一种五孔探针的标定方法与流程

本发明涉及工程测量技术领域，特别涉及一种五孔探针的标定方法。

背景技术：

五孔探针是测量复杂三维流场标量和矢量特性的常用手段，因其精度高，设备简单，成本低等优点被广泛应用。现有的基于五孔探针的流场测量技术采用线性插值法，但在实际的流场测量中，线性插值方法对于变化的流场没有很好的适应性，ma超出标定ma一定范围将存在较大误差，实际测量中往往需进行大量的标定实验，人力时间成本高。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足，提供一种五孔探针的标定方法。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种五孔探针的标定方法，所述标定方法包括：

基于若干标定马赫数的特征曲线，分别确定马赫数与各特征参数的函数关系，其中，若干标定马赫数均处于待标定范围，各特征参数包括俯仰方向校正系数、偏转方向校正系数、总压校准系数以及静压校准系数；

基于所述马赫数与各特征参数的函数关系，确定所述待标定范围内各马赫数的特征曲线。

所述五孔探针的标定方法，其中，所述若干标定马赫数中各标定马赫数包括若干角度位置信息的特征参数，各标定马赫数包括的若干角度位置信息一一对应，并且若干角度位置信息中的每个角度位置信息均对应有马赫数与该各角度位置信息的各特征参数的函数关系，其中，所述角度位置信息包括俯仰角和偏转角。

所述五孔探针的标定方法，其中，所述马赫数与各特征参数的函数关系均为一元多次函数，并且所述各特征参数对应的一元多次函数的拟合阶数相同。

所述五孔探针的标定方法，其中，所述基于所述马赫数与各特征参数的函数关系，确定所述待标定范围内各马赫数的特征曲线具体包括：

对于预设范围内的一待标定马赫数，获取角度位置信息对应的所述马赫数与各特征参数的函数关系，其中，所述角度位置信息包括俯仰角和偏转角；

对于每个角度位置信息，根据该角度位置信息对应的马赫数与各特征参数的函数关系，确定角度位置信息对应的各特征参数；

基于获取到所有角度位置信息对应的各特征参数，确定该待定马赫数的特征曲线。

一种五孔探针数据处理方法，所述方法包括：

对于测量点的测量数据，分别记录五孔探针的五孔压力值，并所述五孔压力值计算该测量点对应的各特征参数，其中，各特征参数包括俯仰方向校正系数、偏转方向校正系数、总压校准系数以及静压校准系数；

设定初始马赫数，根据所述初始马赫数以及特征参数对应的特征曲线确定目标总压和目标静压，并利用气体关系转换成目标马赫数；

若目标马赫数与初始马赫数的差值大于预设差值阈值，则将目标马赫数作为初始马赫数，根据所述俯仰角以及偏转角选取马赫数与各特性参数的函数关系，并基于选取到的函数关系确定初始马赫数对应的俯仰方向校正系数以及偏转方向校正系数；

继续执行根据所述初始马赫数以及各特性参数确定目标总压和目标静压的步骤，直至所述差值小于或等于预设差值阈值。

所述五孔探针数据处理方法，其中，若目标马赫数与初始马赫数的差值小于或等于预设差值阈值，则将所述目标马赫数作为该测量数据对应的马赫数。

所述五孔探针数据处理方法，其中，所述方法包括：

基于该测量数据对应的马赫数，确定该测量点对应的场流参数。

所述五孔探针数据处理方法，其中，所述所述设定初始马赫数，根据所述初始马赫数以及特征参数对应的特征曲线确定目标总压和目标静压，并利用气体关系转换成目标马赫数具体包括：

设定初始马赫数，根据所述初始马赫数、俯仰方向校正系数以及偏转方向校正系数确定俯仰角以及偏转角；

根据所述俯仰角以及所述偏转角确定目标总压特性系数以及目标静压特性系数；

根据目标总压特性系数和目标静压特性系数计算目标总压和目标静压，并利用气体关系转换成目标马赫数。

一种流场测试系统，其包括上位机以及测试组件；所述测试组件与所述上位机相连接，所述测试组件用于采集五孔压力数据；所述上位机用于执行如上任一所述的五孔探针数据处理方法的步骤。

一种流场测试系统，所述上位机用于执行如上任一所述的五孔探针的标定方法。

有益效果：与现有技术相比，本发明公开了一种五孔探针的标定方法，所述方法基于若干标定马赫数的特征曲线，分别确定马赫数与各特征参数的函数关系；基于所述马赫数与各特征参数的函数关系，确定所述待标定范围内各马赫数的特征曲线。本发明通过在每个马赫数的若干角度位置信息下进行标定，对于每个角度位置信息，基于各马赫数在该角度位置信息下的特征参数，确定该角度信息下马赫数与特征参数对应的函数关系，并基于该函数关系确定待标定马赫数在各角度位置信息的特征参数，测量时马赫数由初始值通过振荡逼近真实值，直到满足精度要求。这样在保证精度的前提下，实现了对一个马赫区间的标定，减少了五孔探针在使用前的标定工作量，扩大了五孔探针的使用范围。

