CN116539270B - 一种风洞弯刀实时监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种风洞弯刀实时监测装置及方法，属于风洞试验技术领域。其包括弯刀顶轮、顶轮轴、顶轮支撑机构、固定圈、蝶形弹簧、加载头、应变式传感器、数据输出模块、连接轴和安装座，弯刀顶轮通过顶轮轴转动安装在顶轮支撑机构一端，顶轮支撑机构另一端依次穿过固定圈、蝶形弹簧和加载头后与应变式传感器固定连接，固定圈与顶轮支撑机构外侧壁为固定配合，蝶形弹簧与固定圈和加载头贴合，应变式传感器另一侧通过连接轴装于安装座上，应变式传感器上设有数据输出模块。本发明目的是为解决大型风洞弯刀在试验过程中难以及时，准确监测其偏移、振动状态的问题，实时输出弯刀形变信号，能实时监控风洞内弯刀的振动及变形程度。

Description

一种风洞弯刀实时监测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种风洞弯刀实时监测装置及方法，属于风洞试验技术领域。

背景技术

风洞弯刀是一种常用于风洞试验领域的半圆环板式结构设备，用于在风洞流场内实现试验过程中模型俯仰角等姿态的灵活变化。随着大型风洞试验技术的发展，模型体积增大和风速增加，大半径风洞弯刀会受到较大的载荷，并产生一定的变形和振动，这种变形和振动在试验过程中又难以通过肉眼或简易测量设备量化观察。在试验过程中，风洞弯刀较大的偏移量会导致试验结果失真，甚至易引发试验事故导致试验失败。因此在风洞试验技术领域，亟需提出一种风洞弯刀实时监测装置及方法，实时判断风洞弯刀偏移情况，以解决上述技术问题。

发明内容

本发明研发目的是为解决大型风洞弯刀在试验过程中难以及时，准确监测其偏移、振动状态的问题，提出一种可实时监控并输出风洞内风洞弯刀的振动、形变及受力等情况的风洞弯刀实时监测装置及方法，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：

方案一、一种风洞弯刀实时监测装置，包括弯刀顶轮、顶轮轴、顶轮支撑机构、固定圈、蝶形弹簧、加载头、应变式传感器、数据输出模块、连接轴和安装座，弯刀顶轮通过顶轮轴转动安装在顶轮支撑机构的一端，顶轮支撑机构的另一端外侧依次穿过固定圈、蝶形弹簧和加载头后与应变式传感器的一侧固定连接，所述固定圈与顶轮支撑机构外侧壁为固定配合，蝶形弹簧两侧分别与固定圈和加载头紧密贴合，应变式传感器的另一侧通过连接轴固定安装于安装座上，应变式传感器上设置有数据输出模块，并与之电性连接。

优选的：所述顶轮轴通过顶轮轴承与顶轮支撑机构建立转动连接，顶轮轴承通过轴承盖与顶轮支撑机构固定连接。

优选的：所述轴承盖通过固定螺钉组固定安装在顶轮支撑机构上。

优选的：所述弯刀顶轮与风洞弯刀的外表面贴合，且所述顶轮轴中心轴线与风洞弯刀的外表面平行。

方案二、一种风洞弯刀实时监测方法，是基于方案一所述的一种风洞弯刀实时监测装置实现的，包括：

步骤1，准备状态下，将偶数个所述的一种风洞弯刀实时监测装置分别对称设置于风洞弯刀的左右两侧；

步骤2，位于风洞弯刀两侧的弯刀顶轮贴合顶紧夹持风洞弯刀；

步骤3，应变式传感器记录此时状态为初始试验状态，并将此刻的数据信号通过数据输出模块传递至外接计算机，判断风洞弯刀位置是否回零；

步骤4，试验状态下，由于气流对风洞弯刀施加直接载荷和间接载荷，导致风洞弯刀位置发生偏移，该偏移产生的位移信号依次通过顶轮轴、顶轮支撑机构、固定圈和蝶形弹簧传递给加载头，加载头再将应变信号实时传递给应变式传感器；

