技术领域
[0001] 本
发明属于航空航天测力试验技术领域，具体涉及一种
风洞试验模型气动力测量天平，特别涉及一种基于光纤应变传感技术的六分量气动力测量天平及
输出信号组合方法。
背景技术
[0002]
电阻应变天平是目前国内外各类风洞在模型气动力测量试验中广泛采用的一种气动力测量天平，发展至今技术已相当成熟，但也存在
温度效应严重、不耐
电磁干扰等
瓶颈问题，制约其测量精准度的进一步提高。光纤气动力测量天平是近几年新发展起来的一种气动力测量天平，它是将光纤应变计安装在气动力测量天平各测量梁上作为天平感受气动力
载荷的敏感元件，通过解调仪获取其
光谱信号并送入计算机进行处理和运算，获得各光纤应变计对应的
相位/
波长输出值，并对其相位/波长输出值进行组合来确定光纤气动力测量天平各分量的输出值。光纤应变计具有灵敏度高、响应快、可靠性好、抗电磁干扰、耐
腐蚀、能在高温环境中正常工作等优点，是一种理想的传感测试敏感元件。
[0003] 目前电阻应变天平所采用的电阻应变计绝大部分为箔式电阻应变计，其引出线为金属
导线(漆包线)，可以随意弯曲而不影响其输出信号，信号引出线敷设和引出对天平结构没有特殊要求，故测量天平在结构设计上只简单地开设走线槽。而光纤应变计的引出线为裸光纤，其柔韧性和抗弯折能力较差，且无损耗弯曲半径不小于5mm。气动力测量天平测量元件结构较复杂，特别是轴向力测量元件，由于一方面要考虑模型重量对其的作用，要求有较大的
刚度，另一方面为了提高其测量灵敏度，要求降低轴向刚度，同时又要求它对其它分量载荷不敏感，以减小其他分量对其的干扰，故其结构尤其复杂，供光纤应变计安装和引出线敷设的空间有限，光纤应变计安装和引出线敷设难度较大，故目前国内外公知的光纤气动力测量天平一般舍弃复杂的轴向力测量元件，仅采用较简单的组合元件来测量除轴向力以外的其他分量载荷。例如在
申请号为201010165429的国家发明
专利就公开了一种光纤光栅五分量气动力测量天平，主要由固定端、模型安装锥面及五分量复合敏感元件2组成，仅能测量法向力、
俯仰力矩、侧向力、
偏航力矩及
滚转力矩五个分量。在申请号为201610555793.2的发明公开了一种四分量光纤气动力测量天平，主要由模型安装端、支杆端及组合敏感元件组成，仅能测量法向力、俯仰力矩、侧向力、偏航力矩四个分量。
[0004] 随着我国航天技术的发展，航天
飞行器的外形越来越复杂，风洞模型气动力试验时一般要求开展六分量气动载荷测量。而对于六分量光纤气动力测量天平来说，必须考虑轴向载荷的测量，其安装的光纤应变计较多，光纤应变计引出线敷设难度相比五分量以下光纤气动力测量天平更大。因此如何对气动力测量天平结构本体进行优化，使其更有利于光纤应变计的安装和引出线的敷设具有非常重要的意义。另外，与电阻应变天平通过多个电阻应变计组成惠斯顿电桥不同，光纤气动力测量天平每片光纤应变计都对应一路独立
光信号测量通道，如何有效利用各测量梁上光纤应变计输出信号，来实现光纤气动力测量天平六个分量的独立测量，也具有非常重要的意义。
发明内容
[0005] 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。
[0006] 为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种六分量光纤气动力测量天平，包括：
[0007] 天平主体，其上依次设置有模型连接端、第一组合测量元件、轴向力测量元件、第二组合测量元件和支杆；
[0008] 所述第一组合测量元件为法向力、俯仰力矩、侧向力、偏航力矩、滚转力矩组合测量元件；
