CN115931280B - 铰链力矩风洞试验天平动态载荷实时监视预警方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及风洞试验技术领域，特别涉及一种铰链力矩风洞试验天平动态载荷实时监视预警方法及系统，预警方法包括以下步骤：动态采集铰链力矩天平的原始信号；按预设时间长度对原始信号进行采样，得到数据样本；按预设时间间隔和/或时间长度对数据样本进行处理及分组匹配，得到待处理电压信号；对待处理电压信号进行计算和修正，得到铰链力矩天平的载荷；对所述载荷进行频域分析，得到预设主频下的载荷值；将所述主频下的载荷值与预设的报警阈值进行比对，若超出报警阈值，则进行报警提示。本发明提供的方案能够在试验过程中通过对天平载荷进行分析的方法，实时获得天平动态载荷信息，来进行危险试验状态预警，确保天平不出现动载荷超载。

Description

铰链力矩风洞试验天平动态载荷实时监视预警方法及系统

技术领域

本发明涉及风洞试验技术领域，特别涉及一种铰链力矩风洞试验天平动态载荷实时监视预警方法及系统。

背景技术

在飞行器操纵面铰链力矩风洞试验中，当操纵面偏度较大时，操纵面处可能会形成了稳定的流动分离，当流动分离产生的涡脱落频率与操纵面/天平系统的固有频率接近时，会导致操纵面/天平系统产生较大幅值的动态载荷，大幅值的动态载荷长时间使用会导致天平结构疲劳破坏，严重影响天平安全，且动态载荷还对试验数据精准度存在影响。由于操纵面流动分离频率与安定面流动、舵面偏度密切相关，难以通过理论分析和数值仿真获得其频率，无法在天平设计时使得操纵面/天平系统的固有频率远离气流分离频率。因此，现在亟须一种在试验过程中通过对天平载荷进行分析的方法，实时获得天平动态载荷信息，来进行危险试验状态预警，确保天平不出现动载荷超载。

发明内容

为解决铰链力矩风洞试验中，难以对天平载荷监控预警的技术问题，本发明提供了一种铰链力矩风洞试验天平动态载荷实时监视预警方法，包括以下步骤：

动态采集铰链力矩天平的原始信号；按预设时间长度对原始信号进行采样，得到数据样本；按预设时间间隔和/或时间长度对数据样本进行处理及分组匹配，得到待处理电压信号；对待处理电压信号进行计算和修正，得到铰链力矩天平的载荷；对所述载荷进行频域分析，得到预设主频下的载荷值；将所述主频下的载荷值与预设的报警阈值进行比对，若超出报警阈值，则进行报警提示。

优选地，对待处理电压信号进行计算和修正包括以下步骤：根据预设的修正系数对所述待处理电压信号进行修正，得到修正电压信号；根据预设的天平载荷公式计算对待处理电压信号进行，得到铰链力矩天平单位时间内的时域信号；对时域信号进行频谱计算，得到天平各个分量的载荷。

优选地，对时域信号进行频谱计算采用快速傅里叶变换来实现。

优选地，采集铰链力矩天平时的最低采集频率至少达到被测天平固有频率的2倍。

优选地，预警方法还包括以下步骤：将得到的铰链力矩天平的各个分量的载荷实时地在图形界面上显示。

优选地，报警阈值的范围为天平设计量程的0.5~0.8倍。

本方案还提供一种铰链力矩风洞试验天平动态载荷实时监视预警系统，包括：动态数据采集系统：用于动态采集铰链力矩天平的原始信号；监视预警软件：用于对原始信号进行采样、对数据样本进行处理及分组匹配、对待处理电压信号进行计算和修正以及将铰链力矩天平的各个分量主频下的载荷与预设的报警阈值进行比对。

优选地，预警系统还包括测控网络，用于将所述动态数据采集系统采集的原始信号进行发布、采集、监视和处理。

优选地，所述监视预警软件以监视单元为单位进行配置管理计算，所述监视单元为簇结构，用于表示天平名称、采集通道、通道名称、通道数量、通道系数及方向。

优选地，预警系统还包括图形显示界面，用于实时显示铰链力矩天平的各个分量主频下的载荷。

与现有技术相比，本发明至少具有以下优点：

本发明通过动态采集力矩天平的原始信号进行处理，将采集到的电信号转换成代表载荷值的力信号，并提取所需要的主频下载荷值，以此来对铰链力矩天平的动态载荷进行实时的监控，当主频下的载荷值超过预设的报警阈值时，立即进行报警提示，调整相应的试验参数或暂停试验，防止了在试验人员未知的情况下，铰链力矩天平因载荷过大而发生损坏甚至出现安全事故的情况以及由于铰链力矩天平超载运行，使得获取的实验数据偏差较大的情况出现，确保了试验过程中，铰链力矩天平一直处于正常的负载状态，保证了获取的试验数据的可靠性以及实验过程的安全性。

