CN116046335A - 工作于常温至低温宽温域的杆式应变天平及应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种工作于常温至低温宽温域的杆式应变天平及应用方法，属于风洞试验领域，包括柱形的天平主体，还包括与天平主体相配合的防护罩；所述天平主体被配置为包括：轴向力测量元件，以及设置在轴向力测量元件前后侧的前十字梁、前法兰、后十字梁、后法兰；其中，所述前十字梁、轴向力元件、后十字梁上分别布局有多份应变计，以构建7组惠斯通电桥；所述轴向力测量元件、前十字梁、后十字梁上布局设置有对天平主体及惠斯通电桥的温度变化进行监测的传感器组。本发明提供一种工作于常温至低温宽温域的杆式应变天平及应用方法，通过在天平外部设置防护罩，有效防护应变计和导线的同时，还降低了天平降温时温度不均匀性。

Description

工作于常温至低温宽温域的杆式应变天平及应用方法

技术领域

本发明涉及风洞试验领域。更具体地说，本发明涉及一种工作于常温至低温宽温域的杆式应变天平及应用方法。

背景技术

在先进飞行器雷诺数效应评估风洞试验中，通常需要连续长时间开展常温至低温的测力试验，试验环境温差超过200K，试验持续时间从数小时至数天不等。工作时长、低温和大温差对于测力天平的结构设计、电桥布局、可靠性等方面提出了更高要求，常温条件下的杆式应变天平难以满足这类试验需求。要获得精确的气动力测量结果，除满足强度、刚度和灵敏度等常规天平的基本要求以外，还要提升天平的结构稳定性、温度特性，同时要克服温度变化带来的信号漂移和蠕变等问题。

目前国内工作于常温暂冲式风洞中的杆式应变天平，温度变化一般不超过50K，工作时长一般仅几分钟，由于天平被模型所包围，短时间内温度缓慢变化不会对测力数据产生较大影响。这类天平不能直接应用在低温试验中，主要原因有：

一是天平本体材料在低温下可能出现结构安全问题，从而增大风洞试验的风险；

二是测量元件结构和电路设计容易导致较大温度效应，测量误差过大而超过了风洞试验测量精度要求范围。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

为了实现本发明的这些目的和其它优点，提供了一种工作于常温至低温宽温域的杆式应变天平，包括柱形的天平主体，还包括与天平主体相配合的防护罩；

所述天平主体被配置为包括：轴向力测量元件，以及设置在轴向力测量元件前后侧的前十字梁、前法兰、后十字梁、后法兰；

其中，所述前十字梁、轴向力测量元件、后十字梁上分别布局有多份应变计，以构建用于测量直角坐标系下力和力矩的7组惠斯通电桥；

所述轴向力测量元件、前十字梁、后十字梁上布局设置有对天平主体及惠斯通电桥的温度变化进行监测的传感器组。

优选的是，所述前十字梁、后十字梁的外部结构被配置为一致，且各十字梁在各面交接处均设置有倒角结构；

其中，各十字梁的上、下、左、右四个外侧面作为安装应变计的安装面Ⅰ，所述安装面Ⅰ上的应变计均被配置为采用双轴应变计，以构建得到对应的M1电桥、M5电桥、M2电桥、M6电桥；

前十字梁的横向倒角结构作为安装应变计的安装面Ⅱ，所述安装面Ⅱ上的应变计均被配置为采用半桥片应变计，以构建得到相应的Mx电桥。

优选的是，还包括与前十字梁、后十字梁相配合的固定板和/或浮动板；

其中，所述固定板和/或浮动板上分别设置有至少4个呈周向均匀分布，并与天平轴向成45度的走线孔Ⅰ，所述前十字梁、后十字梁上分别设置有与走线孔Ⅰ相配合的走线孔Ⅱ；

所述走线孔Ⅰ的直径被配置为不小于3mm。

优选的是，所述轴向力测量元件被配置为包括：

与天平内部结构相匹配的安装件，其周向侧壁上相对设置有两个限定槽；

设置在一侧限定槽中的左T形梁；

与左T形梁结构一致，并绕天平轴线旋转180度的右T形梁；

其中，所述左T形梁、右T形梁突出一端的两侧分别做为应变计的安装面Ⅲ，所述安装面Ⅲ上的应变计均被配置为采用双轴应变计，以构建得到对应的X1电桥、X2电桥实现双桥测量；