附图说明

图1为本发明提供的五孔探针的标定方法的流程图。

图2为本发明提供的五孔探针的结构原理图。

图3为本发明提供的五孔探针的标定方法中一阶、三阶以及五阶对若干标定马赫数对应的特征参数的拟合曲线。

图4为本发明提供的五孔探针的标定方法中二阶、四阶以及六阶对若干标定马赫数对应的特征参数的拟合曲线。

图5为本发明提供的五孔探针的标定方法中马赫数对应的方向校准系数特征曲线的示意图。

图6为本发明提供的五孔探针的标定方法中方向校准系数特征曲线的拟合插值图。

图7为本发明提供的五孔探针数据处理方法中总压校准系数特征曲线以及静压校准系数特征曲线的示意图。

图8为本发明提供的五孔探针数据处理方法的流程示意图。

具体实施方式

本发明提供一种五孔探针的标定方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或无线耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

如图1和图2所示，本实施提供了一种五孔探针的标定方法，所述方法可以包括以下步骤：

s10、基于若干标定马赫数的特征曲线，分别确定马赫数与各特征参数的函数关系，其中，若干标定马赫数均处于待标定范围，各特征参数包括俯仰方向校正系数、偏转方向校正系数、总压校准系数以及静压校准系数。

具体地，所述若干标定马赫数中各马赫数互不相同，并且各标定马赫数均处于待标定范围内。其中，所述待标定范围为马赫数范围，例如，0-1等。在一个实现方式中，所述若干标定马赫数中包括所述马赫数范围的起始马赫数以及结束马赫数，以便于通过插值法确定待标定范围内各马赫数对应的特征曲线时，可以减少插值和实际值的误差，提高拟合效果。

所述若干标定马赫数均若干角度位置信息的特征参数，其中，所述角度位置信息包括俯仰角和偏转角。可以理解的是，对于每个马赫数，该马赫数对应一个特征参数集，特征参数集中包括若干组特征参数，每组特征参数确定五孔探针的一个角度位置信息，即每个角度位置信息对应一个组特征参数。此外，各标定马赫数包括的若干角度位置信息一一对应，例如，若干标定马赫数包括0.2马赫和0.5马赫，0.2马赫对应有角度位置信息(α1，β1)和角度位置信息(α2，β2)，其中，α1，α2表示偏转角，β1、β2表示俯仰角，那么0.5马赫对应有角度位置信息(α1，β1)和角度位置信息(α2，β2)。相应的，0.2马赫对应有特征参数(kα1，kβ1，cpt1，cps1)和特征参数(kα2，kβ2，cpt2，cps2)，其中，kα1，kα2表示偏转方向校正系数，kβ1、kβ2表示俯仰方向校正系数，cpt1、cpt2表示总压校准系数，cps1、cps2表示静压校准系数，那么0.5马赫对应有特征参数(kα1，kβ1，cpt1，cps1)和特征参数(kα2，kβ2，cpt2，cps2)，当然，值得说明的是，0.2马对应的特征参数与0.5马赫对应的特征参数可以不同，这里就是用符号表示说明，不并表示0.2马赫对应的特征参数和0.5马赫对应的特征参数相同。

进一步，所述马赫数与各特征参数的函数关系均为一元多次函数，并且所述各特征参数对应的一元多次函数的拟合阶数相同。可以理解的是，对于每个角度位置信息，马赫数与所述偏转方向校正系数确定一元多次函数，马赫数与所述俯仰方向校正系数确定一元多次函数，以形成一组一元多次函数，其中，偏转方向校正系数对应的一元多次函数、俯仰方向校正系数对应的一元多次函数、总压校准系数对应的一元多次函数以及静压校准系数对应的一元多次函数的拟合阶数相同。可以理解的是，对于每个角度位置信息，将该角度位置信息对应的一元多次函数组是根据各标定马赫数中该角度位置信息对应的特征参数进行拟合得到。由此，基于若干标定马赫数确定的一元多次函数为一元多次函数集，一元多次函数集中包括若干一元多次函数组，每组一元多次函数组对应一个角度位置信息。

