專利名稱：：一種支座反力式風洞天平體軸系靜態校準的方法
技術領域：
：本發明涉及一種風洞天平體軸系靜態校準的方法，特別是涉及一種支座反力式風洞天平體軸系靜態校準的方法，屬于風洞天平校準領域。
背景技術：
：風洞應變天平是飛行器風洞試驗中使用的多分量力傳感器，可以測量氣流作用在飛行器模型上的力和力矩，再結合氣流參數和風洞模型參數可以計算飛行器模型的靜、動態氣動力系數。這些風洞試驗數據是飛行器設計的重皿據，所以需要對風洞應變天平進行精確的校準，其不確定度滿足國軍標的要求方可使用。目前所使用的風洞天平加載后校準方法主要是體軸系靜校法，各國研究機構采用的方法有以下幾種(1)靜校機構主體復位補償式，通過手動或自動方式將安裝在風洞天平上的加載裝置回復到加載前的初始位置，保持風洞天平體軸系和所施加載荷的軸系一致。國內申請此類專利的有中國氣動力研究與發展中心高速氣動力研究所的全自動無砝碼自補償天平校準裝置(授權公告號CN2385330丫)和(專利號97230780.X)。(2)外圍加載設備跟隨補償式，調整周圍加載裝置使之跟隨風洞天平體軸系的空間坐標變化，使施加載荷的軸系與風洞天平體軸系保持一致。(3)參考天平測量法，使用剛度很大，精度高于普通風洞天平的外式天平測量機體軸系的實際載荷，外式天平安裝在風洞天平的模型連接端，通過風洞天平的支撐連接端進行加載，由于外式天平剛度足夠大，可認為外式天平無變形，其測得的載荷即為風洞天平的體軸系載荷。(4)測量加載裝置位移法，加載后測量加載裝置特征點的位移，計算體軸系的實際位置、重力方向和加載拉線相對于體軸系的方位變化，并求出體軸系的實際載荷。(5)單矢量靜校法，只有一個加載點，通過運動機構和專用定位裝置來改變這個載荷的方向和作用點，通過增減砝碼來改變載荷的大小，以進行天平校準。其中方法(1)(2)需要可以進行多自由度運動的機構，機械和控制系統比較復雜，設備造價高，維護困難；方法(3)對參考天平有很高的要求，其研制和校準均有較大技術難度，目前只有德國和瑞典兩家研究機構有這樣的設備；方法(4)的硬件系統較為簡單，但是計算天平體軸系位置和重力、加載拉線的方位時需要比較復雜的軸系轉換；方法(5)是美國Langley中心的獨有技術，對設備的加工精度和測試系統的精度均有極高的要求。由于以上方法均有較大難度，因此許多研究機構在研制風洞天平靜校設備時會忽略一些次要因素，采取折衷方案，但這又增加了系統的誤差。
發明內容本發明的技術解決問題是克服現有技術的不足，提供一種簡單而又準確地完成風洞天平的體軸系靜校的方法。本發明的技術解決方案是一種支座反力式風洞天平體軸系靜態校準的方法，其特征在于通過如下步驟實現第一步，將風洞天平的模型連接端固定在剛性基座上；第二步，將加載裝置安裝在風洞天平的支桿連接端，在加載裝置上預設加載點；第三步，根據實際測量要求確定剛性支架的位置，再把激光位移傳感器安裝到剛性支架上，風洞天平、激光位移傳感器分別與數據采集設備數據線連接；第四步，用數據采集設備采集激光位移傳感器輸出的電壓信號Vo和風洞天平在初始狀態的電壓信號U0;第五步，在加載裝置預設的加載點施加載荷W給風洞天平加載，數據采集設備采集風洞天平變形后的電壓信號U和激光位移傳感器的電壓信號V;第六步，通過激光位移傳感器公式、激光位移傳感器的電壓信號增量AV,計算加載裝置的角位移和線位移及加載裝置上加載點的線位移，其中AV二V-V0;第七步，根據第六步計算的加載裝置的角位移和線位移及加載裝置上加載點的線位移求解加載點栽荷的實際方向，并按體軸坐標系方向進行分解；第八步，將所施加載荷W平移到體軸坐標系原點，求剛性基座在體軸坐標系原點對風洞天平產生的支座反力，以此作為風洞天平的體軸系載荷；第九步，重復第五步到第八步，得到不同加載點、不同的載荷W和不同加載方向時風洞天平加載前后輸出電壓信號的增量AU和體軸系載荷，其中AU二U誦U。；第十步，將所有風洞天平加載前后輸出電壓信號的增量AU和體軸系載荷結合在一起，通過最小二乘法和高斯消元法求解風洞天平的體軸系靜校公式。