附图说明

图1是本发明第一实施例提供的预警方法的流程示意图。

图2是本发明第二实施例提供的预警系统的工作示意图。

图3是本发明第二实施例提供的预警系统的数据接收线程的逻辑示意图。

图4是本发明第二实施例提供的预警系统的样本数据分析处理线程的逻辑示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施实例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书中的术语“第一”和“第二”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述特定顺序。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

在本发明中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本发明及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本发明中的具体含义。

此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”应作广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参阅图1，本发明第一实施例提供一种铰链力矩风洞试验天平动态载荷实时监视预警方法，包括以下步骤：

动态采集铰链力矩天平的原始信号；

按预设时间长度对原始信号进行采样，得到数据样本；

按预设时间间隔和/或时间长度对数据样本进行处理及分组匹配，得到待处理电压信号；

对待处理电压信号进行计算和修正，得到铰链力矩天平的载荷；

对载荷进行频域分析，得到预设主频下的载荷值；

将主频下的载荷值与预设的报警阈值进行比对，若超出报警阈值，则进行报警提示。

可以理解地，本发明通过动态采集力矩天平的原始信号进行处理，将采集到的电信号转换成代表载荷值的力信号，并提取所需要的主频下载荷值，以此来对铰链力矩天平的动态载荷进行实时的监控，当主频下的载荷值超过预设的报警阈值时，立即进行报警提示，调整相应的试验参数或暂停试验，防止了在试验人员未知的情况下，铰链力矩天平因载荷过大而发生损坏甚至出现安全事故的情况以及由于铰链力矩天平超载运行，使得获取的实验数据偏差较大的情况出现，确保了试验过程中，铰链力矩天平一直处于正常的负载状态，保证了实验过程的安全性以及获取的试验数据的可靠性。

进一步地，应理解，当动态载荷达到报警阈值时，则进行报警提示。动态载荷的报警阈值包括频率和幅值两个部分。在试验过程中，只有气动激励频率与铰链力矩天平操纵面系统的固有频率接近时，才会出现大幅值的动态载荷。本方案提供预警方法将发生共振的气动激励频率，即主频，设定在固有频率的0.8~1.2倍的范围内。报警阈值可根据实际试验条件进行调节。优选地，报警阈值的范围在天平设计量程的0.5~0.8倍。具体地，报警阈值为天平设计量程的0.5倍。当动态载荷超过预设的报警阈值，则发出报警信息。

可以理解地，动态载荷的表现形式包括铰链力矩天平振动的幅值。

应理解，按预设时间间隔和/或时间长度对数据样本进行处理原因是，天平原始信号数据量太大，若对全部原始信号进行分析计算，一方面会导致运算量过大，浪费计算资源，且响应时间会延长，影响预警的实效性；另一方面，对于载荷是否超出报警阈值的监视，也无需对所有信号进行监视，由于信号的变化是连续的，按一定的时间间隔和/或时间长度进行采样即可满足监视预警的需求。

优选地，对数据样本的采样时间为1～5秒，采样间隔为1～5秒。具体地，对数据样本的采样时间为1秒，采样间隔为1秒。

应理解，对样本数据进行分组匹配是因为一个天平上有多个通道对天平原始信号进行采样，只有将多个通道之间的数据组合起来，才能准确得到天平在某个方向上的载荷，因此需要对采集的样本数据进行分组匹配。

进一步地，对待处理电压信号进行计算和修正包括以下步骤：

根据预设的修正系数对待处理电压信号进行修正，得到修正电压信号；

根据预设的天平载荷公式计算对待处理电压信号进行，得到铰链力矩天平单位时间内的时域信号；

对时域信号进行频谱计算，得到天平各个分量的载荷。

具体地，修正系数为；其中，的单位为伏特（V）。

将待处理电压信号乘上修正系数就得到了修正电压信号。

在一些实施例中，天平公式为：

，

其中，

，

为各分量载荷大小，为组合后各分量末读数减初读数，，为各分量的主系数和平方项系数，，，为j分量对i分量的一次干扰系数和平方干扰系数；

i={X、Y、Z，Mx，My，Mz}，

j={X、Y、Z，Mx，My，Mz}，j≠i，

m={X、Y、Z，Mx，My，Mz}，

n={X、Y、Z，Mx，My，Mz}，n≠m，

j，m，n表示铰链力矩天平上的各个分量，每个分量包含三个平动自由度和三个转动自由度的信号。

进一步地，对时域信号进行频谱计算采用快速傅里叶变换来实现。可以理解地，由于离散傅里叶变换计算量大，应用成本高，要实现实时监视，本方法采用快速傅里叶变换（FFT）来实现离散信号的傅里叶变换。铰链力矩试验中天平动态载荷监视，对信号分析幅值、频率的精度要求不高，为了减小计算量，提高实时性，在开展FFT变换时不进行加窗函数处理。

