CN211347315U - 一种应用于脉冲风洞的半导体应变天平 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种应用于脉冲风洞的半导体应变天平。该天平从前至后依次包括模型连接段、第一组合测量元件、轴向力测量元件、第二组合测量元件、加速度计安装段、天平支杆和支撑段。该天平针对脉冲风洞有效时间短的特点，采用了半导体应变天平形式，同时将天平和支杆设计为一个整体，减少了中间部件，增强了天平的刚度。该天平在三片梁式组合测量元件的基础上，将侧片梁分为上、下两个片梁，分别用于侧向力、偏航力矩和滚转力矩测量，提高了滚转力矩的灵敏度和测量精度。

Description

一种应用于脉冲风洞的半导体应变天平

技术领域

本实用新型属于风洞设备领域，具体涉及一种应用于脉冲风洞的半导体应变天平。

背景技术

随着各类飞行器、武器研制的迅猛发展，风洞测力试验对飞行器、武器的小横侧向气动力、小滚转力矩等微量气动力载荷的测量精度要求越来越高，要求天平测量元件具有理想的解耦，同时对于试验时间只有几至几十毫秒的脉冲风洞，由于试验时间很短，还要求天平具有很高的频响。

常规的应变天平在结构解耦和性能稳定性方面具有优势，但由于电阻应变计的灵敏度系数很低，只有2左右，在保证足够的信号输出的前提下，应变天平的应变设计不能太小，所以应变天平的刚度、频响等无法满足试验时间只有几至几十毫秒的脉冲风洞需求。压电片的灵敏度系数较高，压电天平的刚度、频响能够满足试验时间只有几至几十毫秒的脉冲风洞需求，但是，压电片的经时稳定性较差，其性能随着时间的变化具有一定的波动，每次风洞测力试验都需要进行压电天平的校准，不利于试验效率的提升。

随着半导体加工工艺的提升，使得半导体应变计的性能得到了较大提升，半导体天平的灵敏度远大于电阻天平(高出1～2个数量级)，为设计具有良好解耦和高频响的天平提供了基础，对于试验时间只有几至几十毫秒的脉冲风洞，由于试验时间很短，试验中天平环境温度的变化可忽略不计，对半导体应变计电阻温度系数较大的缺陷具有很好的弥补作用。

利用半导体应变计的优势，通过天平结构的设计，使半导体应变天平满足试验时间只有几至几十毫秒的脉冲风洞测力试验的需求，是脉冲风洞天平的发展方向之一。

当前，亟需发展一种专用于脉冲风洞的半导体应变天平。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种应用于脉冲风洞的半导体应变天平。

本实用新型的应用于脉冲风洞的半导体应变天平，其特点是，所述的天平从前至后依次包括模型连接段、第一组合测量元件、轴向力测量元件、第二组合测量元件、加速度计安装段、天平支杆和支撑段；

所述的模型连接段为从前至后扩张的锥段，通过锥面与风洞试验模型配合连接，锥面上设置有键槽，用于风洞试验模型的安装定位，模型连接段前端设置有螺纹孔，用于风洞试验模型的压紧；

所述的第一组合测量元件为五片梁式结构，所述的五片梁式结构将三片梁式结构的两侧片梁平均分为上下对称的两个梁，得到中间的主梁、位于左侧上方的侧梁Ⅰ，位于左侧下方的侧梁Ⅱ、位于右侧上方的侧梁Ⅲ和位于右侧下方的侧梁Ⅳ五个梁；每个梁上均粘贴有半导体应变计；主梁测量法向力和俯仰力矩，侧梁Ⅰ和侧梁Ⅲ测量侧向力和偏航力矩，侧梁Ⅱ和侧梁Ⅳ测量滚转力矩；

所述的轴向力测量元件为“T”型梁式结构，半导体应变计粘贴在“T”型梁的竖梁两侧，用于轴向力的测量，“T”型梁前后两侧对称设置有支撑梁，轴向力测量元件被一条斜向上贯穿的斜槽分为两部分，两部分之间通过“T”型梁和支撑梁连接成一个整体；轴向力测量元件上还开有引线槽Ⅰ，用于引出第一组合测量元件的信号线；

所述的第二组合测量元件为与第一组合测量元件对称的五片梁式结构，每个梁上均粘贴半导体应变计，用于法向力、俯仰力矩、侧向力、偏航力矩和滚转力矩的测量；

所述的加速度计安装段为柱段，柱段上对称设置有加速度计安装槽，用于加速度计的安装；加速度计安装段开有引线槽Ⅱ，用于引出第一组合测量元件、轴向力测量元件和第二组合测量元件的信号线；加速度计安装段还开有与天平轴线的穿线管道连通的进线孔；