所述的剛性基座的彎曲和滾轉慣性矩比風洞天平的彎曲和滾轉慣性矩高一個量級以上。所述的風洞天平是二至六分量天平的任一種。所述的激光位移傳感器的個數不少于風洞天平的分量數，選用非接觸式激光位移傳感器。所述第九步風洞天平加載前后輸出電壓信號的增量AU和體軸系載荷不少于n2+3n組數據，其中n是風洞天平的分量數。本發明與現有技術相比有益效果為(1)本發明只須將風洞天平倒裝，筒化了風洞天平的靜校裝置，既不必使用復雜的補償型或單矢量型運動機構，也不必受參考天平性能的限制；(2)本發明由于風洞天平體軸系位置不變，不需要復雜的軸系轉換，計算更加簡單；(3)本發明在測量過程中沒有忽略一些次要因素，不會增加系統的誤差。圖1為本發明風洞天平安裝方式及初始狀態示意圖，XOY直角坐標系為風洞天平體軸坐標系；圖2為本發明風洞天平加載變形后位移測量示意圖，XOY直角坐標系為風洞天平體軸坐標系。具體實施例方式本實施例以測量Fx、Fy、Mz的三分量天平、采用3個激光位移傳感器、一個加載點為例，具體實施步驟(1)將風洞天平3進行倒裝，即把風洞天平3的模型連接端固定在剛性基座4上，并將風洞天平3的體軸坐標系用經綽儀、水準儀、傾斜儀等光學儀器調成如圖1所示的三維直角坐標系XOY;(2)將加載裝置2安裝在風洞天平3的支桿連接端，通過調整加載裝置2使加載點的初始位置與體軸坐標系原點O重合，其中加載方向Fx水平向左，Mz、Fy垂直向下；(3)在按圖1所示的剛性支架上安裝三個非接觸式激光位移傳感器1，用來測量風洞天平加載裝置的位移，水平方向的激光位移傳感器的激光束照射在加載裝置的軸心，測得L1-100mm,L2=500mm，L3=100mm;用高精度數字電壓表或其它數據采集設備紀錄3個激光位移傳感器輸出的電壓信號V10、V20、V30,數值為0.005V,0.004V,0.010V,并采集風洞天平的輸出電壓信號U10、U20、U30,三個信號通道順序依次對應Mz、Fy、Fx，數值為0.0020mV/V,0.0040mV/V，0.0010mV/V(風洞天平的供電在1V時輸出的電壓數值)；(4)將=200N的砝碼6放在圖1、2所示砝碼盤5中對風洞天平3進4亍力口載，？卩施力口載^^Fy=-200N;(5)采集激光位移傳感器輸出電壓信號V"、V21、V31,分別為0.200V,0.150V,0.015V和風洞天平的輸出電壓信號Un、U21、U31,分別為0.0020mV/V,0,2140mV/V,0.0025mV/V，計算激光位移傳感器的電壓信號增量厶V^V"國V10=0.195V、AV2=V21-V20=0.146V、△V3=V31-V30=0.005V，風洞天平的電壓信號增量AUFx^U31-U30=0.0015mV/V、AUFy1=U21-U20=0.2100mV/V、AUMz1=U31-U3。=0.0000mV/V;(6)通過激光位移傳感器公式計算加載裝置2的位移D1、D2、D3，本例中選用的激光位移傳感器公式為L=40+2.5V(mm),則位移D-2.5AV,D1=2.5△^=0.4875mm,D2=2.5△V2=0.365mm,D3=2.5△V3=0.0125mm;(7)計算加載裝置2的角位移6=arctg[(D1-D2)/L2]=arctg[(0.4875-0.365)/500]=0.000025，加載點的線位移DX=D3+(D1-D2)[D1(L1+L2)-D2L2]/L22=0.0125539mmDY=(D1-D2)L3/L2+D2=0.3895mm;(8)將所施加載荷平移到體軸坐標系原點，得到實際載荷為Mz=DX=2.51078Nmm=0避51078Nm,Fy:國W…200N，Fx=0,(9)剛性基座在體軸坐標系原點對風洞天平產生的三分量支座反力為Mz^-0,00251078Nm,Fy產200N，F^=0,即為此加載狀態下的風洞天平體軸系載荷；(10)改變砝碼6的重量，重復(4)至(9),獲得至少3組體軸系載荷值和相應天平信號增量，計算同上述步驟(4)至(9);(11)改變加載方式，按照(4)至(10)的方法分別在砝碼盤5的位置上施加Fx和Mz,求每個加載狀態的體軸系載荷值和相應天平信號增量，計算同上述步驟(4)至(9);(12)將所有的風洞天平體軸系載荷值和天平信號增量結合在一起，通過公知技術最小二乘法和高斯消元法求解風洞天平的體軸系靜校公式矩陣A，如表1所示；表1三分量風洞天平體軸系靜校公式矩陣A<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>不同分量風洞天平、不同數量和安裝位置激光位移傳感器及多個加載點的計算原理同上實施例中三分量風洞天平,在此就不——描述。