一种天平分量间干扰系数校准方法与流程

本发明属于天平校准领域，涉及一种天平分量间干扰系数校准方法，用于确定天平法向力分量和俯仰力矩分量对侧向力分量的最小干扰系数。

背景技术：

在使用天平进行气动力测量的试验过程中，通常采用键和键槽配合安装的方式将天平的法向力分量方向向上固定在风洞的迎角机构上。在天平校准时，同样也是采用键和键槽配合的安装方式将天平法向力分量方向向上固定在天平校准安装座上，这样可以使天平在风洞试验测量和校准过程中保持天平绕轴的滚转角一致，理想情况下，天平在风洞试验测量和校准过程中的滚转角均为0°，以保证天平校准公式可以正确应用于风洞气动力测量试验过程中。通过键和键槽配合的方式实现天平在风洞试验测量或校准过程中的安装定位，但由于加工间隙或误差的存在，实际情况下天平在风洞试验测量和校准过程中安装的滚转角均不为0°，会存在小的滚转角，并且在这两种过程中小的滚转角通常不一致，也就是说通过键和键槽安装定位方式在滚转角控制方面存在较大的不确定性，会导致天平在风洞试验和校准过程中滚转角不一致。一方面，如果天平在风洞测量过程中存在一个小的滚转角，模型上的法向力分量和俯仰力矩分量会对天平的侧向力分量产生一个干扰分量，由于法向力分量和俯仰力矩分量在量值上远大于侧向力分量，这将导致较小的侧向力分量输出信号中包含较大的干扰输出；另一方面，当天平校准过程中安装存在滚转角度时，会导致在天平法向力分量或俯仰力矩分量的加载载荷向侧向力分量分解，由此将导致天平侧向力分量产生输出，该输出将被误认为是法向力分量或俯仰力矩分量对侧向力分量干扰输出，校准数据处理过程中扣除干扰输出就会出现扣除过量或扣除不足的问题，这将严重影响天平的校准结果，导致风洞试验测量结果数据质量变差。同时，由于在一定滚转角下法向力分量和俯仰力矩分量对侧向力分量的干扰总是存在的，由此，不可能准确测定天平真实的法向力分量对侧向力分量以及俯仰力矩分量对侧向力分量的干扰系数。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种天平分量间干扰系数校准方法。

本发明通过天平固定安装，分别改变天平法向力分量和俯仰力矩分量校准加载矢量与天平轴线的夹角，由此模拟天平安装滚转角变化状态，通过校准确定天平法向力分量和俯仰力矩分量对侧向力分量的干扰系数。同时，也确定了这两个分量间干扰系数随加载角度变化规律，通过最小二乘法的处理方法得出两个干扰系数为零时对应的两个特定的滚转角；在某一特定的滚转角下，天平法向力分量对侧向力分量的干扰系数相对较小甚至为0；同理，在另一特定的滚转角下，天平的俯仰力矩分量对侧向力分量的干扰系数也相对较小甚至为0。这两个滚转角通常是不相等的，如果将天平调整安装到上述两个特定滚转角的中间值（也就是两个滚转角的平均值），虽然天平的法向力分量对侧向力分量的干扰系数以及俯仰力矩分量对侧向力分量的干扰系数均不为0，但为一个相对较小的值，通过校准可以较容易校出这个较小的值。

在风洞试验中，将天平安装的滚转角固定在上述两个特定滚转角的平均值上，由此确保在风洞试验天平法向力分量对侧向力分量、以及俯仰力矩分量对侧向力分量间两个干扰系数处在一个较小值的状态，即将天平法向力分量和俯仰力矩分量对侧向力分量干扰系数降到综合最低，提高天平侧向力分量测量结果数据的质量；此后，在天平校准过程中，将天平安装的滚转角调整到两个特定滚转角的平均值上，由此降低天平法向力分量和俯仰力矩分量对侧向力分量的干扰系数，将两个干扰系数降到综合最小。

本发明的天平分量间干扰系数校准方法，依次包括如下步骤：

第一步，将天平侧向力分量方向向上固定安装在校准台架上，并将加载套固定在天平上，在加载套上悬挂砝码，改变加载位置，对天平偏航力矩分量进行校准，获得偏航力矩分量主系数；

第二步，在加载套上悬挂砝码，加载点位于天平的侧向力分量电气中心，改变砝码质量，对天平侧向力分量进行校准，获得侧向力分量主系数；

第三步，将加载套绕天平轴线逆时针旋转90°，使加载方向指向天平法向力分量方向，加载线一端固定在加载套上的法向力分量电气中心，另一端跨过滑轮并挂上砝码；调节滑轮前后位置，使加载线垂直于天平轴线；调节滑轮上下位置，使加载线水平；调节滑轮左右位置，使滑轮滑槽与加载点的距离l1大于3000mm，记录l1；