所述的天平支杆为从前至后扩张的锥段，用于天平的延长；

所述的支撑段为柱段，柱段的上部切削有水平面Ⅰ，水平面Ⅰ为姿态测量面，柱段的下部切削有水平面Ⅱ，水平面Ⅰ和水平面Ⅱ之间加工有垂直的通孔，水平面Ⅱ上加工有垂直的销钉孔，柱段的尾端有与天平轴线的穿线管道连通的出线孔。

本实用新型的应用于脉冲风洞的半导体应变天平在三片梁式结构基础上，将两侧片梁分为上下对称的两个梁，得到五片梁式结构。在五片梁式结构中，将轴向力测量元件设置在天平测量元件中间主梁上，两端对称设置第一组合测量元件和第二组合测量元件，第一组合测量元件和第二组合测量元件用于测量除轴向力外的其余五个分量，减小了相对较大的法向力和俯仰力矩对轴向力的干扰。五片梁式结构增大了相对较小的滚转力矩的输出信号，提高了滚转力矩的灵敏度和测量精度。

本实用新型的应用于脉冲风洞的半导体应变天平通过将天平和支杆设计为一个整体，减少中间的连接环节，增强了天平的刚度，提升了天平的频响。

本实用新型的应用于脉冲风洞的半导体应变天平采用半导体应变计，半导体应变计的灵敏度高，有利于增大天平刚度。

本实用新型的应用于脉冲风洞的半导体应变天平弥补了常规应变天平和压电天平在脉冲风洞上应用的缺陷，能够很好的进行脉冲风洞测力试验气动力载荷测量，满足了各类飞行器、武器研制对风洞气动力载荷测量精准度的要求。

附图说明

图1为本实用新型的应用于脉冲风洞的半导体应变天平的立体图；

图2为本实用新型的应用于脉冲风洞的半导体应变天平中的测量元件示意图；

图3为图2的A-A剖面示意图；

图4为图2的B-B剖面示意图；

图5为本实用新型的应用于脉冲风洞的半导体应变天平中的支撑段示意图。

图中，1.模型连接段 2.第一组合测量元件 3.轴向力测量元件 4.第二组合测量元件 5.加速度计安装段 6.天平支杆 7.支撑段；

11.键槽 12.螺纹孔；

21.主梁 22.侧梁Ⅰ 23.侧梁Ⅱ 24.侧梁Ⅲ 25.侧梁Ⅳ；

31.“T”型梁 32.支撑梁 33.斜槽 34.引线槽Ⅰ；

51.加速度计安装槽 52.引线槽Ⅱ 53.进线孔；

71.销钉孔 72.通孔 73.姿态测量面 74.出线孔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本实用新型。

实施例1

如图1所示，本实用新型的应用于脉冲风洞的半导体应变天平从前至后依次包括模型连接段1、第一组合测量元件2、轴向力测量元件3、第二组合测量元件4、加速度计安装段5、天平支杆6和支撑段7；

如图2所示，所述的模型连接段1为从前至后扩张的锥段，通过锥面与风洞试验模型配合连接，锥面上设置有键槽11，用于风洞试验模型的安装定位，模型连接段1前端设置有螺纹孔12，用于风洞试验模型的压紧；

如图2、3所示，所述的第一组合测量元件2为五片梁式结构，所述的五片梁式结构将三片梁式结构的两侧片梁平均分为上下对称的两个梁，得到中间的主梁21、位于左侧上方的侧梁Ⅰ22，位于左侧下方的侧梁Ⅱ23、位于右侧上方的侧梁Ⅲ24和位于右侧下方的侧梁Ⅳ25五个梁；每个梁上均粘贴有半导体应变计；主梁21测量法向力和俯仰力矩，侧梁Ⅰ22和侧梁Ⅲ24测量侧向力和偏航力矩，侧梁Ⅱ23和侧梁Ⅳ25测量滚转力矩；

如图2、4所示，所述的轴向力测量元件3为“T”型梁式结构，半导体应变计粘贴在“T”型梁31的竖梁两侧，用于轴向力的测量，“T”型梁31前后两侧对称设置有支撑梁32，轴向力测量元件3被一条斜向上贯穿的斜槽33分为两部分，两部分之间通过“T”型梁31和支撑梁32连接成一个整体；轴向力测量元件3上还开有引线槽Ⅰ34，用于引出第一组合测量元件2的信号线；

