一种频率可变的高精度风洞试验数据采集方法与流程

[0001]
本发明属于风洞实验数据采集技术领域，更具体地说，本发明涉及一种频率可变的高精度风洞试验数据采集方法。


背景技术：

[0002]
目前，应用于风洞试验数据采集方法主要有单点采集、连续采集两种方法。
[0003]
单点采集是目前大多数风洞采用的试验数据采集方式。其具体方法是风洞试验开始后，风洞到达预设状态(总压、马赫数、模型攻角等到达预定值)，采集单点数据，单点数据一般为10-50次采集值平均。采集完成后，风洞调整至下一个预设状态，再采集单点数据。一般一次试验保存10个单点数据。单点数据的缺点首先为数据样本少，只有预设状态才有采集值，无法实时监测试验数据情况，其次是采集时间短，若采集数据时间段模型正在振动，攻角偏移过大，影响数据采集精准度。
[0004]
目前已有部分风洞采用连续采集方法。其具体方法是在风洞试验开始后即开始连续采集，当风洞到达预设状态(总压、马赫数、模型攻角等)，在连续数据中标注预设状态时段数据位置。优点为保存数据样本多，可实时监测试验数据情况；缺点为目前该方法都采用固定频率采集，例如采样率设置为2khz，采集点数设置为200，每0.1s采集200点数据得到一个平均数据。该方法不适合长时间保存数据，难以应用于连续式风洞。且依据人工经验设置采样率，没有验证采样率和采集点数的设置对采集精准度影响。
[0005]
不论是单点采集方案和连续采集方法，采集的数据都是经过硬件设备低频滤波的数据，这些滤波数据难以分析模型振动频率等状态信息。


技术实现要素：

[0006]
本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。
[0007]
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种频率可变的高精度风洞试验数据采集方法，包括：
[0008]
步骤一、连续式风洞运行时，根据压缩机转速进行可变频率数据保存，即当压缩机为盘车运行时，风洞此时未在试验状态，采用低频保存滤波数据；当风洞进入试验状态，采用高频保存滤波数据，同时保存非滤波数据；所采集和保存的数据为力、压力、温度中的一种或多种；
[0009]
步骤二、根据数据保存频率和采集卡的采样率能力，测试得到最佳的采样率、采集点数，具体步骤包括：
[0010]
步骤s21、进行采样率、采集点数粗筛，根据数据保存频率和采集卡的采样率能力及保存频率等于采样率除以采集点数的关系，生成该保存频率的多组采样率、采集点数方案，使用标准信号源作为输入信号，进行采集校准，得到每组采样率、采集点数的精准度；
[0011]
步骤s22、通过步骤s21得到每组采样率、采集点数的精确度后，选择其中两组精度
最高的采样率和采集点数构成上、下限，在采样率、采集点数上、下限之间设置多组该保存频率的采样率、采集点数方案，进行采样率、采集点数精筛；使用标准信号源作为输入信号，进行采集校准，选择精准度最高的采样率、采集点数的方案为该保存频率的采样率和采集点数；
[0012]
步骤s23、得到低频保存方式、高频保存方式下的最佳采样率和采集点数；
[0013]
步骤三、当风洞压缩机低转速盘车运行时，以低频保存频率对应的最佳采样率和采集点数的方案采数，并以该频率连续保存滤波数据；当风洞高转速试验状态，以高频保存频率对应的最佳采样率和采集点数的方案采数，保存滤波数据，同时以高于特定频率保存非滤波数据。
[0014]
优选的是，其中，所述低频保存滤波数据的频率为1hz～5hz；所述高频保存滤波数据的频率为10hz～60hz；所述特定频率为100hz以上。
[0015]
优选的是，其中，所述步骤s21进行采样率、采集点数粗筛的具体方法为：以采集点数1为下限，采集卡最高采样率为上限，目标保存频率为xhz，则对于设置的n组采集点数：p1,p2,...,p
n
，其中p1＝1，n≥1，每组采集点数均设置与其相对应的采样率：p1x,p2x
·
,...,p
n
x，其中，p
n
x等于采集卡最高采样率；则得到n组采集点数、采样率方案：(p1,p1x),(p2,p2x),...,(p
n
,p
n
x),以这n种方案使用标准信号源进行采集校准，得到各自的精准度。
[0016]
优选的是，其中，所述步骤s22进行采样率、采集点数精筛的具体方法为：选择(p1,p1x),(p2,p2x),...,(p
n
,p
n