本發明未詳細說明的部分為本領域技術人員公知技術。權利要求1、一種支座反力式風洞天平體軸系靜態校準的方法，其特征在于通過如下步驟實現第一步，將風洞天平(3)的模型連接端固定在剛性基座(4)上；第二步，將加載裝置(2)安裝在風洞天平(3)的支桿連接端，在加載裝置(2)上預設加載點；第三步，根據實際測量要求確定剛性支架的位置，再把激光位移傳感器(1)安裝到剛性支架上，風洞天平(3)、激光位移傳感器(1)分別與數據采集設備數據線連接；第四步，用數據采集設備采集激光位移傳感器(1)輸出的電壓信號V0和風洞天平(3)在初始狀態的電壓信號U0；第五步，在加載裝置(2)預設的加載點施加載荷W給風洞天平(3)加載，數據采集設備采集風洞天平(3)變形后的電壓信號U和激光位移傳感器(1)的電壓信號V；第六步，通過激光位移傳感器公式、激光位移傳感器的電壓信號增量△V，計算加載裝置(2)的角位移和線位移及加載裝置(2)上加載點的線位移，其中△V＝V-V0；第七步，根據第六步計算的加載裝置(2)的角位移和線位移及加載裝置(2)上加載點的線位移求解加載點載荷的實際方向，并按體軸坐標系方向進行分解；第八步，將所施加載荷W平移到體軸坐標系原點，求剛性基座(4)在體軸坐標系原點對風洞天平(3)產生的支座反力，以此作為風洞天平(3)的體軸系載荷；第九步，重復第五步到第八步，得到不同加載點、不同的載荷W和不同加載方向時風洞天平(3)加載前后輸出電壓信號的增量△U和體軸系載荷，其中△U＝U-U0；第十步，將所有風洞天平(3)加載前后輸出電壓信號的增量△U和體軸系載荷結合在一起，通過最小二乘法和高斯消元法求解風洞天平的體軸系靜校公式。2、根據權利要求1所述的支座反力式風洞天平體軸系靜態校準的方法，其特征在于所述的剛性基座(4)的彎曲和滾轉慣性矩比風洞天平(3)的彎曲和滾轉慣性矩高一個量級以上。3、根據權利要求1所述的支座反力式風洞天平體軸系靜態校準的方法，其特征在于所述的風洞天平(3)是二至六分量天平的任一種。4、根據權利要求1所述的支座反力式風洞天平體軸系靜態校準的方法，其特征在于所述的激光位移傳感器(1)的個數不少于風洞天平(3)的分量數，選用非接觸式激光位移傳感器。5、根據權利要求1所述的支座反力式風洞天平體軸系靜態校準的方法，其特征在于所述第九步風洞天平(3)加載前后輸出電壓信號的增量AU和體軸系載荷不少于n、3n組數據，其中n是風洞天平(3)的分量數。全文摘要一種支座反力式風洞天平體軸系靜態校準的方法，將加載裝置安裝在風洞天平的支桿連接端，通過安裝在剛性支架上的激光位移傳感器測量風洞天平加載裝置的位移；對風洞天平進行加載后采集激光位移傳感器的讀數，計算風洞天平加載裝置的位移和各加載點的位移；將所施加載荷平移到體軸坐標系原點進行合成，然后求基座在體軸坐標系原點對風洞天平產生的支座反力，以此作為風洞天平的體軸系載荷；結合所有風洞天平加載前后輸出電壓信號的增量和體軸系載荷，通過最小二乘法和高斯消元法求解風洞天平的體軸系靜校公式。采用本發明中的靜校方法，可以簡化風洞天平的靜校裝置，既不必使用復雜的補償型或單矢量型運動機構，也不必受參考天平性能的限制，與測量加載裝置位移法相比由于風洞天平體軸系位置不變，計算更加簡單。文檔編號G01M9/00GK101419118SQ20081023895公開日2009年4月29日申請日期2008年12月5日優先權日2008年12月5日發明者馬洪強申請人:中國航天空氣動力技術研究院