所述的第二组合测量元件4为与第一组合测量元件2对称的五片梁式结构，每个梁上均粘贴半导体应变计，用于法向力、俯仰力矩、侧向力、偏航力矩和滚转力矩的测量；

如图2所示，所述的加速度计安装段5为柱段，柱段上对称设置有加速度计安装槽51，用于加速度计的安装；加速度计安装段5开有引线槽Ⅱ52，用于引出第一组合测量元件2、轴向力测量元件3和第二组合测量元件4的信号线；加速度计安装段5还开有与天平轴线的穿线管道连通的进线孔53；

如图1所示，所述的天平支杆6为从前至后扩张的锥段，用于天平的延长；

如图5所示，所述的支撑段7为柱段，柱段的上部切削有水平面Ⅰ，水平面Ⅰ为姿态测量面73，柱段的下部切削有水平面Ⅱ，水平面Ⅰ和水平面Ⅱ之间加工有垂直的通孔72，水平面Ⅱ上加工有垂直的销钉孔71，柱段的尾端有与天平轴线的穿线管道连通的出线孔74。

目前，使用本实用新型的应用于脉冲风洞的半导体应变天平在试验时间为10毫秒量级的激波风洞中成功获得了钝锥标模的气动载荷，气动载荷与钝锥标模的气动数据手册具有良好的重复性，证明了本实用新型的应用于脉冲风洞的半导体应变天平能够推广应用于型号模型试验中。

Claims (1)

1.一种应用于脉冲风洞的半导体应变天平，其特征在于，所述的天平从前至后依次包括模型连接段(1)、第一组合测量元件(2)、轴向力测量元件(3)、第二组合测量元件(4)、加速度计安装段(5)、天平支杆(6)和支撑段(7)；

所述的模型连接段(1)为从前至后扩张的锥段，通过锥面与风洞试验模型配合连接，锥面上设置有键槽(11)，用于风洞试验模型的安装定位，模型连接段(1)前端设置有螺纹孔(12)，用于风洞试验模型的压紧；

所述的第一组合测量元件(2)为五片梁式结构，所述的五片梁式结构将三片梁式结构的两侧片梁平均分为上下对称的两个梁，得到中间的主梁(21)、位于左侧上方的侧梁Ⅰ(22)，位于左侧下方的侧梁Ⅱ(23)、位于右侧上方的侧梁Ⅲ(24)和位于右侧下方的侧梁Ⅳ(25)五个梁；每个梁上均粘贴有半导体应变计；主梁(21)测量法向力和俯仰力矩，侧梁Ⅰ(22)和侧梁Ⅲ(24)测量侧向力和偏航力矩，侧梁Ⅱ(23)和侧梁Ⅳ(25)测量滚转力矩；

所述的轴向力测量元件(3)为“T”型梁式结构，半导体应变计粘贴在“T”型梁(31)的竖梁两侧，用于轴向力的测量，“T”型梁(31)前后两侧对称设置有支撑梁(32)，轴向力测量元件(3)被一条斜向上贯穿的斜槽(33)分为两部分，两部分之间通过“T”型梁(31)和支撑梁(32)连接成一个整体；轴向力测量元件(3)上还开有引线槽Ⅰ(34)，用于引出第一组合测量元件(2)的信号线；

所述的第二组合测量元件(4)为与第一组合测量元件(2)对称的五片梁式结构，每个梁上均粘贴半导体应变计，用于法向力、俯仰力矩、侧向力、偏航力矩和滚转力矩的测量；

所述的加速度计安装段(5)为柱段，柱段上对称设置有加速度计安装槽(51)，用于加速度计的安装；加速度计安装段(5)开有引线槽Ⅱ(52)，用于引出第一组合测量元件(2)、轴向力测量元件(3)和第二组合测量元件(4)的信号线；加速度计安装段(5)还开有与天平轴线的穿线管道连通的进线孔(53)；

所述的天平支杆(6)为从前至后扩张的锥段，用于天平的延长；

所述的支撑段(7)为柱段，柱段的上部切削有水平面Ⅰ，水平面Ⅰ为姿态测量面(73)，柱段的下部切削有水平面Ⅱ，水平面Ⅰ和水平面Ⅱ之间加工有垂直的通孔(72)，水平面Ⅱ上加工有垂直的销钉孔(71)，柱段的尾端有与天平轴线的穿线管道连通的出线孔(74)。

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