所述左T形梁、右T形梁在与安装面Ⅱ相配合的一端设置有变截面的等强度梁。

优选的是，所述传感器组被配置为包括：

所述前十字梁、后十字梁的顶面、底面，在与应变计相配合的位置上分别设置有温度传感器Ⅰ，温度传感器Ⅱ；

所述限定槽在与等强度梁相配合的两端面上分别设置有温度传感器Ⅲ；

所述左T形梁、右T形梁在远离等强度梁的外端面上分别设置有温度传感器Ⅳ。

优选的是，所述前法兰被配置为与试验模型相连，后法兰被配置为与支杆相连；

其中，所述前法兰、后法兰中心具有相同尺寸的定位柱，且所述定位柱的根部设置倒圆角结构；

所述前法兰、后法兰的盘面上分别对称设置有两个定位销孔，各定位销孔轴线处于天平主体水平剖面所在的平面内；

所述前法兰、后法兰在相邻定位销孔之间等间距排布有偶数个螺纹孔或通孔；

所述后法兰的通孔在安装螺纹一侧设置有渐开槽，所述渐开槽一端与通孔配对，另一端向远离天平主体轴线偏离。

优选的是，防护罩包括两块弧形件，各弧形件的一端与天平主体的一段柱面配合，通过螺钉拉紧，另一端及内部与天平主体保持预定的间隙。

一种工作于常温至低温宽温域的杆式应变天平的应用方法，通过天平主体内设置的传感器组判断天平体是否达到温度平衡，其判断方法包括：

S1：计算全部温度传感器所在测点的最大值和最小值，以得到天平体的温差，判断所述温差是否满足要求，满足则进入S2；

S2：计算各测点的平均值以作为天平的参考温度，将参考温度与环境温度测值作比较得到相应的差值，判断所述差值是否满足要求，满足则进入S3；

S3：当环境温度测值不变时，计算一段时间内的天平参考温度变化速率，判断所述天平参考温度变化速率是否满足要求，满足则认为天平体温度已达到平衡。当温度达到平衡后才能开展校准及试验。

优选的是，7组惠斯通电桥均采用六线制，用于同时采集天平电压信号 U _o 和电压监测信号 U _E ，则校准信号 S的计算公式为：

S=U _o /U _E

将 S作为天平校准公式参与计算的信号输入，则天平测量信号的处理公式为：

其中，表示的是解耦后的升力信号，表示的是电桥M2的初末读数差，表示的是电桥M1的初末读数差，表示的是解耦后的俯仰力矩信号，表示的是双电桥组合后的阻力信号，表示的是电桥X2的初末读数差，表示的是电桥X1的初末读数差，表示的是解耦后的侧向力信号，表示的是电桥M5的初末读数差，表示的是电桥M6的初末读数差，表示的是解耦后的偏航力矩信号。

本发明主要针对低温环境的宽温域风洞测力试验提供工作于常温至低温宽温域的杆式应变天平，至少包括以下有益效果：

其一，天平的测量元件结构紧凑，尺寸突变处设置了过渡圆角，温度梯度较小，不容易产生温变信号，提高了测力信号的纯度。

其二，天平设置了对称的十字梁和反对称的等强度T形梁测量元件，滚转力矩分量和轴向力分量分别采用不同的力敏电桥和测量方法，提高了电路的抗温变能力。

其三，天平测量元件上设置有一定数量的片式温度传感器，可实现电桥温度梯度的监测，确保校准和试验温度分布均匀和一致。

其四，天平前后连接段设置了高刚度法兰，可缩短天平长度，减少切削量，从而改善天平的刚度和应力分布情况，提升了天平使用的可靠性和安全性。

其五，天平外部设置了防护罩，有效防护应变计和导线的同时，还降低了天平降温时温度不均匀性。

其六，天平体内部设置了走线通路，减小了天平导线对测力结果的影响。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明天平的外部结构示意图；