x)中精准度最高的两组采集点数方案：(p
i
,p
i
x),(p
j
,p
j
x)，p
i
＜p
j
，以(p
i
,p
i
x)为下限，以(p
j
,p
j
x)为上限，自动生成n1组采样率和采集点数方案：(p
i
,p
i
x),(p
i1
,p
i1
x),...,(p
j
,p
j
x)，使用标准信号源校对这n组方案进行采集校准，得到各自的采集精准度，以精准度最高的方案为该保存频率采样率和采集点数。
[0017]
优选的是，其中，使用标准信号源进行采集校准的步骤包括：
[0018]
步骤a、使用标准信号源输出标准电压信号至采集卡上，采集卡量程为v
l
～v
h
，输出电压以v
l
为下限，v
h
为上限，依次录入t+1个间隔相等的等差电压值：v
l
，v
l
+d，...，v
l
+(t-1)d，v
h
，其中t＞10，d＝(v
h-v
l
)/t；当电压值稳定输出后，采集卡采集5次数据并保存；
[0019]
步骤b、标准信号源反方向以v
h
，v
l
+(t-1)d，...，v
l
+d，v
l
间隔序列平稳输出电压信号，采集卡采集并保存数据；
[0020]
步骤c、重复步骤a、步骤b，完成两次以上正、反方向行程的数据采集并保存；
[0021]
步骤d、以标准信号源标准输出电压值和采集卡实际采集电压值作为对比计算采样精准度。
[0022]
优选的是，其中，采集卡采集电压信号的过程为：传感器测量得到风洞试验力、压力或温度信号后，传感器将微弱电压信号传输给信号调理器，经过信号调理器对微弱电压信号进行隔离、放大后，信号调理器分别输出滤波电压信号和非滤波电压信号，滤波电压信号和非滤波电压信号被采集卡采集，最后采集卡输出数字信号至计算机。
[0023]
优选的是，其中，所述步骤d中计算采集卡精准度的方法为：标准信号源正方向输出电压值序列：
[0024]
v
l
，v
l
+d，...，v
l
+(t-1)d，v
h
，v
l
+(t-1)d，...，v
l
+d，v
l
，v
l
+d，...，v
l
+(t-1)d，v
h
，v
l
+(t-1)d，...，v
l
+d，v
l
[0025]
在每个序列值输出时，标准信号源和采集卡同时记录5次数据，标准信号源记录的
数据记录为x1，...x
20t+5
,采集卡的数据记录为y1，...y
20t+5
,使用最小二乘法对数据记录值进行线性拟合，斜率k和截距b计算公式如下：
[0026][0027][0028]
按以下公式计算得到采集数据在最小二乘法线性拟合线上样本方差s2。以样本方差s2来判断该序列采集卡数据精准度，s2越小，采集卡精准度越高：
[0029][0030]
即对于给定的保存频率和设定的粗筛采样率、采集点数方案，在每个采样率、采集点数方案下进行采集校准，并计算各组方案的采样精准度，选择其中采样精度最高的两组方案分别作为采样率、采集点数精筛的上下限，自动生成多组采样率和采集点数方案，然后再使用标准信号源进行采集校准，计算得到各组方案的采集精准度，以精准度最高的方案为该给定保存频率的最佳采样率和采集点数。
[0031]
本发明至少包括以下有益效果：
[0032]
(1)通过实验方法设置采样率/采集点数提升采集数据精准度；不同于以往的通过人工经验配置采样率和采集点数，方案通过实验验证精准度的方法,分两步得到采样率和采集点数的精确设置，保证数据的精准采集。
[0033]
(2)试验数据详实完整；风洞盘车状态下数据用于监控系统状态；风洞试验状态下滤波数据用于实时监控和试验结果计算、非滤波数据用于后期频谱计算等后期分析应用。
[0034]
(3)在保证数据质量、数量的同时，提高了储存数据利用率；风洞盘车状态下低频保存数据，试验状态下高频保存数据。
[0035]
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明：
[0036]
图1为本发明提供的频率可变的高精度风洞试验数据采集方法采样率、采集点数设置校准流程图；
[0037]
图2为本发明提供的频率可变的高精度风洞试验数据采集方法流程图；
[0038]
图3为采集卡采集风洞试验数据的流程示意图。
具体实施方式：
[0039]
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
[0040]
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多
