一種低速風(fēng)洞模型位姿超聲測量系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及風(fēng)洞試驗領(lǐng)域，尤其是涉及一種低速風(fēng)洞模型位姿超聲測量系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]試驗?zāi)Ｐ偷奈蛔?位置和姿態(tài))是低速風(fēng)洞試驗過程中要求獲取的關(guān)鍵參數(shù)之一，其精度對試驗有著非常重要的意義。在低速風(fēng)洞試驗過程中，目前常用的模型位姿測量方法包括支撐機構(gòu)名義值替代法、激光光柵測量法、重力加速度傳感器測量法、陀螺儀測量法、圖像測量法和光電位置靈敏探測器測量法等六種方法，由于每種方法本身特性的限制，每種方法都或多或少存在一些問題或缺陷，到目前為止尚未找到能提供完整的位姿參數(shù)(三個線位移方向的位置參數(shù)和三個航空次序歐拉角的姿態(tài)參數(shù))、又能適用于各種試驗環(huán)境(如結(jié)冰風(fēng)洞試驗的低溫、負(fù)壓和高濕度等)和安裝環(huán)境(直流式風(fēng)洞、回流式風(fēng)洞、開口試驗段和閉口試驗段)等的測量方法。
[0003]超聲波是指頻率高于20kHz的聲波，目前已經(jīng)在檢測超聲、功率超聲和醫(yī)學(xué)超聲等方面應(yīng)用很廣。其中，超聲測距是通過測量超聲波在媒質(zhì)中某一空間傳播的時間和該媒質(zhì)中的聲速來確定被測空間距離的一項主要的檢測超聲技術(shù)應(yīng)用。但從目前應(yīng)用情況來看，由于在超聲測距中將聲速作為常數(shù)處理，另外由于多普勒效應(yīng)的影響，而使得超聲測距的精度并不高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種低速風(fēng)洞模型位姿超聲測量系統(tǒng)，完成在風(fēng)洞中對被測模型完整的位姿參數(shù)的測量。
[0005]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
一種低速風(fēng)洞模型位姿超聲測量系統(tǒng)，包括控制器，精密穩(wěn)壓電源，和通過線纜分別與控制器連接的目標(biāo)超聲傳感器、信標(biāo)超聲傳感器和實時聲速測量傳感器等。其中目標(biāo)超聲傳感器固定設(shè)置在被測模型上，目標(biāo)超聲傳感器不少于四個；信標(biāo)超聲傳感器固定設(shè)置在低速風(fēng)洞試驗段的內(nèi)壁面上，且信標(biāo)超聲傳感器分布在被測模型的四周，信標(biāo)超聲傳感器不少于四個；被測模型上的至少三個目標(biāo)超聲傳感器能與風(fēng)洞內(nèi)壁上的至少四個信標(biāo)超聲傳感器配對實現(xiàn)相互之間距離的直接測量；實時聲速測量傳感器固定設(shè)置在低速風(fēng)洞試驗段的內(nèi)壁面上，且實時聲速超聲傳感器分布在被測模型的四周，實時聲速超聲傳感器應(yīng)兩兩配對設(shè)置，配對的兩個實時聲速超聲傳感器之間無隔擋物，使得聲波能在兩個超聲傳感器之間能沿直線傳播。
[0006]在風(fēng)洞試驗過程中，通過信標(biāo)超聲傳感器利用測邊空間后方交會獲得模型上3個或3個以上目標(biāo)超聲傳感器在風(fēng)洞坐標(biāo)軸系上的坐標(biāo)，再利用這些目標(biāo)超聲傳感器在模型坐標(biāo)軸系上的坐標(biāo)求解出此時模型坐標(biāo)軸系與風(fēng)洞坐標(biāo)軸系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣，包括旋轉(zhuǎn)矩陣財P平移矩陣7；平移矩陣71卩為模型的位置(X。，y。，z。)，再對旋轉(zhuǎn)矩陣求解即可求出模型的姿態(tài)角(包括偏航角R俯仰角〃和滾轉(zhuǎn)角Φ)，即可獲得低速風(fēng)洞試驗?zāi)Ｐ痛丝掏暾奈蛔藚?shù)。在試驗過程中，系統(tǒng)通過風(fēng)洞主控系統(tǒng)的指令完成被測模型位姿實時測量并將測量結(jié)果隨時反饋給風(fēng)洞主控系統(tǒng)，從而完成低速風(fēng)洞模型位姿的實時測量。
