一种基于音爆试验外式天平的混合式双电桥数据处理方法与流程

1.本发明涉及空气动力试验领域，具体涉及到一种基于音爆试验外式天平的混合式双电桥数据处理方法，适用于超声速飞行器音爆试验中模型音爆试验气动力数据的精确测量。


背景技术：

2.近年来，随着对超声速运输、侦察和预警的需求日益强烈，行内已普遍注意到了超声速运输的价值，但音爆技术的研究不够深入，在最基本的手段——音爆试验技术方面都还处于探索阶段。在对音爆试验技术的研究中，风洞试验扮演着举足轻重的角色。长期以来，美国是国际上系统开展音爆风洞试验技术研究的主力军，其研究成果是各国借鉴的主要来源之一，而我国对此类技术研究的成熟度和可靠性都急需提高。为此，中国空气动力研究与发展中心开展了对音爆测试技术的深入研究。但在风洞试验的实施过程中发现，该类试验研究技术中所需天平属外式天平，此类天平位于模型外部，而此现象必然带来较长的力臂，从而导致力、力矩载荷不匹配的问题。
3.在超声速飞行器音爆风洞试验中，所应用的天平校准方式有两种：一种是将外式天平校准中心确定在天平测量元件中心位置，该方法在校准过程中施加的附加力矩载荷较大，其优点在于进行电桥数据处理时力对力矩干扰量小，但后续进行数据处理时增加了修正环节,即
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l（校准中心到模型压心距离）修正量的影响；另一种是将天平校准中心确定在模型压心附近，由于力矩参考点在压心附近，该方法优点在于校准过程中施加的力矩载荷较小（模型在压心附近，力矩较小），但在施加力载荷过程中，力矩载荷有较大的信号输出，数据处理时力对力矩分量干扰量较大。因此，在进行此类天平校准时，迫切需要探索出一种新的数据处理方式。


技术实现要素：

4.本发明的目的是解决音爆试验所需外式天平校准过程中各测量元之间相互干扰较大的问题。
5.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于音爆试验外式天平的混合式双电桥数据处理方法，从传统双电桥的数据处理方法入手，其在进行校准过程中：力载荷作用下，力元件信号输出正常而力矩元件输出信号为零，在力矩载荷作用下，力矩元件输出信号正常而力元件输出信号为零，此方法力和力矩元件彼此间干扰较小，有利于风洞试验的精确测量；根据上述想法，考虑引入修正系数k，通过合理的数据处理及迭代，使外式天平既能够在校准过程中合理匹配载荷，又能够使其在单独力/力矩载荷作用下，仅对应的测量单元有信号输出，而其他测量单元输出为“0”或较小，由此解决在外式天平校准过程中力和力矩载荷不匹配或干扰较大等问题。
6.综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：通过采用本发明所述的数据处理方法，解决了音爆风洞试验中外式天平校准过程时力和力矩载荷不匹配或干扰
较大的问题，实现了此类天平的精确测量，提升了风洞测力试验数据的精准度。
附图说明
7.本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：图1是本发明的风洞试验方案示意图；图2、图3是本发明的有限元分析结果示意图；其中：1是参试模型，2是外式天平，3是支撑机构。
具体实施方式
8.本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
9.本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
10.本实施例的实现的试验方案包括有参试模型1、外式天平2、和支撑机构3，外式天平位于参试模型外部，在进行组桥设计时选择单电桥组桥的方式进行。在传统的现有技术中，经常出现两种问题，一是如将天平校准中心设置在天平元件中心处，附加力矩较大，二是如将天平校准中心设置在压心附近，在进行有限元分析时可以看出，施加力载荷时，力矩载荷有较大的信号输出，数据处理时力对力矩分量干扰量较大。
11.本实施例针对上述的两个问题，提出改进，现考虑进行力载荷校准时，引入信号用以修正力矩元件输出信号，确保在此情况下力矩元件的主信号输出在0附近，在利用干扰信号对力矩测值进行修正，确保其在力载荷作用下力矩输出为0，而在力矩作用时力载荷输出为0，力矩正常输出。具体为：首先，当外式天平完成加工后，天平测量元件上粘贴电阻应变计，组成惠斯顿全桥，形成测量电路，天平应变计粘贴方式均采用单电桥的粘贴方式进行。
12.其次，将天平校准中心布置在压心附近，同时压心处施加力载荷1000n，利用有限元分析结果如图2所示，后端力元件处信号正常输出，而前端力矩元件应变达到967左右，造成的力对力矩干扰量较大。而在力矩设计载荷的作用下，如图3所示，前端力矩元件应变仅230左右（此时力元件应变很小），也就是说，如不对此问题进行处理，力对力矩的干扰量输出将出现比其自身主项输出还大的情况，而这种现象在天平校准时是应该尽量规避的。
13.根据上述有限元计算结果，引入修正系数k（根据分析结果确定数值,本期试验中根据有限元分析结果，k值取为3.78）作为主信号输出的力载荷修正系数，先对主信号进行修正，再通过数据迭代中的干扰项修正将主信号对应的测量分量修正为“0”，根据上述信号处理方法归纳出的公式如下：
其中： 为俯仰力矩， 为偏航力矩， 为俯仰力矩分量输出电压的变化量， 为偏航力矩分量输出电压的变化量， 为法向力分量输出电压的变化量， 为侧向力分量输出电压的变化量， 为第j个载荷分量， 为第l个载荷分量， 和 为 的主项系数， 为y对应的修正系数，y为法向力， 为z对应的修正系数，z为侧向力， 为j分量对i分量的一次干扰系数(其中,当j=i时，称为主项系数，即 、 )， 为j分量与l分量对i分量的二次干扰系数。
14.最后，在实际操作环节，通过天平校准，对上述公式中的k值（k=3.78）进行核算，同时确定出其他测量元的主项及干扰项系数。
15.本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。