步骤5，应变式传感器接收到实时的位移信号后，通过数据输出模块实时传递至外接计算机，外接计算机接收和分析来自多组应变式传感器的位移信号，精确判断风洞弯刀的实时偏移及振动状态；

步骤6，当外接计算机接收自应变式传感器传出的实时的位移信号，超过警戒值时，由外接计算机向操作人员预警，防止试验安全事故和试验数据失效。

优选的：所述应变式传感器输出信号为4mA~20mA的电流信号，并通过数据输出模块内置的信号放大器进行实时放大后，传递给外接计算机中，外接计算机将信号以波形和数值控件的形式呈现给操作人员。

本发明具有以下有益效果：

1.本发明在具有夹持风洞弯刀的功能的前提下，增加了对风洞弯刀位移、振动等状态的监控，同时不增加机构的总体空间；

2.本发明对风洞弯刀运动的监测可在风洞试验过程中实时完成，并即时输出数据，便于数据快速分析和风险规避；

3.本发明的弯刀顶轮将受力信号通过传感器转化为电流信号，再通过配套信号放大器将电流信号放大，再通过滤波等流程接入测控计算机，以提高信号信噪比，保障数据采集的准确性和实时性；

4.本发明具有较高的安全和可靠性，可兼容多种不同规格的传感器，同时可调节对风洞弯刀的夹紧程度，兼容性高；

5.本发明可对称设置于风洞弯刀两侧，多组监测装置同步工作具有更精确的测量结果，也可计算风洞弯刀立体运动状态；

6.本发明采用高精度传感元件和机械结构，具备较高的力学和位移精度。

附图说明

图1是本发明的一种风洞弯刀实时监测装置的结构示意图；

图2是本发明的一种风洞弯刀实时监测装置的原理图；

图3是本发明的一种风洞弯刀实时监测装置的应变式传感器的原理图；

图中：1-弯刀顶轮，2-顶轮轴，3-顶轮轴承，4-固定螺钉组，5-轴承盖，6-顶轮支撑机构，7-固定圈，8-蝶形弹簧，9-加载头，10-应变式传感器，11-数据输出模块，12-连接轴，13-安装座。

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。

本发明所提到的连接分为固定连接和可拆卸连接，所述固定连接即为不可拆卸连接包括但不限于折边连接、铆钉连接、粘结连接和焊接连接等常规固定连接方式，所述可拆卸连接包括但不限于螺纹连接、卡扣连接、销钉连接和铰链连接等常规拆卸方式，未明确限定具体连接方式时，默认为总能在现有连接方式中找到至少一种连接方式能够实现该功能，本领域技术人员可根据需要自行选择。例如：固定连接选择焊接连接，可拆卸连接选择铰链连接。

具体实施方式一：结合图1-图3说明本实施方式，本实施方式的一种风洞弯刀实时监测装置，包括弯刀顶轮1、顶轮轴2、顶轮支撑机构6、固定圈7、蝶形弹簧8、加载头9、应变式传感器10、数据输出模块11、连接轴12和安装座13，弯刀顶轮1通过顶轮轴2转动安装在顶轮支撑机构6的一端，即所述顶轮轴2通过顶轮轴承3与顶轮支撑机构6建立转动连接，顶轮轴承3通过轴承盖5与顶轮支撑机构6固定连接，所述轴承盖5通过固定螺钉组4固定安装在顶轮支撑机构6上，顶轮支撑机构6的另一端外侧依次穿过固定圈7、蝶形弹簧8和加载头9后与应变式传感器10的一侧固定连接，所述固定圈7与顶轮支撑机构6外侧壁为固定配合，蝶形弹簧8两侧分别与固定圈7和加载头9紧密贴合，能够实时传递风洞弯刀的位移信号，应变式传感器10的另一侧通过连接轴12固定安装于安装座13上，通过连接轴12和安装座13和配套连接装置实现对检测装置的固定，保证输出数据准确，应变式传感器10上设置有数据输出模块11，并与之电性连接；