[0009] 所述轴向力测量元件的上下框体上各设置有一个纵向走线槽；所述轴向力测量元件的前后端均设置有与纵向走线槽相通的两第一斜孔；所述轴向力测量元件的框体上设置有四个通孔，其分别位于轴向力测量元件两个测量梁的两侧；所述轴向力测量元件的上下框体上设置有四个45°斜槽；所述四个45°斜槽的一端与分别与四个通孔相通；另一端与纵向走线槽相通；
[0010] 所述第二组合测量元件为法向力、俯仰力矩、侧向力、偏航力矩、滚转力矩组合测量元件；
[0011] 所述支杆设置有支杆连接端和支杆中心孔；所述支杆上均匀设置四个第二斜孔；所述第二斜孔的一端与第二组合测量元件各表面保持一定距离，另一端与支杆中心孔相通；
[0012] 其中，所述第一组合测量元件、轴向力测量元件、第二组合测量元件的测量梁上均设置有光纤应变计；所述第一组合测量元件上的光纤应变计的引出光纤分别穿过轴向力测量元件前端的第一斜孔进入纵向走线槽，然后经由后端的第一斜孔进行敷设，最后通过第二斜孔进入支杆中心孔而引出；所述轴向力测量元件测量梁上的光纤应变计引出光纤沿通孔和斜槽进入纵向走线槽，然后经由轴向力测量元件后端的第一斜孔进行敷设，最后通过第二斜孔进入支杆中心孔而引出；所述第二组合测量元件上的所有光纤应变计引出光纤沿第二斜孔敷设，经由支杆中心孔而引出。
[0013] 优选的是，所述轴向力测量元件前端的第一斜孔与天平轴线均呈15°～30°夹
角，所述前端的第一斜孔内表面与第一组合测量元件上下表面的距离a≤2mm；所述轴向力测量元件后端的第一斜孔与天平轴线均呈15°～30°夹角，所述后端的第一斜孔内表面与第二组合测量元件上下表面的距离b≤2mm。
[0014] 优选的是，所述四个通孔的内表面与测量梁的距离不大于2mm。
[0015] 优选的是，所述四个第二斜孔分别与天平轴线呈10°～30°夹角，所述第二斜孔内表面与第二组合测量元件各表面的距离c、d≤2mm。
[0016] 优选的是，所述光纤应变计采用高温应变胶或玻璃
焊料分别安装在第一组合测量元件、轴向力测量元件、第二组合测量元件的测量梁上。
[0017] 本发明还提供一种上述的六分量光纤气动力测量天平的输出信号组合方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0018] 步骤一、在某分量载荷作用下，确定该分量测量梁对称
位置上光纤应变计感受应变的正负；
[0019] 步骤二、分别求取该分量测量梁对称位置上感受正应变光纤应变计输出与感受负应变光纤应变计输出之差；
[0020] 步骤三、对步骤二求取的差值求和作为该分量的输出；
[0021] 步骤四：根据步骤一至三可以获得六分量光纤天平轴向力分量、法向力分量、侧向力分量、俯仰力矩分量、偏航力矩分量和滚转力矩分量输出信号的组合方法；
[0022] X输出＝(Δλ21-Δλ27)+(Δλ28-Δλ22)+(Δλ23-Δλ25))+(Δλ26+Δλ24)[0023] Y输出＝(Δλ9-Δλ10)+(Δλ12-Δλ11)
[0024] Z输出＝(Δλ13-Δλ14)+(Δλ16-Δλ15)
[0025] Mz输出＝(Δλ9-Δλ10)+(Δλ11-Δλ12)
[0026] My输出＝(Δλ13-Δλ14)+(Δλ15-Δλ16)
[0027] Mx输出＝(Δλ17-Δλ19)+(Δλ20-Δλ18)
[0028] 其中，X输出、Y输出、Z输出、Mz输出、My输出、Mx输出分别为六分量光纤气动力测量天平轴向力分量、法向力分量、侧向力分量、俯仰力矩分量、偏航力矩分量和滚转力矩分量的信号输出值；Δλ9～Δλ12分别为法向力测量元件和俯仰力矩测量元件的光纤应变计9～12的输出值；Δλ13～Δλ16分别为侧向力测量元件和偏航力矩测量单元的光纤应变计13～15的输出值；Δλ17～Δλ20分别为滚转力矩测量元件的光纤应变计17～20的输出值；Δλ21～Δλ28分别为轴向力测量元件的光纤应变计21～28的输出值。