在一些实施例中，采集铰链力矩天平时的最低采集频率至少达到被测天平固有频率的2倍。具体地，当铰链力矩天平的固有频率是200Hz，则最低采集频率设为400Hz。这样设置采样频率的目的是满足采样定理，以便还原出采集信号的频率。

进一步地，在采集过程中需要禁用采集设备的低通滤波功能。应理解，本方案监视的是高频振动，低通滤波可能在采集过程中将本方案关注的主频给禁用，导致获取不到真实的主频，因此需要在采集时禁用采集设备的低通滤波功能。

在一些实施例中，预警方法还包括以下步骤：将得到的铰链力矩天平的各个分量的载荷实时地在图形界面上显示。可以理解地，图形界面可实时地显示出载荷的大小和变化，使得试验人员能够获得更直观的数据以及波动，以便对试验过程进行及时地调整。

请参阅图2，本发明的第二实施例还提供一种铰链力矩风洞试验天平动态载荷实时监视预警系统，用于对一个或者多个铰链力矩天平的载荷进行监视和预警，包括：

动态数据采集系统：用于动态采集铰链力矩天平的原始信号；

监视预警软件：用于对原始信号进行采样、对数据样本进行处理及分组匹配、对待处理电压信号进行计算和修正以及将铰链力矩天平的各个分量主频下的载荷与预设的报警阈值进行比对。

应理解，监视预警软件包含两个并行的线程，其中一个是如图3所示的数据接收线程，另一个是如图4所示的样本数据分析处理线程。

进一步地，预警系统还包括测控网络，用于将动态数据采集系统采集的原始信号进行发布、采集、监视和处理。

示例性地，在使用预警系统之前的地面准备阶段，通过锤击法获得各操纵面和/或天平系统的固有频率，并将其作为预警系统的主频范围依据。

使用预警系统包括以下步骤：

开启动态数据采集系统，配置系统参数，令其工作在连续采样模式，并关闭其低通滤波功能；铰链力矩天平为载荷感受单元，其上设置有多个应变计 ，应变计将承受的载荷转变为电阻变化，从而产生电压变化信号，动态数据采集系统采集应变计上产生的电压变化，并将模拟信号转换为数据信号，并实时通过UDP协议发布到测控网络，测控网络根据试验需要对铰链力矩天平原始信号进行本地取样存储，满足常规试验测试需求；

开启监视预警软件，配置铰链力矩天平通道公式修正、天平载荷公式、天平名称、各个分量报警阈值，加载动态VI文件分配引用句柄。

在一些实施例中，监视预警软件采用LabVIEW语言开发，以监视单元为单位进行配置管理计算，监视单元是簇结构，包含字符串、路径、单精度浮点数组、整数等多种数据元素，这些簇元素可根据实际需求分别与铰链力矩天平的各项配置参数关联。具体地，簇元素用于表示天平名称、采集通道、通道名称、通道数量、通道系数及方向。

应理解，监视预警软件对被监视的铰链力矩天平的数量、排列顺序、每个天平通道数量均没有限制；监视预警软件对天平计算公式采用动态加载模式，被动态加载的天平计算公式是用LabVIEW程序编写的VI文件，其数据结构兼容风洞常规数据处理程序计算模块要求，并使得监视预警软件与风洞常规数据处理程序计算模块能够互相调用；监视预警软件可以对每个被监视天平的名称、通道修正公式、分量阈值进行单独设置；监视预警软件对可以根据试验需求随时对要进行监视和报警的分量开启和关闭；

监视预警软件开始工作时，数据接收线程通过UDP端口连续接收来自动态采集系统采集的原始信号，并按预设时间长度收集更新铰链力矩天平的原始信号，形成数据样本。收集满了即刻发出样本数据准备完毕消息，发出消息的同时数据接收线程开始下一次的数据接收搜集更新过程。其中，取样时间长度可调整。优选地，取样时间长度为1～5秒，每隔1～5秒取样一次。具体地，取样时间长度为1秒，每隔1秒取样一次。