[0007]上述所有傳感器均為接收發(fā)送一體式的超聲傳感器；控制器設(shè)置在低速風(fēng)洞外的運行控制間內(nèi)，用于超聲傳感器供電的精密穩(wěn)壓電源不少于一組，目標(biāo)超聲傳感器所用的精密穩(wěn)壓電源可設(shè)置在被測模型腔體內(nèi)部。
[0008]為了提高測量精度，其中目標(biāo)超聲傳感器設(shè)置在被測模型上變形小的位置，且目標(biāo)超聲傳感器不能設(shè)置在被測模型坐標(biāo)軸系的坐標(biāo)原點。
[0009]在該系統(tǒng)使用前，應(yīng)在風(fēng)洞試驗前需對測量系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)和標(biāo)定，試驗間隙可進(jìn)行校準(zhǔn)，以確保測量精度滿足要求。系統(tǒng)的校準(zhǔn)和標(biāo)定要選用移測架，移測架由X向直線模組、Y向直線模組、Z向直線模組、校準(zhǔn)超聲傳感器固定支架和控制器等組成。其中Z向直線模組為兩套，每套Z向直線模組的基座分別固定在試驗段的上壁板和下壁板上，Z向直線模組上設(shè)置有運動部件，運動部件的運動方向鉛垂且與風(fēng)洞坐標(biāo)軸系的Z向平行；Y向直線模組的基座兩端各自固定在兩套Z向直線模組的運動部件上，Y向直線模組上的運動部件的運動方向與風(fēng)洞坐標(biāo)軸系的Y向平行；χ向直線模組的基座固定在Y向直線模組的運動部件上，所述校準(zhǔn)超聲傳感器固定支架固定在X向直線模組運動部件上，X向直線模組運動部件的運動方向與風(fēng)洞坐標(biāo)軸系的X向平行；控制器能控制每個直線模組的運動部件的運動。
[0010]系統(tǒng)校準(zhǔn)和標(biāo)定的過程如下:
信標(biāo)超聲傳感器和實時聲速測量超聲傳感器的坐標(biāo)值的校準(zhǔn)和標(biāo)定利用移測架采用基點校準(zhǔn)法進(jìn)行，即通過控制器控制X、Y和Z向直線模組上的運動部件控制校準(zhǔn)超聲傳感器的準(zhǔn)確定位，并利用超聲測距和測邊空間后方交會獲得信標(biāo)超聲傳感器和實時聲速測量超聲傳感器的在風(fēng)洞坐標(biāo)軸系上的準(zhǔn)確坐標(biāo)值；安裝在被測模型上的目標(biāo)超聲傳感器，其在模型坐標(biāo)軸系上的坐標(biāo)值采用坐標(biāo)重合法進(jìn)行校準(zhǔn)和標(biāo)定，即將被測模型固定在試驗段內(nèi)，通過經(jīng)瑋儀等儀器將模型的姿態(tài)角(偏航角W、俯仰角〃和滾轉(zhuǎn)角Φ)調(diào)整到0°，設(shè)定模型參考點(模型坐標(biāo)軸系原點)與風(fēng)洞坐標(biāo)軸系原點重合，利用信標(biāo)超聲傳感器和目標(biāo)超聲傳感器采用測邊空間后方交會獲得目標(biāo)超聲傳感器在風(fēng)洞坐標(biāo)軸系上的坐標(biāo)，由于風(fēng)洞坐標(biāo)軸系和模型坐標(biāo)軸系重合，因此測量到的坐標(biāo)值即為目標(biāo)傳感器在模型坐標(biāo)軸系上的坐標(biāo)值。
[0011]綜上所述，由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果是:
利用低速風(fēng)洞試驗?zāi)Ｐ臀蛔说某暅y量方法能獲得完整的低速風(fēng)洞試驗?zāi)Ｐ臀蛔藚?shù)，包括Xe，Yo, Z0, Ψ, P和φ六個參數(shù)，其中(X。，y。，Z0)指模型的位置，即模型參考點在風(fēng)洞坐標(biāo)軸系上位置，{Ψ, θ, Φ)指模型的姿態(tài)，即模型的偏航角、俯仰角和滾轉(zhuǎn)角。
[0012]利用實時測量獲得的聲速參與計算，避免將聲速作為常量處理帶來的誤差，另外信標(biāo)超聲傳感器、目標(biāo)超聲傳感器和實時聲速測量傳感器采用了接收發(fā)送一體式的超聲傳感器，避免了多普勒效應(yīng)的影響，從而提高了模型位姿測量的精準(zhǔn)度。