[0029] 本发明至少包括以下有益效果：
[0030] (1)通过在光纤气动力测量天平结构本体上设计可供各光纤应变计引出光纤敷设的孔、槽，可有效解决光纤应变计引出线敷设特别是轴向力元件光纤应变计引出线敷设困难的难题，满足航天飞行器风洞模型气动力试验六分量气动载荷测量要求。
[0031] (2)采用光纤应变计输出信号的合理组合，可有效减小或消除光纤气动力测量天平各分量之间的干扰，实现光纤气动力测量天平六个分量的独立测量。
[0032] 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：
[0033] 图1为本发明所述六分量光纤气动力测量天平的整体结构示意图；
[0034] 图2为图1中A-A剖面的示意图；
[0035] 图3为图1中B-B剖面的示意图；
[0036] 图4为图1中C-C剖面的示意图；
[0037] 图5为本发明所述六分量光纤气动力测量天平的局部剖面结构示意图；
[0038] 图6为本发明所述六分量光纤气动力测量天平的结构示意图；
[0039] 图7为图5中A-A剖面的示意图；
[0040] 图8为图5中B-B剖面的示意图；
[0041] 图9为图6中C-C剖面的示意图；
[0042] 图10为图5中D-D剖面的示意图；
[0043] 图11为图5中E-E剖面的示意图；
[0044] 图12为图5中F-F剖面的示意图；
[0045] 图13为本发明所述轴向力测量元件一面的立体结构示意图；
[0046] 图14为本发明所述轴向力测量元件另一面的立体结构示意图；
[0047] 图15为本发明所述轴向力测量元件的平面结构示意图；
[0048] 图16为图15中B-B剖面的示意图；
[0049] 图17为图15中C-C剖面的示意图；
[0050] 图18为六分量光纤气动力测量天平光纤应变计安装位置示意图；
[0051] 图19为图18中A-A剖面的示意图；
[0052] 图20为图18中B-B剖面的示意图；
[0053] 图21为图18中C-C剖面的示意图；
[0054] 图22为图18中D-D剖面的示意图。具体实施方式：
[0055] 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。
[0056] 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。
[0057] 为解决光纤应变计引出线的敷设和引出难的问题，在不影响气动力测量天平刚度的情况下，顺着光纤应变计安装方向在气动力测量天平基体上设计出各种孔、槽，使光纤引出线在弯曲半径不大于5mm情况下能沿着孔、槽进行敷设并引出。
[0058] 如图1～22所述一种六分量光纤气动力测量天平，包括：
[0059] 天平主体，其上依次设置有模型连接端1、第一组合测量元件2、轴向力测量元件3、第二组合测量元件4和支杆5；
[0060] 所述第一组合测量元件2为法向力、俯仰力矩、侧向力、偏航力矩、滚转力矩组合测量元件；
[0061] 如图9所示，所述轴向力测量元件3的上下框体上各设置有一个纵向走线槽35，36，所述轴向力测量元件3的前后端均设置有与纵向走线槽35，36相通的两第一斜孔33，34，41，42；如图6所示，所述轴向力测量元件3的框体上设置有四个通孔37、38、39、40，其分别位于轴向力测量元件3两个测量梁7，8的两侧；所述轴向力测量元件3的上下框体上设置有四个
