一種低速風(fēng)洞模型位姿超聲測(cè)量系統(tǒng)及對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)和標(biāo)定的移測(cè)架的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及風(fēng)洞試驗(yàn)領(lǐng)域，尤其是涉及一種低速風(fēng)洞模型位姿超聲測(cè)量系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷奈蛔?位置和姿態(tài))是低速風(fēng)洞試驗(yàn)過(guò)程中要求獲取的關(guān)鍵參數(shù)之一，其精度對(duì)試驗(yàn)有著非常重要的意義。在低速風(fēng)洞試驗(yàn)過(guò)程中，目前常用的模型位姿測(cè)量方法包括支撐機(jī)構(gòu)名義值替代法、激光光柵測(cè)量法、重力加速度傳感器測(cè)量法、陀螺儀測(cè)量法、圖像測(cè)量法和光電位置靈敏探測(cè)器測(cè)量法等六種方法，由于每種方法本身特性的限制，每種方法都或多或少存在一些問(wèn)題或缺陷，到目前為止尚未找到能提供完整的位姿參數(shù)(三個(gè)線(xiàn)位移方向的位置參數(shù)和三個(gè)航空次序歐拉角的姿態(tài)參數(shù))、又能適用于各種試驗(yàn)環(huán)境(如結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)的低溫、負(fù)壓和高濕度等)和安裝環(huán)境(直流式風(fēng)洞、回流式風(fēng)洞、開(kāi)口試驗(yàn)段和閉口試驗(yàn)段)等的測(cè)量方法。
[0003]超聲波是指頻率高于20kHz的聲波，目前已經(jīng)在檢測(cè)超聲、功率超聲和醫(yī)學(xué)超聲等方面應(yīng)用很廣。其中，超聲測(cè)距是通過(guò)測(cè)量超聲波在媒質(zhì)中某一空間傳播的時(shí)間和該媒質(zhì)中的聲速來(lái)確定被測(cè)空間距離的一項(xiàng)主要的檢測(cè)超聲技術(shù)應(yīng)用。但從目前應(yīng)用情況來(lái)看，由于在超聲測(cè)距中將聲速作為常數(shù)處理，另外由于多普勒效應(yīng)的影響，而使得超聲測(cè)距的精度并不高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種低速風(fēng)洞模型位姿超聲測(cè)量系統(tǒng)，完成在風(fēng)洞中對(duì)被測(cè)模型完整的位姿參數(shù)的測(cè)量。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0006]—種低速風(fēng)洞模型位姿超聲測(cè)量系統(tǒng)，包括控制器，精密穩(wěn)壓電源，和通過(guò)線(xiàn)纜分別與控制器連接的目標(biāo)超聲傳感器、信標(biāo)超聲傳感器和實(shí)時(shí)聲速測(cè)量傳感器等。其中目標(biāo)超聲傳感器固定設(shè)置在被測(cè)模型上，目標(biāo)超聲傳感器不少于四個(gè);信標(biāo)超聲傳感器固定設(shè)置在低速風(fēng)洞試驗(yàn)段的內(nèi)壁面上，且信標(biāo)超聲傳感器分布在被測(cè)模型的四周，信標(biāo)超聲傳感器不少于四個(gè);被測(cè)模型上的至少三個(gè)目標(biāo)超聲傳感器能與風(fēng)洞內(nèi)壁上的至少四個(gè)信標(biāo)超聲傳感器配對(duì)實(shí)現(xiàn)相互之間距離的直接測(cè)量;實(shí)時(shí)聲速測(cè)量傳感器固定設(shè)置在低速風(fēng)洞試驗(yàn)段的內(nèi)壁面上，且實(shí)時(shí)聲速超聲傳感器分布在被測(cè)模型的四周，實(shí)時(shí)聲速超聲傳感器應(yīng)兩兩配對(duì)設(shè)置，配對(duì)的兩個(gè)實(shí)時(shí)聲速超聲傳感器之間無(wú)隔擋物，使得聲波能在兩個(gè)超聲傳感器之間能沿直線(xiàn)傳播。
[0007]在風(fēng)洞試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)信標(biāo)超聲傳感器利用測(cè)邊空間后方交會(huì)獲得模型上3個(gè)或3個(gè)以上目標(biāo)超聲傳感器在風(fēng)洞坐標(biāo)軸系上的坐標(biāo)，再利用這些目標(biāo)超聲傳感器在模型坐標(biāo)軸系上的坐標(biāo)求解出此時(shí)模型坐標(biāo)軸系與風(fēng)洞坐標(biāo)軸系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣，包括旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移矩陣T，平移矩陣T即為模型的位置(XQ，yQ，ZQ)，再對(duì)旋轉(zhuǎn)矩陣求解即可求出模型的姿態(tài)角(包括偏航角ψ、俯仰角Θ和滾轉(zhuǎn)角Φ)，即可獲得低速風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ痛丝掏暾奈蛔藚?shù)。