风洞天平终端姿态测量装置及其在天平校准上的方法与流程

文档序号：18406209发布日期：2019-08-10 00:24阅读：431来源：国知局

本发明属于风洞天平校准技术领域，具体涉及一种风洞天平终端姿态测量装置及其在天平校准上的方法。

背景技术：

风洞天平校准是风洞天平应用的主要环节之一，其目的是通过风洞天平校准得到风洞天平输入输出之间的关系矩阵。在风洞天平实际使用时，通过校准得到的风洞天平输入输出之间的关系矩阵、风洞天平输出，才能反算得到风洞天平的输入，即有效的气动力载荷。风洞天平的校准过程是一个模拟风洞天平使用状态的过程，风洞天平校准时，校准设备给风洞天平施加精确的设计载荷，通过数据采集仪器采集得到风洞天平的输出，从而进行风洞天平输入输出关系矩阵的计算。风洞天平的校准设备有诸多种类，不同的种类各具优势，其中单矢量多元校准设备由于具有设备结构及控制简单、可靠性高、研制成本低等特点受到关注。

风洞天平单矢量多元校准是指仅使用单一力矢量完成风洞天平的多元校准。单矢量校准中，通过改变力矢量在风洞天平体轴坐标系上的方向和作用点，使得力矢量在风洞天平体轴坐标系上进行投影，产生三个坐标轴方向的力分量，分别是轴向力、法向力、侧向力，同时产生三个坐标轴方向的力矩分量，分别是俯仰力矩、偏航力矩、滚转力矩。单矢量多元校准方法可以分为两类，一类是风洞天平固定，通过设备产生方向作用点可变且可控的力矢量作用于风洞天平；另一类是采用砝码重力作为力矢量，通过设备改变风洞天平姿态以及位置，从而实现砝码重力的方向、作用点与风洞天平达到校准需要的状态。由于重力方向始终沿铅垂方向，所以采用砝码重力作为力矢量，通过设备改变风洞天平姿态以及位置的单矢量多元校准方法被普遍应用。在具体应用中，风洞天平的姿态较多的采用激光系统进行测量，具有很高的精度，但成本昂贵，且存在测量范围较小的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种风洞天平终端姿态测量装置及其在天平校准上的方法，解决风洞天平终端姿态的精确测量及对风洞天平校准的问题。

本发明的技术方案如下：一种风洞天平终端姿态测量装置，该装置包括安装座以及加速度计，其中，加速度计包括滚转角加速度计ⅰ、俯仰角加速度计以及滚转角加速度计ⅱ三种加速度计；安装座为壳体结构，其包括安装基准面、俯仰基准面、滚转基准面i和滚转基准面ii，其中，安装基准面为平面板状结构；在安装基准面两侧，并与安装基准面相垂直连接，形成三角形平板结构的滚转基准面ii，并在滚转基准面ii上设有滚转角加速度计ii；在与安装基准面及滚转基准面ii均垂直连接的平板结构形成滚转基准面i，其所述的滚转基准面i上设有滚转角加速度计ⅰ；俯仰基准面为平板结构，其与滚转基准面i垂直相连接，并与安装基准面相垂直，在所述的俯仰基准面上设有俯仰角加速度计。

所述的安装基准面上开有若干个均匀分布的安装螺钉孔。

所述的滚转角加速度计ⅰ、俯仰角加速度计以及滚转角加速度计ⅱ均为绕性石英加速度计。

所述的俯仰基准面上设有接插件，所述的接插件通过内部走线与所述的滚转角加速度计ⅰ、俯仰角加速度计以及滚转角加速度计ⅱ的输入输出相连接。

所述的安装基准面上开有定位销钉孔，所述的定位销钉孔至少含2个。

一种风洞天平终端姿态测量装置在天平校准上的方法，该方法具体包括如下步骤：

步骤1、将风洞天平终端姿态测量装置安装在待校准的风洞天平上；

步骤2、利用在天平加载套上加载砝码，获得不同加速度计的输出电压；

步骤3、利用不同加速度计的输出电压获得风洞天平终端滚转角度；

步骤4、利用砝码重量矢量在风洞天平体轴坐标系的分解，对风洞天平进行校准；

利用砝码重量矢量在风洞天平体轴坐标系的分解获得的轴向力af、法向力nf、侧向力sf、俯仰力矩pm、偏航力矩ym和滚转力矩rm，对天平进行校准。

所述的步骤1具体包括：

步骤1.1、将风洞天平终端姿态测量装置安装在支杆上；

步骤1.2、在支杆上安装天平，并将天平加载套安装在天平上；

步骤1.3、利用安装基准面上的安装螺钉孔和定位销钉孔，将风洞天平终端姿态测量装置定位在天平加载套的前端；

所述的步骤2具体包括：

步骤2.1、在天平加载套上的砝码挂载点上挂载砝码；

步骤2.2、分别测量滚转角加速度计i、俯仰角加速度计以及滚转角加速度计ii的输出电压。

所述的步骤3具体包括：

步骤3.1、根据不同加速度计测量获得的输出电压值，分别获得不同加速度计所对应的测量角度；

根据滚转角加速度计ⅰ、俯仰角加速度计以及滚转角加速度计ⅱ输出的测量电压，利用各个加速计输出电压与测量角度的对应关系，获得滚转角度iγ1、滚转角度ⅱγ2和风洞天平终端俯仰角度α；

