一种大空间稳态流场三维测量系统及测量方法与流程

本发明涉及流体测量
技术领域：
，特别涉及一种基于五孔探针适用于大范围空间稳态流场速度矢量快速测量系统及测量方法。
背景技术：
：五孔探针是基于流体绕流球体流动特性进行测速的，将五孔探针伸到所测流场待测点位置，将各孔所测压力考虑适当校正系数，即可求出流场待测点速度矢量。目前五孔探针有两种使用方法：转动法和不转动法。转动法校准较为简单，但是使用过程中工作量大，对测量环境要求较高，需要配套准确的角度旋转设备。不转动法校准工作量大，试验校准曲线的拟合也比较麻烦，但是测量时间较短，所以大型试验多采用不转动法。每一个五孔探针交付使用时，都会配有三条特性校准曲线，分别为：角度特性曲线、动压头特性曲线、总压特性曲线。三条特性校准曲线为五孔探针的特征曲线，是五孔探针使用的前提条件。由于加工工艺及加工误差等影响，每个五孔探针的特性校准曲线都有所不同。五孔探针测量精度高、可靠性好、结构简单、探针不易损坏，易于维修且造价低；但五孔探针受自身测量角度限制，测量校准及校准数据处理比较繁琐，误差难以减小。特别是在进行大范围的空间的流场测量中需进行逐点测量，每一次测量均需要对五孔探针方向进行对准操作，在测量过程中还应对五孔探针的测量位置进行标定，对于原有普通五孔探针在进行较大范围空间进行测量时来说费时费力，测量难度大，精度较低，常发生速度角度偏离、速度大小精度不足等问题。技术实现要素：本发明的目的是提供一种大空间稳态流场三维测量系统及测量方法，实现对大空间稳态流场的快速精确测量，提高流场测量的准确性和测量效率。本发明是采取如下技术方案予以实现的：一种大空间稳态流场三维测量系统，包括：五孔探针，内置有惯性传感器，用于对稳态流场中单点进行速度矢量测量；压力变送器，用于将通过测压管道输送的五孔探针的五个压力测点的信息进行采集输送；五孔探针数据处理单元，用于将压力变送器五个压力测点的信息进行数据存储和处理；惯性传感器，用于五孔探针相对所测空间流场的相对线加速度和相对角速度进行测量；惯性传感器数据处理单元，用于将惯性传感器所测相对线加速度和相对角速度进行积分，得出五孔探针相对于所测流场的相对速度、相对位移以及相对偏转角度；数据耦合处理单元，利用相对偏转角度对修正后的速度矢量进行坐标变换，利用惯性传感器数据处理单元相对速度将五孔探针所测速度矢量进行修正；数据记录单元，用于记录相对位移坐标下修正变换速度矢量，通过大量记录流场空间不同坐标的速度矢量，得出三维空间的稳态流场；所述五孔探针连接压力变送器，压力变送器与五孔探针数据处理单元相连，惯性传感器与惯性传感器数据处理单元相连接；五孔探针数据处理单元和惯性传感器数据处理单元与数据耦合处理单元相连；数据耦合处理单元与数据记录单元进行连接。进一步，所述五孔探针包括测压头和设在测压头上的5个测压孔，各测压孔分别连通5个测压管，各测压孔分别通过测压管连接至压力变送器；惯性传感器刚性固定于五孔探针内部，惯性传感器通过惯性传感器传输线与惯性传感器数据处理单元相连。进一步，所述5个测压孔包括一个中心孔以及沿中心孔外侧的五孔探针斜侧面两对对称分布的压力孔，压力孔轴线与中心孔轴线夹角为45°。进一步，惯性传感器与惯性传感器集成电路相连并通过惯性传感器传输线连接至惯性传感器数据处理单元。进一步，所述惯性传感器包括三轴加速度计和三轴陀螺仪，进一步可包括三轴磁感应传感器，三轴磁感应传感器可对加速度计和陀螺仪进行漂移校正。