偿电阻的零点温度效应应变补偿系数，U_目标温度和U_常温分别对应为目标温度和常温状态下采集获得的惠斯登电桥的应变输出，T_目标温度和T_常温分别对应为目标温度和常温状态下采集获得的温度传感器输出，L是补偿电阻的长度。

6.根据权利要求5所述的降低轴向力测量元件零点温度效应的应变天平研制方法，其特征在于，所述步骤四，具体步骤为：

4.1将应变天平和试验支杆一起安装于风洞试验支撑装置上；

4.2安装风洞试验飞行器模型于应变天平的测量端，并在飞行器模型和试验支杆上布置加热装置；应变天平连接数据采集设备预热30min后，采集常温状态下应变天平每个惠斯通测量电桥的应变输出和每个温度传感器输出；

4.3依据步骤1.2所获得的应变天平在时域内的温度场变化分布，应用加热装置对飞行器模型和试验支杆加热，当达到试验温度梯度工况时，采集试验温度状态下应变天平每个惠斯通测量电桥的应变输出和每个温度传感器输出；

4.4根据步骤4.2和步骤4.3采集获得的数据，计算获得应变天平每个惠斯通测量电桥的零点温度效应影响量。

7.根据权利要求6所述的降低轴向力测量元件零点温度效应的应变天平研制方法，其特征在于，步骤4.4中计算零点温度效应影响量的公式形式为：

Y_Ui=（U_{i试验温度}-U_i常温）/（T_{i试验温度}-T_i常温）

其中，Y_Ui是应变天平每个惠斯通测量电桥的零点温度效应影响量，U_{i试验温度}和U_i常温分别对应为试验温度状态和常温状态下采集获得的应变天平每个惠斯通测量电桥的应变输出，T_{i试验温度}和T_i常温分别对应为试验温度状态和常温状态下采集获得的对应各自惠斯通测量电桥的温度传感器输出。

8.根据权利要求7所述的降低轴向力测量元件零点温度效应的应变天平研制方法，其特征在于，所述步骤五，具体步骤为：

5.1当不满足指标要求时，针对不满足要求的惠斯通测量电桥，根据步骤3.5获得的低电阻温度系数补偿电阻的零点温度效应应变补偿系数，以及步骤4.4计算获得的数据，处理计算获得不满足要求的惠斯通测量电桥所需补偿的补偿电阻长度；

5.2拆除风洞试验飞行器模型，并根据步骤5.1计算获得的补偿电阻长度裁取补偿电阻，对不满足要求的惠斯通测量电桥实施物理补偿；

5.3重复步骤4.2~步骤5.2，直至应变天平每个惠斯通测量电桥的零点温度效应影响量全部满足小于0.02µV/V/°C指标要求。

9.根据权利要求8所述的降低轴向力测量元件零点温度效应的应变天平研制方法，其特征在于，步骤5.1中计算补偿电阻长度的公式形式为：

L_Ui= Y_Ui / K

其中，L_Ui是不满足要求的惠斯通测量电桥所需补偿的补偿电阻长度，Y_Ui是不满足要求的惠斯通测量电桥的零点温度效应影响量，K是低电阻温度系数补偿电阻的零点温度效应应变补偿系数。

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