个其它元件或其组合的存在或添加。
[0041]
需要说明的是，在本发明的描述中，术语指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0042]
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0043]
此外，在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0044]
如图1-2所示：本发明的一种频率可变的高精度风洞试验数据采集方法，包括：
[0045]
步骤一、连续式风洞运行时，根据压缩机转速进行可变频率数据保存，即当压缩机为盘车运行时，风洞此时未在试验状态，采用低频保存滤波数据；当风洞进入试验状态，采用高频保存滤波数据，同时保存非滤波数据；所采集和保存的数据为力、压力、温度中的一种或多种；
[0046]
步骤二、根据数据保存频率和采集卡的采样率能力，测试得到最佳的采样率、采集点数，具体步骤包括：
[0047]
步骤s21、进行采样率、采集点数粗筛，根据数据保存频率和采集卡的采样率能力及保存频率等于采样率除以采集点数的关系，生成该保存频率的多组采样率、采集点数方案，使用标准信号源作为输入信号，进行采集校准，得到每组采样率、采集点数的精准度；
[0048]
步骤s22、通过步骤s21得到每组采样率、采集点数的精确度后，选择其中两组精度最高的采样率和采集点数构成上、下限，在采样率、采集点数上、下限之间设置多组该保存频率的采样率、采集点数方案，进行采样率、采集点数精筛；使用标准信号源作为输入信号，进行采集校准，选择精准度最高的采样率、采集点数的方案为该保存频率的采样率和采集点数；
[0049]
步骤s23、得到低频保存方式、高频保存方式下的最佳采样率和采集点数；
[0050]
步骤三、当风洞压缩机低转速盘车运行时，以低频保存频率对应的最佳采样率和采集点数的方案采数，并以该频率连续保存滤波数据；当风洞高转速试验状态，以高频保存频率对应的最佳采样率和采集点数的方案采数，保存滤波数据，同时以高于特定频率保存非滤波数据。
[0051]
在上述技术方案中，所述低频保存滤波数据的频率为1hz～5hz；所述高频保存滤波数据的频率为10hz～60hz；所述特定频率为100hz以上。
[0052]
在上述技术方案中，所述步骤s21进行采样率、采集点数粗筛的具体方法为：以采集点数1为下限，采集卡最高采样率为上限，目标保存频率为xhz，则对于设置的n组采集点
数：p1,p2,...,p
n
，其中p1＝1，n≥1，每组采集点数均设置与其相对应的采样率：p1x,p2x
·
,...,p
n
x，其中，p
n
x等于采集卡最高采样率；则得到n组采集点数、采样率方案：(p1,p1x),(p2,p2x),...,(p
n
,p
n
x),以这n种方案使用标准信号源进行采集校准，得到各自的精准度。
[0053]
在上述技术方案中，所述步骤s22进行采样率、采集点数精筛的具体方法为：选择(p1,p1x),(p2,p2x),...,(p
n
,p
n
x)中精准度最高的两组采集点数方案：(p
i
,p
i
x),(p
j
,p
j
x)，p
i
＜p
j
，以(p
i
,p
i
x)为下限，以(p
j
,p
j
x)为上限，自动生成n1组采样率和采集点数方案：(p
i
,p
i
x),(p
i1
,p
i1
x),...,(p
j
,p
j
x)，使用标准信号源校对这n组方案进行采集校准，得到各自的采集精准度，以精准度最高的方案为该保存频率采样率和采集点数。
[0054]
在上述技术方案中，使用标准信号源进行采集校准的步骤包括：
[0055]
步骤a、使用标准信号源输出标准电压信号至采集卡上，采集卡量程为v
l
～v
h
，输出电压以v
l
为下限，v
h
为上限，依次录入t+1个间隔相等的等差电压值：v
l
，v
l
+d，...，v
l
+(t-1)d，v
h
，其中t＞10，d＝(v
h-v
l
)/t；当电压值稳定输出后，采集卡采集5次数据并保存；
[0056]
步骤b、标准信号源反方向以v
h
，v
l
+(t-1)d，...，v
l
+d，v
l
间隔序列平稳输出电压信号，采集卡采集并保存数据；
[0057]
步骤c、重复步骤a、步骤b，完成两次以上正、反方向行程的数据采集并保存；
[0058]