本发明给出了一种大空间稳态流场三维测量方法，包括下述步骤：1)设置五孔探针的测量原点绝对坐标系f(x,y,z)，并标定五孔探针中心孔中心线为三维绝对坐标系X轴，定义背风方向为坐标原点X轴正方向；2)标定五孔探针的三维相对坐标f'(x',y',z')坐标原点位于五孔探针球心，并标定五孔探针中心孔中心线为三维相对坐标系轴x′，定义背风方向为坐标原点x′轴正方向；3)在一定测量间隔内移动五孔探针，采集惯性传感器的三轴陀螺仪信号和三轴加速度计信号；4)对采集的数据信号进行处理计算，得到五孔探针的运动矢量、相对偏转角度；5)读取五孔探针各测孔压力值，依据五孔探针特性曲线查取仰俯角、偏航角、总压以及动压；6)利用相对偏转角度对所测位置速度矢量进行坐标变换得出基于原点坐标系的速度矢量；7)基于五孔探针运动矢量对所测速度矢量进行矢量修正，得出基于原点坐标系下的修正速度矢量；8)重复步骤2)-7)，测量得到一组原点坐标系下不同测量点的修正速度矢量，绘制出流场的三维速度矢量分布图。步骤3)所述测量间隔包括定时测量和位移测量两种方式。即间隔一段时间测一个点或者是间隔一段位移测一个点。本发明技术方案的具有以下有益效果：1)在进行空间流场测量时，通过惯性传感器记录空间位置，实现测量装置的实时定位。2)在测量过程中并对该点的速度矢量进行实时测量，实现大空间稳态流场速度矢量的快速实时定位测量。3)在测量过程中，利用惯性传感器对多孔探针测得速度矢量进行实时标量修正和方向修正，提高多孔探针测量的数据的精确性。4)利用数据采集处理系统对多孔探针特性曲线进行自动实时处理，减少人工干预，节省时间提高数据结果精确度。本发明结构简单可靠，使用方便适用范围广，可实现对稳态流场速度矢量的测量，并提高了五孔探针的最大可测量方向角范围和精度。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。图1是本发明一种大空间稳态流场三维测量系统示意图；图2(a)是本发明五孔探针内部结构图；图2(b)为图2(a)左视图；图2(c)为图2(a)俯视图；图2(d)为三维轴测图。图3(a)是惯性传感器是放置在球状测压头内的结构示意图，图3(b)是图3(a)A处局部放大图。图4是本发明五孔探针坐标系建立示意图。图5是本发明绝对坐标系f(x,y,z)向相对坐标系f'(x',y',z')旋转变换示意图。图6是本发明五孔探针相对速度与风速合成示意图。图中：1.五孔探针；2.测压孔；21.测孔Ⅰ；22.测孔Ⅱ；23.测孔Ⅲ；24.测孔Ⅳ；25.测孔Ⅴ；3.五孔探针后端盖；4.惯性传感器；41.惯性传感器集成电路；5.惯性传感器传输线；6.测压管；7.压力变送器；8.五孔探针数据处理单元；9.惯性传感器数据处理单元；10.数据耦合处理单元；11.数据记录单元。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。请参阅图1所示，本发明一种大空间稳态流场三维测量系统，包括内置有惯性传感器4的五孔探针1，用于对稳态流场中单点进行速度矢量测量。压力变送器，用于将通过测压管道输送的五孔探针的五个压力测点的信息进行采集输送；五孔探针数据处理单元，利用内置五孔探针校准特性曲线将压力变送器五个压力测点的信息进行数据处理，得出所测坐标点的速度矢量；惯性传感器，用于五孔探针相对所测空间流场的相对线加速度和相对角速度进行测量；惯性传感器数据处理单元，将惯性传感器所测相对线加速度和相对角速度进行积分，得出五孔探针相对于所测流场的相对速度、相对位移以及相对偏转角度；数据耦合处理单元，利用相对偏转角度对修正后的速度矢量进行坐标变换，利用惯性传感器数据处理单元相对速度将五孔探针所测速度矢量进行修正；数据记录单元，用于记录相对位移坐标下修正变换速度矢量，通过大量记录流场空间不同坐标的速度矢量，得出三维空间的稳态流场；五孔探针1连接数据采集处理系统，数据采集系统的包括压力变送器7、五孔探针数据处理单元8、惯性传感器数据处理单元9、数据耦合处理单元10和数据记录单元11。