进一步，在本实施例的一个实现方式中，所述一元多次函数可以通过最小二乘法拟合得到，即对于每个角度位置信息下的若干标定马赫以及各标定马赫的特征参数(kα，kβ，cpt，cps)，利用最小二乘法寻找特征参数与马赫数之间的对应关系，以建立马赫数与特征参数之间的函数关系，其中，kα表示偏转方向校正系数，kβ表示俯仰方向校正系数，cpt表示总压校准系数，cps表示静压校准系数。

进一步，所述一元多次函数可以表示为：

y＝a0+a1n+a2n²+a3n³+...+akn^k

其中，a0，a1，a2，a3，...，ak为多项式系数，k为拟合阶数，n为马赫数，y为俯仰方向校正系数kβ、偏转方向校正系数kα，总压校准系数cpt以及静压校准系数cps。

进一步，由于一元多次函数的拟合阶数k对拟合精度影响较大，从而拟合阶数k需要满足如下原则：1、不选高阶，因为高阶多项式虽然更贴合数据点，但在数据点之间存在较大振荡，数据的拟合效果并不好，插值结果不准确；2、不选低阶，因为阶数太低，数据点离曲线较远，插值结果与实际值也偏差较大。由此，在本实施例的一个实现方式中，所述拟合阶数可以为2阶、3阶或4阶中一种。例如，如图3和4所示，对一组六个马赫数下同kα、kβ点的特征值进行一阶、二阶、三阶、四阶、五阶以及六阶拟合，可以得到一阶和六阶的拟合效果不好。

此外，在实际应用中，所述阶数可以根据确定拟合函数的马赫数的数量来确定，以使得拟合得到的一元多次函数精度更高，并且拟合阶数可以随着标定马赫数的增加而增加。例如，对0.2、0.8两个马赫数下所对应特性曲线进行一阶拟合；对于0.2、0.5、0.8三个马赫数下所对应特性曲线进行二阶拟合；对于0.2、0.4、0.7、0.8四个马赫数下所对应特性曲线进行三阶拟合；对于0.2、0.4、0.5、0.7、0.8五个马赫数下所对应特性曲线进行三阶拟合；对于0.2、0.3、0.4、0.5、0.7、0.8六个马赫数下所对应特性曲线进行四阶拟合。在本实施例的一个具体实现方式中，权衡考虑节约时间与保证精度时，在亚声速流场测量区间，对三个马赫数下的特性曲线进行三维非线性拟合便可完成整个区间的标定。

s20、基于所述马赫数与各特征参数的函数关系，确定所述待标定范围内各马赫数的特征曲线。

具体地，对于待标定范围内的各马赫数，基于马赫数与各特征参数的函数关系，确定标定马赫数中各角度位置信息对应的各特征参数。可以理解的是，对于每个待标定范围内的待标定马赫数，分别获取各角度位置信息对应的一元多次函数组，基于获取到的一元多次函数组确定待标定马赫数的特征参数，在获取到所有角度位置信息对应的特征参数后，可以确定待标定马赫数对应的特征曲线，其中，所述特征曲线包括方向校准系数特征曲线，总压校准系数特征曲线以及静压校准系数曲线。例如，对于俯仰角校准系数和偏转角校准系数，将各相邻两个特征参数点相邻即得到待标定马赫数对应的如图6所示的方向校准系数特征曲线。对于总压校准系数以及静压校准系数，总压校准系数特征曲线以及静压校准系数曲线可以如图7所示。当然，值得说明的是，待标定马赫数对应的各角度位置信息是根据基于若干标定马赫数建立的一元多次函数集中各一元多次函数组对应的角度位置信息确定。也就是说，分别将待标定马赫带入一元多次函数集中的各一元多次函数组，即可以得到所有角度位置信息对应的特征参数。例如，如图5所示，0.6马赫、0.8马赫和1马赫为特征曲线为标定马赫的特征区域；0.9马赫的特征曲线为基于马赫数与各特征参数的函数关系生成的方向校准系数特征曲线。

基于上述五孔探针的标定方法，如图8所示，本实施例还提供了一种五孔探针数据处理方法，所述方法还包括：

h10、对于测量点的测量数据，分别记录五孔探针的五孔压力值，并所述五孔压力值计算该测量点对应的各特征参数，其中，各特征参数包括俯仰方向校正系数、偏转方向校正系数、总压校准系数以及静压校准系数；

h20、设定初始马赫数，根据所述初始马赫数以及特征参数对应的特征曲线确定目标总压和目标静压，并利用气体关系转换成目标马赫数；

h30、若目标马赫数与初始马赫数的差值大于预设差值阈值，则将目标马赫数作为初始马赫数，根据所述俯仰角以及偏转角选取马赫数与各特性参数的函数关系，并基于选取到的函数关系确定初始马赫数对应的俯仰方向校正系数以及偏转方向校正系数；

h40、继续执行根据所述初始马赫数以及各特性参数确定目标总压和目标静压的步骤，直至所述差值小于或等于预设差值阈值。

具体地，所述五孔压力值分别记为p1、p2、p3、p4以及p5，在获取到五孔压力值后，可以根据五孔压力值与俯仰方向校正系数的对应关系，以及五孔压力值与偏转方向校正系数的对应关系，计算得到偏转方向校正系数以及俯仰方向校正系数，其中，偏转方向校正系数与五孔压力值的对应关系以及俯仰方向校正系数与五孔压力值的对应关系的表达式可以分别为：