图2为本发明天平内部结构示意图；

图3为本发明的前十字梁及其上测量元件的结构布局示意图；

图4为图3旋转180度后的示意图；

图5为本发明的轴向力测量元件结构示意图；

图6为图5旋转180度后的示意图；

图7为图5另一侧的端面结构示意图；

图8为本发明的前十字梁上各应变计的位置布局示意图；

图9为本发明的天平主体上各应变计的位置布局示意图；

图10为本发明的天平主体上各温度传感器的位置布局示意图；

图11为本发明前法兰的结构示意图；

图12为本发明后法兰的结构示意图；

图13为本发明中7个惠斯通电桥的示意图；

其中，天平主体-1，防护罩-2，螺钉-3，测量导线-4，前法兰-5，后法兰-6，前十字梁-7，后十字梁-8，轴向力测量元件-9，电阻应变计组-10，半桥片P1-11，半桥片P2-12，半桥片P3-13，半桥片P4-14，双轴应变计P5-15，双轴应变计P6-16，双轴应变计P7-17，双轴应变计P8-18，双轴应变计P13-19，双轴应变计P14-20，双轴应变计P15-21，双轴应变计P16-22，温度传感器组-23，倒角结构-24，走线孔Ⅰ-25，走线孔Ⅱ-26，温度传感器T1-27，温度传感器T2-28，左T形梁-29，右T形梁-30，走线孔Ⅲ-31，走线孔Ⅳ-32，等强度梁-33，温度传感器T3-34，温度传感器T4-35，温度传感器T5-36，温度传感器T6-37，温度传感器T7-38，温度传感器T8-39，温度传感器T9-40，温度传感器T10-41，双轴应变计P9-42，双轴应变计P10-43，双轴应变计P12-44，中心定位柱Ⅰ-45，中心定位柱Ⅱ-46，定位销孔Ⅰ-47，定位销孔Ⅱ-48，螺纹孔-49，通孔-50，渐开槽-51。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

本发明的天平总体上采用了非保温的杆式结构，即天平及电桥处于与试验环境一致的温度场中，工作时达到热平衡。选用低温应变计及相应的粘贴工艺达到耐低温的性能；通过巧妙的结构设计、电桥布局设计达到降低温度效应的目的；利用在合适的位置布置温度传感器来监测天平体及电桥的温度变化情况，在不同温度条件下进行校准，以适用宽温域的高精度测试需求。因此，本技术方案所述的天平既可以测力，也可以测温，实现了功能上的进一步拓展。

如图1所示，天平整体外观上呈圆柱形，而天平主体1被两块防护罩2所包裹，防护罩的一端与天平主体的一段柱面配合，通过螺钉3拉紧，另一端及内部与天平主体保持足够的间隙（本实例约10mm左右），确保天平即使在受载变形后也不会与防护罩干涉。

天平前后分别设置不同类型的法兰连接接口，其中前法兰与试验模型相连，后法兰与支杆相连，天平主体由一整块特殊的高强度低温不锈钢加工而成。

加工制造时，先按图纸要求完成天平主体、防护罩等零件加工，然后按低温应变计和温度传感器粘贴工艺完成电桥设置和温度测点布置，所有供电及测量导线4通过附近的走线孔汇总至后法兰内部，通过支杆内部的通孔连接至测量系统。

在实际的应用时，天平在校准和使用时需要始终保持防护罩安装在天平主体上，以减少天平冷却时的温度梯度，同时增强天平使用的安全性，同时可有效解决应变计、粘胶、焊锡和导线等配套材料不能长时间稳定工作在低温环境下，容易出现运行故障甚至无法使用的情况。