技术特征：
1.一种基于音爆试验外式天平的混合式双电桥数据处理方法，该方法用于外式天平的校准和试验过程中的数据处理，试验中的外式天平位于试验模型的外部，天平元件中心远离压心位置，其特征在于包括以下步骤：步骤一：在天平元件上粘贴电阻应变计，组成惠斯顿全桥，形成测量电路；步骤二：将天平校准中心布置在压心附近，同时在压心处施加力载荷；步骤三：根据有限元计算结果，引入主信号输出的力载荷修正系数k，对主信号进行修正；步骤四：通过数据迭代中的干扰项修正将主信号对应的测量分量修正为0，数据处理如下公式：其中： 为俯仰力矩， 为偏航力矩， 为俯仰力矩分量输出电压的变化量， 为偏航力矩分量输出电压的变化量， 为法向力分量输出电压的变化量， 为侧向力分量输出电压的变化量， 为第j个载荷分量，为第l个载荷分量，和 为 的主项系数， 为y对应的修正系数，y为法向力， 为z对应的修正系数，z为侧向力， 为j分量对i分量的一次干扰系数(其中,当j=i时，称为主项系数，即、 )， 为j分量与l分量对i分量的二次干扰系数；步骤五：通过天平校准，对步骤四中的k值进行核算，确定其他测量元的主项及干扰项系数。2.根据权利要求1所述的一种基于音爆试验外式天平的混合式双电桥数据处理方法，其特征在于：当力矩元件的主信号输出在0附近时，利用干扰信号对力矩测值进行修正，使得在力载荷作用下力矩输出为0，而在力矩作用时力载荷输出为0，力矩正常输出。

技术总结
本发明公开了一种基于音爆试验外式天平的混合式双电桥数据处理方法，从传统双电桥的数据处理方法入手，其在进行校准过程中：力载荷作用下，力元件信号输出正常而力矩元件输出信号为零，在力矩载荷作用下，力矩元件输出信号正常而力元件输出信号为零，此方法力和力矩元件彼此间干扰较小，有利于风洞试验的精确测量；根据上述想法，考虑引入修正系数K，通过合理的数据处理及迭代，使外式天平既能够在校准过程中合理匹配载荷，又能够使其在单独力/力矩载荷作用下，仅对应的测量单元有信号输出，而其他测量单元输出为“0”或较小，由此解决在外式天平校准过程中力和力矩载荷不匹配或干扰较大等问题。扰较大等问题。扰较大等问题。


技术研发人员：贾巍 钱丰学 高荣钊 杨洋 刘维亮
受保护的技术使用者：中国空气动力研究与发展中心高速空气动力研究所
技术研发日：2021.09.13
技术公布日：2021/11/24