在試驗(yàn)過(guò)程中，系統(tǒng)通過(guò)風(fēng)洞主控系統(tǒng)的指令完成被測(cè)模型位姿實(shí)時(shí)測(cè)量并將測(cè)量結(jié)果隨時(shí)反饋給風(fēng)洞主控系統(tǒng)，從而完成低速風(fēng)洞模型位姿的實(shí)時(shí)測(cè)量。
[0008]上述所有傳感器均為接收發(fā)送一體式的超聲傳感器;控制器設(shè)置在低速風(fēng)洞外的運(yùn)行控制間內(nèi)，用于超聲傳感器供電的精密穩(wěn)壓電源不少于一組，目標(biāo)超聲傳感器所用的精密穩(wěn)壓電源可設(shè)置在被測(cè)模型腔體內(nèi)部。
[0009]為了提高測(cè)量精度，其中目標(biāo)超聲傳感器設(shè)置在被測(cè)模型上變形小的位置，且目標(biāo)超聲傳感器不能設(shè)置在被測(cè)模型坐標(biāo)軸系的坐標(biāo)原點(diǎn)。
[0010]—種用于低速風(fēng)洞模型位姿超聲測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)和標(biāo)定的移測(cè)架，移測(cè)架由X向直線(xiàn)模組、Y向直線(xiàn)模組、Z向直線(xiàn)模組、校準(zhǔn)超聲傳感器固定支架和控制器等組成。其中Z向直線(xiàn)模組為兩套，每套Z向直線(xiàn)模組的基座分別固定在試驗(yàn)段的上壁板和下壁板上，Z向直線(xiàn)模組上設(shè)置有運(yùn)動(dòng)部件，運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)方向鉛垂且與風(fēng)洞坐標(biāo)軸系的Z向平行;Y向直線(xiàn)模組的基座兩端各自固定在兩套Z向直線(xiàn)模組的運(yùn)動(dòng)部件上，Y向直線(xiàn)模組上的運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)方向與風(fēng)洞坐標(biāo)軸系的Y向平行;X向直線(xiàn)模組的基座固定在Y向直線(xiàn)模組的運(yùn)動(dòng)部件上，所述校準(zhǔn)超聲傳感器固定支架固定在X向直線(xiàn)模組運(yùn)動(dòng)部件上，X向直線(xiàn)模組運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)方向與風(fēng)洞坐標(biāo)軸系的X向平行;控制器能控制每個(gè)直線(xiàn)模組的運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)。
[0011]系統(tǒng)校準(zhǔn)和標(biāo)定的過(guò)程如下:
[0012]信標(biāo)超聲傳感器和實(shí)時(shí)聲速測(cè)量超聲傳感器的坐標(biāo)值的校準(zhǔn)和標(biāo)定利用移測(cè)架采用基點(diǎn)校準(zhǔn)法進(jìn)行，即通過(guò)控制器控制Χ、γ和Z向直線(xiàn)模組上的運(yùn)動(dòng)部件控制校準(zhǔn)超聲傳感器的準(zhǔn)確定位，并利用超聲測(cè)距和測(cè)邊空間后方交會(huì)獲得信標(biāo)超聲傳感器和實(shí)時(shí)聲速測(cè)量超聲傳感器的在風(fēng)洞坐標(biāo)軸系上的準(zhǔn)確坐標(biāo)值;安裝在被測(cè)模型上的目標(biāo)超聲傳感器，其在模型坐標(biāo)軸系上的坐標(biāo)值采用坐標(biāo)重合法進(jìn)行校準(zhǔn)和標(biāo)定，即將被測(cè)模型固定在試驗(yàn)段內(nèi)，通過(guò)經(jīng)瑋儀等儀器將模型的姿態(tài)角(偏航角Ψ、俯仰角Θ和滾轉(zhuǎn)角Φ)調(diào)整到0°，設(shè)定模型參考點(diǎn)(模型坐標(biāo)軸系原點(diǎn))與風(fēng)洞坐標(biāo)軸系原點(diǎn)重合，利用信標(biāo)超聲傳感器和目標(biāo)超聲傳感器采用測(cè)邊空間后方交會(huì)獲得目標(biāo)超聲傳感器在風(fēng)洞坐標(biāo)軸系上的坐標(biāo)，由于風(fēng)洞坐標(biāo)軸系和模型坐標(biāo)軸系重合，因此測(cè)量到的坐標(biāo)值即為目標(biāo)傳感器在模型坐標(biāo)軸系上的坐標(biāo)值。
[0013]綜上所述，由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果是:
[0014]利用低速風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ臀蛔说某暅y(cè)量方法能獲得完整的低速風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ臀蛔藚?shù)，包括Χ0，7()，Ζ()，Ψ，Θ和Φ六個(gè)參數(shù)，其中(XQ，yQ，Z())指模型的位置，即模型參考點(diǎn)在風(fēng)洞坐標(biāo)軸系上位置，(Ψ，θ，Φ )指模型的姿態(tài)，即模型的偏航角、俯仰角和滾轉(zhuǎn)角。
[0015]利用實(shí)時(shí)測(cè)量獲得的聲速參與計(jì)算，避免將聲速作為常量處理帶來(lái)的誤差，另外信標(biāo)超聲傳感器、目標(biāo)超聲傳感器和實(shí)時(shí)聲速測(cè)量傳感器采用了接收發(fā)送一體式的超聲傳感器，避免了多普勒效應(yīng)的影響，從而提高了模型位姿測(cè)量的精準(zhǔn)度。
[0016]超聲測(cè)量為非接觸測(cè)量，利用超聲這一特性實(shí)現(xiàn)了低速風(fēng)洞模型位姿的非接觸測(cè)量，避免了測(cè)量設(shè)備對(duì)風(fēng)洞流場(chǎng)的影響；另外，超聲測(cè)量可用于開(kāi)、閉口試驗(yàn)段內(nèi)模型位姿的測(cè)量，能夠克服氣流速度、溫度、壓力、密度和濕度變換等的影響，從而避免了試驗(yàn)環(huán)境對(duì)低速風(fēng)洞模型位姿測(cè)量的影響。
【附圖說(shuō)明】
[0017]本發(fā)明將通過(guò)例子并參照附圖的方式說(shuō)明，其中:
[0018]圖1某模型上目標(biāo)超聲傳感器布置圖；
[0019]圖2信標(biāo)超聲傳感器在閉口試驗(yàn)段內(nèi)壁面布置圖；
[0020]圖3實(shí)時(shí)聲速測(cè)量傳感器布置示意圖；
[0021]圖4模型位姿超聲測(cè)量系統(tǒng)的組成框圖；
[0022]圖5校準(zhǔn)和標(biāo)定用裝置簡(jiǎn)圖；
[0023]其中:I是實(shí)時(shí)聲速超聲傳感器，2是目標(biāo)超聲傳感器，3是彳目標(biāo)超聲傳感器，4是精密穩(wěn)壓電源，5是校準(zhǔn)超聲傳感器，6是X向直線(xiàn)模組，7是Z向直線(xiàn)模組，8是Y向直線(xiàn)模組。
【具體實(shí)施方式】
[0024]本發(fā)明通過(guò)以下步驟布局實(shí)施:
[0025]—是在試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕瞎潭ò惭b目標(biāo)超聲傳感器(接收發(fā)送一體式超聲傳感器)。為避免模型受風(fēng)載變形影響測(cè)量精度，目標(biāo)超聲傳感器應(yīng)安裝在變形小的位置。其次，為提高測(cè)量精度，目標(biāo)超聲傳感器應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離模型坐標(biāo)軸系的坐標(biāo)原點(diǎn)。另外，為避免風(fēng)洞坐標(biāo)軸系與模型坐標(biāo)軸系的軸系轉(zhuǎn)換誤差，目標(biāo)點(diǎn)之間的距離不能差距過(guò)大，目標(biāo)點(diǎn)的數(shù)量應(yīng)不少于4。如圖1為所示。由于超聲測(cè)量過(guò)程中，安裝在模型上的目標(biāo)超聲傳感器和安裝在模型周邊的信標(biāo)傳感器要配對(duì)使用，因此應(yīng)保證試驗(yàn)過(guò)程中目標(biāo)超聲傳感器和信標(biāo)超聲傳感器能相互直接探測(cè)到信號(hào)。
[0026]二是在低速風(fēng)洞閉口試驗(yàn)段的內(nèi)壁面或者開(kāi)口試驗(yàn)段的模型周邊布置接收發(fā)送一體式的信標(biāo)超聲傳感器。由于模型位置和姿態(tài)角的變化范圍對(duì)信標(biāo)超聲傳感器的數(shù)量和布局影響很大，因此盡可能多布置一些信標(biāo)傳感器，保證試驗(yàn)過(guò)程中，安裝在模型上的至少三個(gè)目標(biāo)超聲傳感器能被四個(gè)或四個(gè)以上的信標(biāo)超聲傳感器直接檢測(cè)到信號(hào)。如圖2為閉口試驗(yàn)段布置的信標(biāo)超聲傳感器示意圖。
[0027]三是在低速風(fēng)洞閉口試驗(yàn)段的內(nèi)壁面或者開(kāi)口試驗(yàn)段的模型周邊布置接收發(fā)送一體式的實(shí)時(shí)聲速測(cè)量傳感器。實(shí)時(shí)聲速測(cè)量傳感器應(yīng)兩兩配對(duì)布置，并要求試驗(yàn)時(shí)配對(duì)的實(shí)時(shí)聲速測(cè)量傳感器之間不能有任何隔擋物，保證聲波能在兩個(gè)超聲傳感器之間直線(xiàn)傳播。