如图2～图7所示，结合图8-图9，天平主体设置有前法兰5、后法兰6、前十字梁7、后十字梁8，天平中部设置有轴向力测量元件9结构。在天平上特定位置设置有一定数量的电阻应变计组10，本实例中共计组成7个惠斯通电桥以测量直角坐标系下的三个方向的力和三个方向的力矩，共六个分量，7个惠斯通电桥的示意图如图13所示，在应用时，X分量是由2个电桥X1、X2共同作用得到的，故7个电桥，最后测量6个分量。

如图3-图4、图10所示，在标注位置共布置用于测力的7组电桥。其中，前十字梁上设置有M1、M5和Mx电桥，后十字梁上设置有M2、M6电桥，轴向力测量元件上的左T形梁和右T形梁上分别设置了X1、X2电桥，轴向力X采用了双桥测量方式。其中，Mx仅设置在前十字梁测量元件，选用4片半桥片组成全桥，这4片半桥片分别为半桥片P1 11、半桥片P2 12、半桥片P3 13、半桥片P4 14，以尽可能减小温度梯度对测量信号的影响。所有选用的应变计及耗材工作温度范围为-269℃至230℃。其中用于测力的M1、M2、X1、X2、M5和M6电桥共使用12片双轴应变计，分别为双轴应变计P5 15、双轴应变计P6 16、双轴应变计P7 17、双轴应变计P818、双轴应变计P9 42、双轴应变计P10 43、双轴应变计P11（未示出）、双轴应变计P12 44、双轴应变计P13 19、双轴应变计P14 20、双轴应变计P15 21、双轴应变计P16 22。

共有7个信号通道（分量），天平各分量都采用了六线制，同时采集天平电压信号U_o（单位：mV）和电压监测信号U_E（单位：V），校准信号 S的计算公式为：

S=U_o/U_E（单位：mV/V）

S即为天平校准公式参与计算的信号输入，不再需要天平的电压修正系数。其测量信号的处理公式为：

将 S作为天平校准公式参与计算的信号输入，则天平测量信号的处理公式为：

其中，在实际的应用中，电桥MX的初末读数一致，即电桥MX的信号不做处理。

如图2～图7所示，结合图10，在天平某些典型位置设置有一定数量的温度传感器组23，共10只（当然实际的应用时，也可适当增减，一般使用PT100铂电阻），用于监测天平体典型位置的温度变化情况，判断天平体是否达到温度平衡，因为温度达到平衡后才能进行校准，而判断方法是：

S1：计算全部温度测点的最大值和最小值，得到天平体的温差，一般不超过3K；

S2：计算10个测点的平均值，作为天平的参考温度，与环境温度测值比较，差值一般不超过5K；

S3：当环境温度测值不变时，计算一段时间内的天平参考温度变化速率，一般不大于2K/小时。当上述三个条件都满足时，可以认为天平体温度已达到平衡。

具体实施时，在天平进行校准时，应该严格执行判断标准；在风洞内进行试验时，可根据实际情况或试验需求适当放宽。

如图3-图4、图10所示，并结合图2，截取了天平靠近前法兰的前十字梁，以对其上测量元件部分以及测量原理进行说明。天平前后关于T形梁测量元件的横向中心平面分别对称布置一对十字梁（即前十字梁、后十字梁），两个十字梁结构完全相同。

各十字梁结构特征是：横截面呈“十”字型，交叉部分设置倒角结构24，宽度不小于6mm，以便有足够的宽度粘贴应变计，内部有走线孔Ⅰ25，直径不小8mm；所有锐边有至少R2的倒圆，以减小温度突变、应力集中对于电桥的影响；