其中，为1、3、4以及5孔的平均压力，

进一步，所述初始马赫数可以为预先设定，所述初始马赫数可以为若干标定马赫数中，也可为预设标定范围内的任一马赫数。可以理解的是，可以在若干标定马赫数中选取一个标定马赫数作为预先设的初始马赫数，或者在预设标定范围内选取一马赫数作为初始马赫数，当需要对测量点的测量数据进行处理时，采用预先设的初始马赫数作为初始马赫数；也可以当需要对测量点的测量数据进行处理时，在若干标定马赫数中随机选取一个标定马赫数作为初始马赫数。此外，在确定初始马赫数之后，可以根据初始马赫数对应的特性曲线作为初次计算的校准文件，利用线性差值确定来流的俯仰角以及偏转角；并基于俯仰角、偏转角、总压校准系数以及静压校准系数的目标总压和目标静压，以便于根据目标总压和目标静压计算得到目标马赫数。

在本实施例的一个具体实现方式中，所述设定初始马赫数，根据所述初始马赫数以及各特性参数确定俯仰角、偏转角、目标总压和目标静压，并利用气体关系转换成目标马赫数具体包括：

设定初始马赫数，根据所述初始马赫数、俯仰方向校正系数以及偏转方向校正系数确定俯仰角以及偏转角；

根据所述俯仰角以及所述偏转角确定目标总压特性系数以及目标静压特性系数；

根据目标总压特性系数和目标静压特性系数计算目标总压和目标静压，并利用气体关系转换成目标马赫数。

具体地，在设定初始马赫数后，可以确定初始马赫数对应的俯仰方向校正系数以及偏转方向校正系数对应的方向校准系数曲线，以确定偏转角以俯仰角。在确定偏转角和俯仰角后，可以根据初始马赫数对应的总压校准系数曲线以及静压校准系数曲线确定总压校准系数以及静压校准系数。此外，在确定目标总压校准系数和目标静压校准系数后，基于目标总压校准系数和目标静压校准系数的关系式可以确定目标总压和目标静压，其中，目标总压校准系数cpt与目标总压pt的关系式，以及目标静压校准系数cps与目标静压ps的关系式分别为：

进一步，在确定目标总压和目标静压后，根据目标总压和目标静压确定目标马赫数的关系式可以为：

其中，ma为马赫数，a、b为系数，例如，a＝5，b＝3.5等；pa为标准大气压。

进一步，在确定目标总压和目标静压后，根据得到目标总压和目标静压计算得到目标马赫数，基于马赫数与特征参数的函数关系得到该马赫数下的特性曲线，并将该目标马赫数与初始马赫数的差值与预设差值阈值进行比较，若差值大于预设差值阈值，则将该目标马赫数作为初始马赫数，并基于马赫数与特征参数的对应关系更新偏转方向校正系数以及俯仰方向校正系统，并重新执行计算根据所述初始马赫数、俯仰方向校正系数以及偏转方向校正系数确定目标总压特性系数、目标静压特性系数、俯仰角以及偏转角的步骤，以不断震荡逐渐逼近真实的来流马赫数，直至所述差值小于或等于预设差值阈值。

进一步，当偏转角、目标总压若目标马赫数与初始马赫数的差值小于或等于预设差值阈值，则将所述目标马赫数作为该测量数据对应的马赫数；并基于该测量数据对应的马赫数，确定该测量点对应的场流参数。其中，场流参数包括场流速度，所述场流速度的计算公式可以为：

其中，t为温度。

进一步，根据间接测量的误差传递公式可以得到场流速度误差σv：

其中，σt表示温度误差，为总压误差，为静压误差。

所述总压误差、静压误差、偏转角误差以及俯仰角误差的表达式可以分别为：

基于上述实施例，本实施例还提供了一种流场测试系统，其包括上位机以及测试组件；所述测试组件与所述上位机相连接，所述测试组件用于采集五孔压力数据；所述上位机用于执行如上述实施例所述的五孔探针数据处理方法的步骤和/或执行如上述实施例所述的五孔探针的标定方法。

此外，上述上位机的具体工作过程在上述方法中已经详细说明，在这里就不再一一陈述。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。