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

本发明专利技术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。本发明专利技术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。还降低了天平降温时温度不均匀性。还降低了天平降温时温度不均匀性。

【技术实现步骤摘要】
工作于常温至低温宽温域的杆式应变天平及应用方法


[0001]本专利技术涉及风洞试验领域。更具体地说，本专利技术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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。

技术实现思路

[0004]本专利技术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。
[0005]为了实现本专利技术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。
[0006]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。
[0007]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。
[0008]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。
[0009]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。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]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。
[0013]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：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：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：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：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。
[0014]本专利技术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。
[0015]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。
[0016]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。
[0017]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。
[0018]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。
[0019]其六，天平体内部设本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：向光伟，谢斌，熊能，徐志伟，彭鑫，刘大伟，洪兴福，王超，廖大鑫，
申请(专利权)人：中国空气动力研究与发展中心高速空气动力研究所，
类型：发明
国别省市：