在十字梁的固定端（也称为固定件）和浮动端分别设置4个周向均匀分布并与天平轴向成45度的走线孔Ⅱ26，直径不小于3mm。

在M1电桥上下贴片附近分别设置有温度传感器T1 27、温度传感器T2 28、温度传感器T3 34、温度传感器T4 35。

如图4-图7、图10所示，并结合图2，截取了天平中部的轴向力测量元件部分对测量原理进行说明。所述的轴向力测量元件主要由左T形梁29、右T形梁30、走线孔Ⅲ31、走线孔Ⅳ32及附着在各T形梁尺寸突变处的倒圆角特征构成，左T形梁、右T形梁结构形式和尺寸完全相同，右T形梁位置为左T形梁绕天平轴线旋转180度生成。

左T形梁的下部设计成变截面的等强度梁33，以使粘贴应变计的表面应力梯度很小，降低粘贴难度。在左T形梁、右T形梁上分别设置有温度传感器T5 36、温度传感器T6 37、温度传感器T7 38、温度传感器T8 39、温度传感器T9 40、温度传感器T10 41，共计6只温度传感器，每三只在对应T形梁的空间上呈“品”字形排列。

如图11和图12，所述的前法兰用于与试验模型相连，后法兰用于与支杆相连。其结构特征是，前法兰、后法兰具有相同尺寸的中心定位柱Ⅰ45、中心定位柱Ⅱ46，前法兰、后法兰分别对称设置有两个定位销孔Ⅰ47、定位销孔Ⅱ48，其轴线处于天平主体水平剖面所在的平面内，中心定位柱根部设置倒圆角以减少受载后的应力集中。

不同的是：前法兰上对称于定位销孔所在平面上分别设置有等间距偶数个的螺纹孔49（本实例中有12个M10螺纹孔）；后法兰上设置有对称于定位销孔所在平面分别设置有等间距偶数个的通孔50（本实例中有12个Φ11mm螺纹孔），通孔安装螺纹一侧设置有渐开槽51，一端与通孔配对，另一端向远离天平主体轴线偏离，以便设置足够的安装空间，采用专用紧固工具紧固螺母，以便最少切削条件下能够实现支杆上螺柱与后法兰上螺母的紧固安装。在这种方案中，通过对法兰的结构设计，主要解决国外工作于低温环境的杆式应变天平发展比较成熟，能够满足低温试验的要求，但天平接口法兰安装位置直径远小于天平最大直径，造成天平整体长度较长，刚度较弱，会加剧模型天平系统在试验过程中振动，从而增大了试验风险，同时加工制造精度要求高，研制周期长，难以快速适应飞行器设计迭代速度的问题。

以上方案只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求进行适当的替换和/或修改。

这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (9)

1.一种工作于常温至低温宽温域的杆式应变天平，包括柱形的天平主体，其特征在于，还包括与天平主体相配合的防护罩；

所述天平主体被配置为包括：轴向力测量元件，以及设置在轴向力测量元件前后侧的前十字梁、前法兰、后十字梁、后法兰；

其中，所述前十字梁、轴向力测量元件、后十字梁上分别布局有多份应变计，以构建用于测量直角坐标系下力和力矩的7组惠斯通电桥；

所述轴向力测量元件、前十字梁、后十字梁上布局设置有对天平主体及惠斯通电桥的温度变化进行监测的传感器组。

2.如权利要求1所述的工作于常温至低温宽温域的杆式应变天平，其特征在于，所述前十字梁、后十字梁的外部结构被配置为一致，且各十字梁在各面交接处均设置有倒角结构；

其中，各十字梁的上、下、左、右四个外侧面作为安装应变计的安装面Ⅰ，所述安装面Ⅰ上的应变计均被配置为采用双轴应变计，以构建得到对应的M1电桥、M5电桥、M2电桥、M6电桥；