45°斜槽47，48，49，50；所述四个45°斜槽47，48，49，50的一端与分别与四个通孔37、38、39、
40相通；另一端与纵向走线槽35，36相通；
[0062] 所述第二组合测量元件4为法向力、俯仰力矩、侧向力、偏航力矩、滚转力矩组合测量元件；
[0063] 支杆5，其设置有支杆连接端6和支杆中心孔51；所述支杆上均匀设置四个第二斜孔43，44，45，46；所述第二斜孔43，44，45，46的一端与第二组合测量元件4各表面保持一定距离，另一端与支杆中心孔51相通；
[0064] 其中，所述第一组合测量元件2、轴向力测量元件3、第二组合测量元件4的测量梁上均设置有光纤应变计；所述第一组合测量元件2上的光纤应变计的引出光纤分别穿过轴向力测量元件3前端的第一斜孔33，34进入纵向走线槽35，36，然后经由后端的第一斜孔41，42进行敷设，最后通过第二斜孔43，45进入支杆中心孔51而引出；所述轴向力测量元件3测量梁7，8上的光纤应变计引出光纤沿通孔37、38、39、40和斜槽47，48，49，50进入纵向走线槽
35，36，然后经由轴向力测量元件3后端的第一斜孔41，42进行敷设，最后通过第二斜孔43，
45进入支杆中心孔而引出；所述第二组合测量元件2上的所有光纤应变计引出光纤沿第二斜孔43，44，45，46敷设，经由支杆中心孔51而引出。
[0065] 在上述技术方案中，所述轴向力测量元件3前端的第一斜孔33，34与天平轴线均呈15°～30°夹角，所述前端的第一斜孔33，34内表面与第一组合测量元件2上下表面的距离a≤2mm；所述轴向力测量元件3后端的第一斜孔41，42与天平轴线均呈15°～30°夹角，所述后端的第一斜孔41，42内表面与第二组合测量元件2上下表面的距离b≤2mm；
[0066] 在上述技术方案中，所述四个通孔37、38、39、40的内表面与测量梁7,8的距离不大于2mm；
[0067] 在上述技术方案中，所述四个第二斜孔43、44、45、46分别与天平轴线呈10°～30°夹角，所述第二斜孔43、44、45、46内表面与第二组合测量元件4各表面的距离c、d≤2mm。
[0068] 在上述技术方案中，所述光纤应变计采用高温应变胶或玻璃焊料分别安装在第一组合测量元件2、轴向力测量元件3、第二组合测量元件4的测量梁上。
[0069] 光纤应变计采用高温应变胶或玻璃焊料安装在光纤气动力测量天平测量元件的测量梁上作为天平感受气动力载荷的敏感元件，安装位置根据光纤气动力测量天平测量梁在气动载荷作用下产生的
变形，对称安装在测量梁受拉与受压的位置。以轴向力测量元件3为例，其有两根测量梁7、8，在轴向载荷Fx作用下，测量梁7、8呈双弯曲变形，受力状态用“+”表示受拉，“-”表示受压，见图15～17。光纤应变计21、22、23、24、25、26、27、28分别对称安装在测量梁7和8受拉与受压的位置。其他五分量的光纤应变计安装位置确定方法类似。六分量光纤天平光纤应变计安装位置如图18～22所示。
[0070] 一种上述的六分量光纤气动力测量天平的输出信号组合方法，包括以下步骤：
[0071] 步骤一、在某分量载荷作用下，确定该分量测量梁对称位置上光纤应变计感受应变的正负；
[0072] 步骤二、分别求取该分量测量梁对称位置上感受正应变光纤应变计输出与感受负应变光纤应变计输出之差；
[0073] 步骤三、对步骤二求取的差值求和作为该分量的输出；
[0074] 步骤四：根据步骤一至三可以获得六分量光纤天平轴向力分量、法向力分量、侧向力分量、俯仰力矩分量、偏航力矩分量和滚转力矩分量输出信号的组合方法；