第四步，改变砝码质量，对天平法向力分量进行校准，记录法向力分量校准时天平侧向力分量输出信号值；

第五步，保持滑轮前后和左右位置不变，调节滑轮上下位置，降低滑轮高度范围在3mm～5mm，使加载线向下偏转一个小的角度，记录，重复进行步骤四，完成一次高度变化的校准；

第六步，重复步骤五，直到完成设定的五次到八次变化高度的校准；

第七步，将加载点从法向力分量电气中心调整到加载套头部第一个加载点；

第八步，调节滑轮前后位置，使加载线垂直于天平轴线；调节滑轮上下位置，使加载线水平；调节滑轮左右位置，使滑轮滑槽与加载点的距离l2大于3000mm，记录l2，进行俯仰力矩分量的校准，记录俯仰力矩分量校准时侧向力分量输出信号值；

第九步，保持滑轮前后和左右位置不变，调节滑轮上下位置，降低滑轮高度范围为3mm～5mm，使加载线向下偏转一个小的角度，记录，进行俯仰力矩分量的校准，记录俯仰力矩分量校准时侧向力分量输出信号值，完成一次高度变化的校准；

第十步，重复步骤九，直到完成设定的五次到八次变化高度的校准，完成一个加载点的校准；

第十一步，改变加载点的位置，重复步骤八、九、十，完成所有加载点位置的变化高度俯仰力矩分量校准；

第十二步，采用最小二乘法对天平校准数据进行处理，获得天平法向力分量和俯仰力矩分量对侧向力分量的干扰系数随滑轮高度（对应滚转角）变化规律，获得两个干扰系数为0时对应的滚转角γn和γmz

第十三步，对γn和γmz两个滚转角进行平均，得到一个平均滚转角γ，将天平校准时的滚转角调整到平均滚转角γ，获得天平法向力分量和俯仰力矩分量对侧向力分量的最小干扰系数。

在本发明中，加载线可以根据载荷的大小采用钢丝、尼龙线、棉线中的一种。

在本发明中，滑轮具有三自由度运动的功能，即垂直和平行于天平轴线以及上下升降的功能，且运动后可以定位和给出准确的位置参数。

本发明用于实现在滚转角不为零时天平校准，获得两个准确的干扰系数，同时获得两个干扰系数相对最小时天平安装滚转角度，确保天平在校准和风洞测量中，法向力分量和俯仰力矩分量对侧向力分量的干扰综合最小，提高风洞试验侧向力分量测量的数据质量。采用本发明，可以校准出在小的滚转角下的天平法向力分量和俯仰力矩分量对侧向力分量干扰系数；可以将天平法向力分量和俯仰力矩分量对侧向力分量干扰系数降到综合最低。

附图说明

图1为本发明布局的前视示意图；

图2为本发明布局的俯视示意图；

图3为天平校准加载套上加载点横向布局示意图，其外圆表面中间布置从左到右分别为第一加载点、第二加载点至第十一加载点。

图中，1.加载套，2.加载线，3.滑轮，4.砝码，5.天平。

具体实施方案

下面结合附图，对本发明的技术方案进行更为详细的介绍。

图1为本发明布局的前视示意图，图2为本发明布局的俯视示意图，图3为天平校准加载套上加载点横向布局示意图，其外圆表面中间从左到右分别布置第一加载点、第二加载点至第十一加载点。

为了便于理清逻辑关系，将天平校准过程分为以下几个阶段进行描述。第一阶段：天平校准前准备和校准天平侧向力分量和偏航力矩分量的主系数；

第一步，将校准仪器以及测量线缆等准备好，将天平校准架调平；第二步，将天平5侧向力分量方向向上安装在校准架上，并将加载套1加载方向向下固定在天平5头部传力的承载锥上，测量并记录加载套1与天平5的相对位置关系，在加载套1上通过加载线2垂直悬挂上固定质量的砝码4，改变加载线2（视加载载荷大小，加载线2可以采用钢丝或尼龙线、绳，在本发明中统称为加载线2）与加载套1连接的加载位置，对天平5偏航力矩分量进行校准，利用数据采集和处理系统，建立天平5偏航力矩分量输出值与砝码4加载距离变化关系，采用最小二乘法获得天平5偏航力矩分量主系数kmymy；第三步，将加载线2在加载套1上的位置固定在天平5法向力分量电气中心位置，改变砝码4质量，对天平5侧向力分量进行校准，利用数据采集和处理系统，建立天平5侧向力分量输出值与砝码4变化关系，采用最小二乘法获得天平5侧向力分量主系数kzz；