前十字梁的横向倒角结构作为安装应变计的安装面Ⅱ，所述安装面Ⅱ上的应变计均被配置为采用半桥片应变计，以构建得到相应的Mx电桥。

3.如权利要求2所述的工作于常温至低温宽温域的杆式应变天平，其特征在于，还包括与前十字梁、后十字梁相配合的固定板和/或浮动板；

其中，所述固定板和/或浮动板上分别设置有至少4个呈周向均匀分布，并与天平轴向成45度的走线孔Ⅰ，所述前十字梁、后十字梁上分别设置有与走线孔Ⅰ相配合的走线孔Ⅱ；

所述走线孔Ⅰ的直径被配置为不小于3mm。

4.如权利要求2所述的工作于常温至低温宽温域的杆式应变天平，其特征在于，所述轴向力测量元件被配置为包括：

与天平内部结构相匹配的安装件，其周向侧壁上相对设置有两个限定槽；

设置在一侧限定槽中的左T形梁；

与左T形梁结构一致，并绕天平轴线旋转180度的右T形梁；

其中，所述左T形梁、右T形梁突出一端的两侧分别做为应变计的安装面Ⅲ，所述安装面Ⅲ上的应变计均被配置为采用双轴应变计，以构建得到对应的X1电桥、X2电桥实现双桥测量；

所述左T形梁、右T形梁在与安装面Ⅱ相配合的一端设置有变截面的等强度梁。

5.如权利要求4所述的工作于常温至低温宽温域的杆式应变天平，其特征在于，所述传感器组被配置为包括：

所述前十字梁、后十字梁的顶面、底面，在与应变计相配合的位置上分别设置有温度传感器Ⅰ，温度传感器Ⅱ；

所述限定槽在与等强度梁相配合的两端面上分别设置有温度传感器Ⅲ；

所述左T形梁、右T形梁在远离等强度梁的外端面上分别设置有温度传感器Ⅳ。

6.如权利要求1所述的工作于常温至低温宽温域的杆式应变天平，其特征在于，所述前法兰被配置为与试验模型相连，后法兰被配置为与支杆相连；

其中，所述前法兰、后法兰中心具有相同尺寸的定位柱，且所述定位柱的根部设置倒圆角结构；

所述前法兰、后法兰的盘面上分别对称设置有两个定位销孔，各定位销孔轴线处于天平主体水平剖面所在的平面内；

所述前法兰、后法兰在相邻定位销孔之间等间距排布有偶数个螺纹孔或通孔；

所述后法兰的通孔在安装螺纹一侧设置有渐开槽，所述渐开槽一端与通孔配对，另一端向远离天平主体轴线偏离。

7.如权利要求1所述的工作于常温至低温宽温域的杆式应变天平，其特征在于，防护罩包括两块弧形件，各弧形件的一端与天平主体的一段柱面配合，通过螺钉拉紧，另一端及内部与天平主体保持预定的间隙。

8.一种如权利要求1-7任一项所述工作于常温至低温宽温域的杆式应变天平的应用方法，其特征在于，通过天平主体内设置的传感器组判断天平体是否达到温度平衡，其判断方法包括：

S1：计算全部温度传感器所在测点的最大值和最小值，以得到天平体的温差，判断所述温差是否满足要求，满足则进入S2；

S2：计算各测点的平均值以作为天平的参考温度，将参考温度与环境温度测值作比较得到相应的差值，判断所述差值是否满足要求，满足则进入S3；

S3：当环境温度测值不变时，计算一段时间内的天平参考温度变化速率，判断所述天平参考温度变化速率是否满足要求，满足则认为天平体温度已达到平衡。

9.如权利要求4所述工作于常温至低温宽温域的杆式应变天平的应用方法，其特征在于，7组惠斯通电桥均采用六线制，用于同时采集天平电压信号U _o 和电压监测信号U _E ，则校准信号S的计算公式为：

S=U _o /U _E

将S作为天平校准公式参与计算的信号输入，则天平测量信号的处理公式为：

其中，表示的是解耦后的升力信号，表示的是电桥M2的初末读数差，表示的是电桥M1的初末读数差，表示的是解耦后的俯仰力矩信号，表示的是双电桥组合后的阻力信号，表示的是电桥X2的初末读数差，表示的是电桥X1的初末读数差，表示的是解耦后的侧向力信号，表示的是电桥M5的初末读数差，表示的是电桥M6的初末读数差，表示的是解耦后的偏航力矩信号。

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