五孔探针1的测压管6连接压力变送器7，压力变送器7与五孔探针数据处理单元8相连，将测压孔2的压力信号转变为电信号进入五孔探针数据处理单元8；惯性传感器4与惯性传感器数据处理单元9相连接；五孔探针数据处理单元8和惯性传感器数据处理单元9所处理后的数据进入数据耦合处理单元10；数据耦合处理单元10与数据记录单元11进行连接。如图2(a)-(d)所示，五孔探针1包括测压头和设在测压头上的共计5个测压孔2，各测压孔2分别连接5个测压管6；在测压头后部设有五孔探针后端盖3，惯性传感器4刚性固定于五孔球形探针内部，各测压孔2分别通过测压管6连接至压力变送器7，惯性传感器4通过惯性传感器传输线5与惯性传感器数据处理单元9相连。如图2(a)-(c)所示，五孔探针的5个测压孔2(测孔Ⅰ21-测孔Ⅴ25)与测压管6是相连通的。5个测压孔包括一个中心孔以及沿中心孔外侧的五孔探针斜侧面两对对称分布的压力孔，压力孔轴线与中心孔轴线夹角为45°。如图3(a)、(b)所示，惯性传感器4是放置在球状测压头5个测压孔2后侧，惯性传感器4与惯性传感器集成电路41相连并通过惯性传感器传输线5连接至惯性传感器数据处理单元9。惯性传感器包括三轴加速度计和三轴陀螺仪，进一步可包括三轴磁感应传感器，三轴磁感应传感器可对加速度计和陀螺仪进行漂移校正。具体测量步骤如下：1)设置五孔探针的测量原点绝对坐标系f(x,y,z)，并标定五孔探针中心孔中心线为三维绝对坐标系X轴，定义背风方向为坐标原点X轴正方向，见图4所示；三维绝对坐标系不随时间和位置变化。2)标定五孔探针的三维相对坐标f'(x',y',z')坐标原点位于五孔探针球心，并标定五孔探针中心孔中心线为三维相对坐标系轴x′，定义背风方向为坐标原点x′轴正方向；图5是本发明绝对坐标系f(x,y,z)向相对坐标系f'(x',y',z')旋转变换示意图。三维相对坐标系随五孔探针移动进行移动，惯性传感器可对五孔探针的线加速度及角速度进行测量。3)在一个测量时间间隔后，采集惯性传感器的三轴陀螺仪信号和三轴加速度计信号；一次积分该间隔内惯性传感器的加速度信号，得到该测量时刻五孔探针的速度矢量v＝[vx，vy，vz，]，二次积分惯性传感器的加速度信号，得出该测量时刻的五孔探针的位移矢量p＝[px，py，pz]，一次积分角速度信号，得出该测量时刻的五孔探针的旋转角度θ＝[θx，θy，θz]。测量间隔包括定时测量和位移测量两种方式。即间隔一段时间测一个点或者是间隔一段位移测一个点。4)对采集的数据信号进行处理计算，得到五孔探针的运动矢量和相对偏转角度。5)读取五孔探针各测孔压力值，依据五孔探针特性曲线查取仰俯角、偏航角、总压以及动压；5a)读取五孔探针5个测孔压力值p1，p2，p3，p4，p5，依据公式计算：仰俯角系数偏航角系数总压系数动压系数pav＝(p1+p3+p4+p5)/4，为均压；p2为中心孔压力，p1，p3，p4，p5为周边四个孔压力，p0为总压，ps为动压。5b)依据校准曲线对实测值进行插值，即可求得该点的仰俯角α、偏航角β、总压p0、动压ps以及速度矢量v′，对速度矢量v′进行矢量化分解，得到基于五孔探针相对坐标系f'(x',y',z')下的流体速度矢量坐标：v′＝[v′cosβcosα，v′cosβsinα，v′sinβ]。6)对所测位置速度进行矢量化。