步骤3.2、利用不同加速度计获得的测量角度，获得风洞天平终端的滚转角度；

以滚转角度ⅱγ2＝0为起点，天平滚转角在-45°～45°和135～225°时，γ＝γ2，否则γ＝γ1。

所述的步骤4具体包括：

将砝码重力矢量在风洞天平体轴坐标系分解，其分解公式为：

af＝g·sinα

nf＝g·cosα·cosγ

sf＝g·cosα·sinγ

pm＝nf·δlx

ym＝sf·δlx+af·δly

rm＝nf·δly

其中，天平校准所需的输入载荷，分别是轴向力af、法向力nf、侧向力sf、俯仰力矩pm、偏航力矩ym和滚转力矩rm，g为砝码重力大小，δlx为重力矢量作用点与风洞天平校准中心的轴向距离差，δly为重力矢量作用点与风洞天平校准中心的横向距离差。

利用获得轴向力af、法向力nf、侧向力sf、俯仰力矩pm、偏航力矩ym和滚转力矩rm，对天平进行校准。

本发明的显著效果在于：本发明所述的一种风洞天平终端姿态测量装置及其在天平校准上的方法，通过三个挠性石英加速度计及特别设计的三挠性石英加速度计相互位置关系，实现了本发明的风洞天平终端姿态测量装置在天平校准上的应用。本发明的风洞天平终端姿态测量装置在风洞天平单矢量多元校准时，在大量程范围实现风洞天平终端俯仰角度和滚转角度的精确测量，俯仰角度测量量程±45°，滚转角度测量量程±180°，测量精度优于1′，在满足风洞天平终端姿态测量精度的同时，具有结构更加简单，成本更低的优点。

附图说明

图1为本发明所述的一种风洞天平终端姿态测量装置结构示意图；

图2为本发明所述的一种风洞天平终端姿态测量装置的敏感轴位置关系示意图；

图3为本发明所述的一种风洞天平终端姿态测量装置的使用安装示意图；

图中：1、安装座；2、滚转角加速度计ⅰ；3、俯仰角加速度计；4、滚转角加速度计ⅱ；5、接插件；6、加载套；7、支杆；8、砝码挂载点；9、滚转角加速度计ⅰ敏感轴；10、俯仰角加速度计敏感轴；11、滚转角加速度计ⅱ敏感轴；12、安装螺钉孔；13、定位销钉孔。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，一种风洞天平终端姿态测量装置，包括安装座1、加速度计以及接插件5，其中，加速度计包括滚转角加速度计ⅰ2、俯仰角加速度计3以及滚转角加速度计ⅱ4三种加速度计，其均为绕性石英加速度计；安装座1为壳体结构，包括安装基准面、俯仰基准面、滚转基准面i和滚转基准面ii，其中，安装基准面为平面板状结构，其上开有若干均匀分布的安装螺钉孔12以及定位销钉孔13，其中定位销钉孔13的数量大于等于2，安装基准面位于xyz空间坐标系中与xz平面相平行；在安装基准面的两侧为与yz平面相平行的两个滚转基准面ii，其中，滚转基准面ii为三角形平板结构，并在滚转基准面ii上安装有滚转角加速度计ii4；在与安装基准面、滚转基准面ii同时垂直相连所形成与xy平面相平行的滚转基准面i，其中，滚转基准面i为矩形平板结构，在其上安装有滚转角加速度计ⅰ2；在与滚转基准面i长边相连接，并与安装基准面平行，形成俯仰基准面，其中，俯仰基准面为矩形平板结构，在其上安装有俯仰角加速度计3以及接插件5，通过接插件5将滚转角加速度计ⅰ2、俯仰角加速度计3以及滚转角加速度计ⅱ4的输入输出通过内部走线汇总在接插件5上；

如图2所示，滚转角加速度计ⅰ2的滚转角加速度计ⅰ敏感轴9和滚转角加速度计ⅱ4的滚转角加速度计ⅱ敏感轴11相互垂直，且平行于xz平面内；俯仰角加速度计3的俯仰角加速度计敏感轴10与y轴平行；

如图3所示，本发明所述的一种风洞天平终端姿态测量装置安装在支杆7上，在支杆7上安装天平，并在天平上安装天平加载套6，并通过安装基准面上的安装螺钉孔12和定位销钉孔13，将风洞天平终端姿态测量装置定位并安装在天平加载套的前端；在天平加载套6上的砝码挂载点8上通过大力马线挂载砝码，砝码静止后打开风洞天平终端姿态测量装置的电压表分别测量滚转角速度计ⅰ(2)、俯仰角加速度计(3)、滚转角加速度计ⅱ(4)的输出电压。