得到数据样本后，样本数据分析处理线程按预设时间间隔对数据样本进行处理分析、分组匹配、计算修正以及频域分析。示例性地，样本数据分析处理线程在每次收到样本数据准备完毕消息后，即刻进行数据分析处理，包括根据索引匹配各个天平数据、通道修正、天平通道组合、天平载荷计算、各个分量频域计算，对各个天平各个分量的主频下的载荷与预设的报警阀值进行比对，根据比对结果判断是否发出报警。具体地，数据样本的处理过程已经在本发明第一实施例提供的预警方法中提到，在此不再赘述。

在一些实施例中，预警系统还包括图形显示界面，用于实时显示铰链力矩天平的各个分量主频下的载荷。

与现有技术相比，本发明至少具有以下优点：

本发明通过动态采集力矩天平的原始信号进行处理，将采集到的电信号转换成代表载荷值的力信号，并提取所需要的主频下载荷值，以此来对铰链力矩天平的动态载荷进行实时的监控，当主频下的载荷值超过预设的报警阈值时，立即进行报警提示，调整相应的试验参数或暂停试验，防止了在试验人员未知的情况下，铰链力矩天平因载荷过大而发生损坏甚至出现安全事故的情况以及由于铰链力矩天平超载运行，使得获取的实验数据偏差较大的情况出现，确保了试验过程中，铰链力矩天平一直处于正常的负载状态，保证了获取的试验数据的可靠性以及实验过程的安全性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的原则之内所做的任何修改，等同替换和改进等均应包含本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种铰链力矩风洞试验天平动态载荷实时监视预警方法，其特征在于：包括以下步骤：

动态采集铰链力矩天平的原始信号；

按预设时间长度对原始信号进行采样，得到数据样本；

按预设时间间隔和/或时间长度对数据样本进行处理及分组匹配，得到待处理电压信号；

对待处理电压信号进行计算和修正，得到铰链力矩天平的载荷；

对所述载荷进行频域分析，得到预设主频下的载荷值；

将所述主频下的载荷值与预设的报警阈值进行比对，若超出报警阈值，则进行报警提示；

对待处理电压信号进行计算和修正包括以下步骤：

根据预设的修正系数对所述待处理电压信号进行修正，得到修正电压信号；

根据预设的天平载荷公式对待处理电压信号进行计算，得到铰链力矩天平单位时间内的时域信号；

对时域信号进行频谱计算，得到天平各个分量的载荷；

所述天平载荷公式为：

，

其中，

，

为各分量载荷大小，为组合后各分量末读数减初读数，，为各分量的主系数和平方项系数，，，为j分量对i分量的一次干扰系数和平方干扰系数；

i={X、Y、Z，Mx，My，Mz}，

j={X、Y、Z，Mx，My，Mz}，j≠i，

m={X、Y、Z，Mx，My，Mz}，

n={X、Y、Z，Mx，My，Mz}，n≠m，

i，j，m，n表示铰链力矩天平上的各个分量，每个分量包含三个平动自由度和三个转动自由度的信号。

2.如权利要求1所述的预警方法，其特征在于：对时域信号进行频谱计算采用快速傅里叶变换来实现。

3.如权利要求1所述的预警方法，其特征在于：采集铰链力矩天平时的最低采集频率至少达到被测天平固有频率的2倍。

4.如权利要求1所述的预警方法，其特征在于：还包括以下步骤：将得到的铰链力矩天平的各个分量的载荷实时地在图形界面上显示。

5.如权利要求1所述的预警方法，其特征在于：报警阈值的范围为天平设计量程的0.5~0.8倍。

6.采用如权利要求1-5任一所述的一种铰链力矩风洞试验天平动态载荷实时监视预警方法的一种铰链力矩风洞试验天平动态载荷实时监视预警系统，其特征在于：包括：

动态数据采集系统：用于动态采集铰链力矩天平的原始信号；

监视预警软件：用于对原始信号进行采样、对数据样本进行处理及分组匹配、对待处理电压信号进行计算和修正以及将铰链力矩天平的各个分量主频下的载荷与预设的报警阈值进行比对。

7.如权利要求6所述的预警系统，其特征在于：预警系统还包括测控网络，用于将所述动态数据采集系统采集的原始信号进行发布、采集、监视和处理。

8.如权利要求6所述的预警系统，其特征在于：所述监视预警软件以监视单元为单位进行配置管理计算，所述监视单元为簇结构，用于表示天平名称、采集通道、通道名称、通道数量、通道系数及方向。

9.如权利要求6所述的预警系统，其特征在于：预警系统还包括图形显示界面，用于实时显示铰链力矩天平的各个分量主频下的载荷。

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