6a)将相对坐标系f'(x',y',z')下的速度矢量转化到绝对坐标系f(x,y,z)中：x=v′cosαcosβ(cosθycosθz+sinθxsinθysinθz)+v′sinαcosβ(sinθxsinθycosθz-cosθysinθz)+v′sinβcosθxsinθy]]>y=v′cosαcosβcosθxsinθz+v′sinαcosβcosθxcosθz-v′sinβsinθx]]>z=v′sinαcosβ(sinθxcosθycosθz+sinθycosθz)+v′cosαcosβ(sinθxcosθysinθz-sinθycosθz)+v′sinβcosθxcosθy.]]>7)基于五孔探针运动矢量对所测速度矢量进行矢量修正，得出基于原点绝对坐标系下的速度矢量，如图6所示。对所测速度进行修正，与五孔探针速度矢量进行合成则可以得到位于p＝[px，py，pz]的速度矢量v0：x=v′cosαcosβ(cosθycosθz+sinθxsinθysinθz)+v′sinαcosβ(sinθxsinθycosθz-cosθysinθz)+v′sinβcosθxsinθy+vx]]>y=v′cosαcosβcosθxsinθz+v′sinαcosβcosθxcosθz-v′sinβsinθx+vy]]>z=v′sinαcosβ(sinθxcosθycosθz+sinθycosθz)+v′cosαcosβ(sinθxcosθysinθz-sinθycosθz)+v′sinβcosθxcosθy+vz]]>数据记录格式为[px，py，pz，x，y，z]，数组前三位为大空间流场的位置坐标，后三位表示该位置坐标下的速度矢量。8)重复步骤2)-7)，经过对大空间内大量点的测量后，得到一组原点坐标系下不同测量点的修正速度矢量，依据位置速度矢量数据绘制该空间流场下的三维速度矢量分布图。工作原理如附图1所示，首先五孔球形探针的五个压力测点通过测压管道连接于压力变送器7上，将五孔探针1置于大空间稳态流场中，五孔探针1开始测量时设置坐标原点与五孔探针1原始正方向；通过五孔探针对稳态流场中单点进行速度矢量的测量。坐标系下的其他坐标点均通过惯性传感器4测量的加速度进行积分与坐标原点的相对位置进行确定；坐标系下其他坐标点的探针相对方向通过惯性传感器4测量的角速度进行积分与坐标原点的原始正方向的相对角度进行确定；惯性传感器4的三轴加速度计可对五孔探针在三维空间内的加速度进行测量，确定五孔探针相对于稳态流场的相对位置，三轴角速度陀螺仪可对五孔探针在三维空间内的角速度进行测量。利用惯性传感器的角速度陀螺仪所测相对角度对所测速度矢量进行坐标变换。五孔探针1在风力的作用下测压孔Ⅰ21、测压孔Ⅱ22、测压孔Ⅲ23、测压孔Ⅳ24、测压孔Ⅴ25分别产生压力信号，数据采集处理系统对五孔探针的测量量程进行自动检测，若超出五孔探针测试范围将提示调整探针迎风面。压力变送器7将五孔探针的压力参数变换为标准电信号。通过五孔探针数据处理单元8可计算得出当前点的流场的速度矢量，速度矢量包括速度的大小和方向；在数据耦合处理单元11中，对测得的速度矢量进行相对角度修正，得到坐标系下该位置点的速度矢量；通过数据记录单元11对所测该位置的速度矢量进行记录。五孔探针数据处理单元可以对压力变送器7送入的压力信号进行是否超量程判断，对超量程的点可进行判断剔除。通过惯性传感器可以对所测速度矢量的位置和角度进行快速确定，将大空间稳态流场内的速度矢量进行大量测量记录后绘制大空间稳态三维流场。以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范田由所附的权利要求书及其等效物界定。当前第1页1 2 3