在弯刀实时监测装置工作状态下，所弯刀顶轮1在监控过程中与风洞弯刀的侧面接触，如图1所示，即所述弯刀顶轮1以适当的松紧程度与风洞弯刀的外表面贴合，为保证夹持与测试性能，且所述顶轮轴2中心轴线与风洞弯刀的外表面平行，试验状态下由于气流对弯刀施加直接载荷和间接载荷，会导致弯刀位置发生偏移，弯刀顶轮1在顶轮支撑机构6等机构的固定下，对弯刀起到一定的夹持和支撑作用，限制试验状态下弯刀发生较大的位置偏移，同时应变式传感器10可通过弯刀顶轮1等系列机构实时采集弯刀位移信号，所述应变式传感器10通过数据输出模块11与外接计算机相连，将风洞弯刀的位移信号及时输出，通过上位机软件读取实时采集数据并呈现在界面中，以使试验人员能够实时通过电子设备监控风洞内风洞弯刀的振动及变形程度，弯刀顶轮1的设计不会妨碍弯刀纵向运动，便于试验调整弯刀角度，进而调整模型俯仰角度，本实施方式所述的一种风洞弯刀实时监测装置有较强的兼容性，即便在应变式传感器10和数据输出模块11不工作或失效时，本实施方式所述的一种风洞弯刀实时监测装置仍可起到夹持固定和支撑的作用，保证风洞试验可继续进行，也对安装座13、连接轴12、顶轮支撑机构6、顶轮轴2等机构进行了结构的冗余设计，对顶轮受弯刀位移运动设置了限位，保证监测机构可靠性。

具体实施方式二：结合图1-图3说明本实施方式，基于具体实施方式一，本实施方式的一种风洞弯刀实时监测方法，包括：

步骤1，准备状态下，将偶数个所述的一种风洞弯刀实时监测装置分别对称设置于风洞弯刀的左右两侧，多组一种风洞弯刀实时监测装置可协同工作，通过多组对称的一种风洞弯刀监测装置提升对风洞弯刀的固定和监控效果；

步骤2，位于风洞弯刀两侧的弯刀顶轮1贴合顶紧夹持风洞弯刀，此时还起到对风洞弯刀的夹持作用，在风洞弯刀承受气动载荷冲击下限制风洞弯刀的横向变形，并可以调节夹紧程度，以对称式接触弯刀侧面的方式夹持并监控弯刀振动，提升对弯刀运动监测的灵敏度和准确性；

步骤3，应变式传感器10记录此时状态为初始试验状态，并将此刻的数据信号通过数据输出模块11传递至外接计算机，判断风洞弯刀位置是否回零；

步骤4，试验状态下，由于气流对风洞弯刀施加直接载荷和间接载荷，导致风洞弯刀位置发生偏移，该偏移产生的位移信号依次通过顶轮轴2、顶轮支撑机构6、固定圈7和蝶形弹簧8传递给加载头9，加载头9再将应变信号实时传递给应变式传感器10；

步骤5，应变式传感器10接收到实时的位移信号后，通过数据输出模块11实时传递至外接计算机，外接计算机接收和分析来自多组应变式传感器10的位移信号，精确判断风洞弯刀的实时偏移及振动状态；

步骤6，当外接计算机接收自应变式传感器10传出的实时的位移信号，超过警戒值时，由外接计算机向操作人员预警，防止试验安全事故和试验数据失效。

所述应变式传感器10输出信号为4mA~20mA的电流信号，为避免现场噪声干扰，将电流信号通过数据输出模块11内置的信号放大器进行实时放大后，传递给外接计算机的电流采集板卡中，外接计算机使用LabVIEW语言DAQmx模块将信号以波形和数值控件的形式呈现给操作人员。

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 (4)