[0013]超聲測量為非接觸測量，利用超聲這一特性實現(xiàn)了低速風(fēng)洞模型位姿的非接觸測量，避免了測量設(shè)備對風(fēng)洞流場的影響；另外，超聲測量可用于開、閉口試驗段內(nèi)模型位姿的測量，能夠克服氣流速度、溫度、壓力、密度和濕度變換等的影響，從而避免了試驗環(huán)境對低速風(fēng)洞模型位姿測量的影響。
【附圖說明】
[0014]本發(fā)明將通過例子并參照附圖的方式說明，其中:
圖1某模型上目標(biāo)超聲傳感器布置圖；
圖2信標(biāo)超聲傳感器在閉口試驗段內(nèi)壁面布置圖；
圖3實時聲速測量傳感器布置示意圖；
圖4模型位姿超聲測量系統(tǒng)的組成框圖；
圖5校準(zhǔn)和標(biāo)定用裝置簡圖；
其中:I是實時聲速超聲傳感器，2是目標(biāo)超聲傳感器，3是信標(biāo)超聲傳感器，4是精密穩(wěn)壓電源，5是校準(zhǔn)超聲傳感器，6是X向直線模組，7是Z向直線模組，8是Y向直線模組。
【具體實施方式】
[0015]本發(fā)明通過以下步驟布局實施:
一是在試驗?zāi)Ｐ蜕瞎潭ò惭b目標(biāo)超聲傳感器(接收發(fā)送一體式超聲傳感器)。為避免模型受風(fēng)載變形影響測量精度，目標(biāo)超聲傳感器應(yīng)安裝在變形小的位置。其次，為提高測量精度，目標(biāo)超聲傳感器應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離模型坐標(biāo)軸系的坐標(biāo)原點。另外，為避免風(fēng)洞坐標(biāo)軸系與模型坐標(biāo)軸系的軸系轉(zhuǎn)換誤差，目標(biāo)點之間的距離不能差距過大，目標(biāo)點的數(shù)量應(yīng)不少于
4。如圖1為所示。由于超聲測量過程中，安裝在模型上的目標(biāo)超聲傳感器和安裝在模型周邊的信標(biāo)傳感器要配對使用，因此應(yīng)保證試驗過程中目標(biāo)超聲傳感器和信標(biāo)超聲傳感器能相互直接探測到信號。
[0016]二是在低速風(fēng)洞閉口試驗段的內(nèi)壁面或者開口試驗段的模型周邊布置接收發(fā)送一體式的信標(biāo)超聲傳感器。由于模型位置和姿態(tài)角的變化范圍對信標(biāo)超聲傳感器的數(shù)量和布局影響很大，因此盡可能多布置一些信標(biāo)傳感器，保證試驗過程中，安裝在模型上的至少三個目標(biāo)超聲傳感器能被四個或四個以上的信標(biāo)超聲傳感器直接檢測到信號。如圖2為閉口試驗段布置的信標(biāo)超聲傳感器示意圖。
[0017]三是在低速風(fēng)洞閉口試驗段的內(nèi)壁面或者開口試驗段的模型周邊布置接收發(fā)送一體式的實時聲速測量傳感器。實時聲速測量傳感器應(yīng)兩兩配對布置，并要求試驗時配對的實時聲速測量傳感器之間不能有任何隔擋物，保證聲波能在兩個超聲傳感器之間直線傳播。如圖3為閉口試驗段上布置的四組實時聲速測量傳感器的示意圖。
[0018]四是構(gòu)建模型位姿超聲測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)由主要由計算機(配備高速數(shù)據(jù)采集卡等)、固定安裝在模型周邊的多個信標(biāo)超聲傳感器和多組配對實時聲速測量傳感器、固定安裝在模型上的目標(biāo)超聲傳感器以及相應(yīng)的軟件系統(tǒng)等組成。信標(biāo)超聲傳感器、聲速測量傳感器和目標(biāo)超聲傳感器由專門的精密穩(wěn)壓電源供電。模型位姿超聲測量系統(tǒng)的組成框圖見圖4所示。圖中僅給出一臺精密穩(wěn)壓電源，實際使用時可根據(jù)布置情況多選用幾臺。目標(biāo)超聲傳感器所用的電源可以固定于模型腔體內(nèi)部，另外精密穩(wěn)壓電源也可以選用多個壓力穩(wěn)定的電池等替代。軟件系統(tǒng)作為模型位姿超聲測量的核心，包含用戶交互界面、所有超聲傳感器的參數(shù)配置數(shù)據(jù)庫、實時聲速測量軟件、系統(tǒng)校準(zhǔn)和標(biāo)定軟件和模型位姿測量軟件等。計算機置于風(fēng)洞運行控制間內(nèi)，并通過線纜與信標(biāo)超聲傳感器、實時聲速測量傳感器和目標(biāo)超聲傳感器等