步骤d、以标准信号源标准输出电压值和采集卡实际采集电压值作为对比计算采样精准度。
[0059]
在上述技术方案中，如图3所示，采集卡采集电压信号的过程为：传感器测量得到风洞试验力、压力或温度信号后，传感器将微弱电压信号传输给信号调理器，经过信号调理器对微弱电压信号进行隔离、放大后，信号调理器分别输出滤波电压信号和非滤波电压信号，滤波电压信号和非滤波电压信号被采集卡采集，最后采集卡输出数字信号至计算机。
[0060]
在上述技术方案中，所述步骤d中计算采集卡精准度的方法为：标准信号源正方向输出电压值序列：
[0061]
v
l
，v
l
+d，...，v
l
+(t-1)d，v
h
，v
l
+(t-1)d，...，v
l
+d，v
l
，v
l
+d，...，v
l
+(t-1)d，v
h
，v
l
+(t-1)d，...，v
l
+d，v
l
[0062]
在每个序列值输出时，标准信号源和采集卡同时记录5次数据，标准信号源记录的数据记录为x1，...x
20t+5
，采集卡的数据记录为y1，...y
20t+5
，使用最小二乘法对数据记录值进行线性拟合，斜率k和截距b计算公式如下：
[0063][0064][0065]
按以下公式计算得到采集数据在最小二乘法线性拟合线上样本方差s2。以样本方差s2来判断该序列采集卡数据精准度，s2越小，采集卡精准度越高：
[0066][0067]
即对于给定的保存频率和设定的粗筛采样率、采集点数方案，在每个采样率、采集点数方案下进行采集校准，并计算各组方案的采样精准度，选择其中采样精度最高的两组方案分别作为采样率、采集点数精筛的上下限，自动生成多组采样率和采集点数方案，然后再使用标准信号源进行采集校准，计算得到各组方案的采集精准度，以精准度最高的方案为该给定保存频率的最佳采样率和采集点数。
[0068]
实施例：
[0069]
以目标保存频率10hz为例，以采集点数1为下限，采集卡的最高采样率500ks/s为上限，以每次采集点数乘10的方法，自动生成6组采样率和采集点数方案，如表1所示：
[0070]
表1.采样率、采集点数粗筛方案
[0071]
采样率10100100010000100000500000采集点数11010010001000050000
[0072]
使用标准信号源，对这6中方案进行采集校准，计算得到各自采样精准度；
[0073]
选择其中精准度最高的两组采样率、采集点数设置，以此为上下限，自动生成6组采样率和采集点数，使用标准信号源作为输入信号，进行采集校准，得到各组对应的精准度；例如若表1中精准度最高的两组采样率、采集点数方案分别是(100,1000)和(1000,10000)，以100采集点数下限，1000为采集点数上限，生成6组采集方案，如表2所示：
[0074]
表2.采样率、采集点数精筛方案
[0075]
采样率1000280046006400820010000采集点数1002804606408201000
[0076]
以这6组方案进行采集校准，得到各自的精准度，以精准度最高的方案为10hz保存频率下的采样率和采集点数。
[0077]
按照上述方法，校准得到低频保存方式，例如1hz、2hz、3hz、4hz、5hz，和高频保存方式，例如10hz、20hz、30hz、40hz、50hz、60hz的最佳采样率和采集点数。
[0078]
采样率、采集点数精准度设置流程图如图1所示。根据各保存频率下校准得到的采样率、采集点数，设置各自高频保存方式、低频保存方式的最佳采样率和采集点数进行风洞试验数据采集，如图2所示。
[0079]
图2中，连续式风洞运行时，根据压缩机转速进行可变频率数据保存，当压缩机转速在70以下时，压缩机为盘车运行，风洞此时未在试验状态，采用低频保存方式，以1hz至5hz频率保存数据。当压缩机转数在70以上，判断风洞进入试验状态，采用高频保存方式，以10hz至60hz频率保存数据。
[0080]
在风洞试验状态下，在保证滤波数据的同时，以100hz以上以上的采集频率连续保存非滤波采集数据。
[0081]
这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
[0082]
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地
实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。