1.一种风洞弯刀实时监测装置，其特征在于：包括弯刀顶轮(1)、顶轮轴(2)、顶轮支撑机构(6)、固定圈(7)、蝶形弹簧(8)、加载头(9)、应变式传感器(10)、数据输出模块(11)、连接轴(12)和安装座(13)，弯刀顶轮(1)通过顶轮轴(2)转动安装在顶轮支撑机构(6)的一端，顶轮支撑机构(6)的另一端外侧依次穿过固定圈(7)、蝶形弹簧(8)和加载头(9)后与应变式传感器(10)的一侧固定连接，所述固定圈(7)与顶轮支撑机构(6)外侧壁为固定配合，蝶形弹簧(8)两侧分别与固定圈(7)和加载头(9)紧密贴合，能够实时传递风洞弯刀的位移信号，应变式传感器(10)的另一侧通过连接轴(12)固定安装于安装座(13)上，应变式传感器(10)上设置有数据输出模块(11)，并与之电性连接，所述应变式传感器(10)通过数据输出模块(11)与外接计算机相连，将风洞弯刀的位移信号及时输出，通过上位机软件读取实时采集数据并呈现在界面中，以使试验人员能够实时通过电子设备监控风洞内风洞弯刀的振动及变形程度；

还包括一种风洞弯刀实时监测方法，是基于所述的一种风洞弯刀实时监测装置实现的，包括以下步骤：

步骤1，准备状态下，将偶数个所述的一种风洞弯刀实时监测装置分别对称设置于风洞弯刀的左右两侧，多组一种风洞弯刀实时监测装置协同工作，通过多组对称的一种风洞弯刀监测装置提升对风洞弯刀的固定和监控效果，多组监测装置同步工作具有更精确的测量结果，也可计算风洞弯刀立体运动状态；

步骤2，位于风洞弯刀两侧的弯刀顶轮(1)贴合顶紧夹持风洞弯刀，此时还起到对风洞弯刀的夹持作用，在风洞弯刀承受气动载荷冲击下限制风洞弯刀的横向变形，并调节夹紧程度，以对称式接触弯刀侧面的方式夹持并监控弯刀振动，提升对弯刀运动监测的灵敏度和准确性；

步骤3，应变式传感器(10)记录此时状态为初始试验状态，并将此刻的数据信号通过数据输出模块(11)传递至外接计算机，判断风洞弯刀位置是否回零；

步骤4，试验状态下，由于气流对风洞弯刀施加直接载荷和间接载荷，导致风洞弯刀位置发生偏移，该偏移产生的位移信号依次通过顶轮轴(2)、顶轮支撑机构(6)、固定圈(7)和蝶形弹簧(8)传递给加载头(9)，加载头(9)再将应变信号实时传递给应变式传感器(10)；

步骤5，应变式传感器(10)接收到实时的位移信号后，通过数据输出模块(11)实时传递至外接计算机，外接计算机接收和分析来自多组应变式传感器(10)的位移信号，精确判断风洞弯刀的实时偏移及振动状态；

步骤6，当外接计算机接收自应变式传感器(10)传出的实时的位移信号，超过警戒值时，由外接计算机向操作人员预警，防止试验安全事故和试验数据失效；

所述应变式传感器(10)输出信号为4mA～20mA的电流信号，并通过数据输出模块(11)内置的信号放大器进行实时放大后，传递给外接计算机中，外接计算机使用LabVIEW语言DAQmx模块将信号以波形和数值控件的形式呈现给操作人员。

2.根据权利要求1所述的一种风洞弯刀实时监测装置，其特征在于：所述顶轮轴(2)通过顶轮轴承(3)与顶轮支撑机构(6)建立转动连接，顶轮轴承(3)通过轴承盖(5)与顶轮支撑机构(6)固定连接。

3.根据权利要求2所述的一种风洞弯刀实时监测装置，其特征在于：所述轴承盖(5)通过固定螺钉组(4)固定安装在顶轮支撑机构(6)上。

4.根据权利要求3所述的一种风洞弯刀实时监测装置，其特征在于：所述弯刀顶轮(1)与风洞弯刀的外表面贴合，且所述顶轮轴(2)中心轴线与风洞弯刀的外表面平行。