第二阶段：加载角度变化校准天平5法向力分量对侧向力分量干扰系数：

第一步，将天平5加载方式由砝码4垂直加载校准改为砝码4通过滑轮3水平加载校准，保持天平5安装状态与第一阶段相同，调整加载套1与天平5连接状态，也就是从天平5头部向天平5尾部看，将加载套1绕天平5轴线逆时针旋转90°，使加载方向指向天平5右边，加载线2一端固定在法向力分量电气中心的加载套1上，另一端跨过滚动摩擦系数小的滑轮3并挂上砝码4；第二步，调节滑轮3的前后、上下以及左右位置，使滑轮3与加载套1间的加载线2水平、长度大于3000mm，并与天平5轴线垂直；第三步，对天平5的法向力分量校准，砝码4载荷变化范围对应天平5法向力分量的校准范围（例如加载范围为0.5kg-25kg，可取10个载荷点，对应的载荷点可以取为0.5kg，2.5kg，5kg，7.5kg，10kg，15kg，17.5kg，20kg，22.5kg，25kg），每一个载荷点至少5次重复校准，利用数据采集和处理系统，存储和读取并记录得到天平5在当前加载角度下，每一载荷点天平5侧向力分量输出信号值及其平均值，获得天平5侧向力分量输出与法向力分量加载变化关系；第四步，保持滑轮3前后位置和左右位置不变，调节滑轮3上下位置，可降低滑轮3高度范围在3mm～5mm，使滑轮3加载线2向下偏转一个小的角度，固定滑轮3并记录滑轮3高度以及换算对应的偏转角度，在这个偏转角度下，利用跨过滑轮3的加载线2悬挂砝码4进行校准，砝码4载荷点分布同样在法向力分量校准范围内，可以与上一个偏转角度相同，也可以不同，获得天平5侧向力分量输出与法向力分量加载变化关系；此后，再重复变化五到八个偏转角度，分别获得每一偏转角度下获得天平5侧向力分量输出与法向力分量加载变化关系，由此建立不同偏转角度下天平5侧向力分量输出值与砝码4载荷变化关系，采用最小二乘法获得天平5法向力分量对侧向力分量干扰主系数knz，这个阶段利用的公式如下：

(1)

(2)

式中：vnz1和vnz2为天平5在不同偏转角下法向力分量对侧向力分量的干扰输出值，单位为mv；

m1为加载校准砝码4质量，单位为kg；

g为重力加速度，单位为m/s²；

bnz1和bnz1为最小二乘法确定的线性回归方程截距项，单位为mv；

和为不同的偏转角度。

令

，（3）

（4）

（5）

第三阶段：加载角度变化校准天平5的俯仰力矩分量对侧向力分量干扰系数：

第一步，将加载线2与加载套1上连接的加载点从法向力分量电气中心加载点位置调整到加载套1头部向后的第一个加载点并固定；第二步，调整滑轮3前后和上下位置，使加载线2垂直于天平5轴线并水平，检查滑轮3左右位置，使滑轮3滑槽与加载套1加载点的距离大于3000mm；固定滑轮3左右位置并记录滑轮3槽最高点与加载点距离l2；第三步，在加载套1上第一加载点悬挂上单一砝码4，对天平5进行俯仰力矩分量校准，利用天平5校准数据处理系统记录侧向力分量的输出，保持砝码4质量不变（如1kg或2kg），然后，降低滑轮3高度3mm至5mm，并记录，再对天平5进行俯仰力矩分量校准，重复调整滑轮3高度并校准俯仰力矩分量，直到调整进行完成设定的五次到八次变化高度的校准；第四步，将加载线2与加载套1连接的第一加载点调整到加载套1头部向后的第二个加载点（为了简化校准程序，可以在加载套1上选用适当间隔加载点，如1、2、3至11点，或1、3、5、至11点，或1、4、7、10点等，但在这里称为第二加载点）并固定，同时记录加载点位置信息，调整滑轮3上下位置，使加载线2水平，然后调整滑轮3前后位置，使加载线2与天平5轴线垂直，并检查滑轮3左右位置，使滑轮3滑槽与加载套1加载点的距离大于3000mm，此后重复本阶段的第三步，进行完成第二加载点的俯仰力矩分量校准，变化加载点的校准过程中，保持滑轮3高度调整与第一加载点完全一致，重复本阶段的第四步，完成设定的全部加载点变化高度校准俯仰力矩分量。记录所有加载点位置信息、对应的滑轮3高度信息、以及对应的天平5侧向力分量输出信号等，利用类似第二阶段第四步中计算偏转角的公式，将每一个偏转角计算出来，利用以下公式计算俯仰力矩分量对侧向力分量的干扰系数：

（6）

（7）

式中：vmzz1和vmzz2为天平5在不同偏转角下俯仰力矩分量对侧向力分量的干扰输出值，单位为mv；

为加载点距离天平法向力分量电气中心的距离，单位为m；

bmzz1和bmzz2为最小二乘法确定的线性回归方程截距项，单位为mv；

和为不同的偏转角度。

令

，（8）

（9）

（10）

（11）。