[0075] X输出＝(Δλ21-Δλ27)+(Δλ28-Δλ22)+(Δλ23-Δλ25))+(Δλ26+Δλ24)[0076] Y输出＝(Δλ9-Δλ10)+(Δλ12-Δλ11)
[0077] Z输出＝(Δλ13-Δλ14)+(Δλ16-Δλ15)
[0078] Mz输出＝(Δλ9-Δλ10)+(Δλ11-Δλ12)
[0079] My输出＝(Δλ13-Δλ14)+(Δλ15-Δλ16)
[0080] Mx输出＝(Δλ17-Δλ19)+(Δλ20-Δλ18)
[0081] 其中，X输出、Y输出、Z输出、Mz输出、My输出、Mx输出分别为六分量光纤气动力测量天平轴向力分量、法向力分量、侧向力分量、俯仰力矩分量、偏航力矩分量和滚转力矩分量的信号输出值；Δλ9～Δλ12分别为法向力测量元件和俯仰力矩测量元件的光纤应变计9～12的输出值；Δλ13～Δλ16分别为侧向力测量元件和偏航力矩测量单元的光纤应变计13～15的输出值；Δλ17～Δλ20分别为滚转力矩测量元件的光纤应变计17～20的输出值；Δλ21～Δλ28分别为轴向力测量元件的光纤应变计21～28的输出值。
[0082] 光纤气动力测量天平的工作原理是：风洞试验时，来自喷管的超高速气流(空气)作用在飞行器模型上，传到与其相连的光纤气动力测量天平上，光纤气动力测量天平的测量梁在
空气动力载荷作用下产生变形，其应变与空气动力载荷大小成正比。安装在测量梁表面的光纤应变计也同时产生变形，使其腔长发生变化，从而引起其相位/波长发生变化，有一个增量，这个增量与光纤气动力测量天平所承受的空气动力载荷成正比。光纤应变计的相位/波长信号可由解调仪进行检测，将解调仪检测到的相位/波长值输入到计算机中进行处理，就可以得到作用在飞行器模型上的空气动力载荷。
[0083] 光纤气动力测量天平各测量梁上安装了很多的光纤应变计，如何将各光纤应变计的输出信号进行组合来测量作用在飞行器模型上的各气动力/力矩，是光纤气动力测量天平信号输出的一个重要环节。其组合原则是光纤应变计输出信号组合后对欲测分量的载荷产生尽量大的输出变化量，而在其他分量载荷作用下，各光纤应变计有输出或输出为零，但组合后相互抵消，理论上组合输出变化量为零。以法向力测量元件为例，其输出信号由对称安装在其测量梁上的光纤应变计9、10、11、12(图18～22)的输出信号进行组合来获得。表1给出了在各分量载荷作用下，光纤应变计感受的应变及组合后感受的应变，以“+”表示感受正应变，“-”表示感受负应变。由表中可知，在轴向载荷Fx作用下，光纤应变计9、10、11、12均感受量值相等的负应变-εx，而在法向载荷Fy作用下，光纤应变计9、12感受正应变+εy，光纤应变计10、11感受负应变-εy，在量值上与光纤应变计9、12相等。在俯仰力矩Mz作用下，光纤应变计9、11感受正应变+εMz，光纤应变计10、12感受负应变-εMz，在量值上与光纤应变计9、11相等，而在侧向载荷Fz、偏航力矩My和滚转力矩Mx作用下，光纤应变计9、10、11、12均不感受应变。因此六分量光纤气动力测量天平的法向力测量分量的输出公式可表示为：Y输出＝(Δλ9-Δλ10)+(Δλ12-Δλ11)，式中Δλ9～Δλ12分别为光纤应变计9～光纤应变计12的输出值。而按该公式组合后，在其他分量载荷作用下，Y输出均为零，从而实现了光纤气动力测量天平法向分量的独立测量。
[0084] 表1各分量载荷作用下法向分量各光纤应变计感受的应变及法向分量输出信号；
[0085] 表1
[0086]
[0087] 同理，可以确定轴向力测量分量由对称安装在其测量梁上的光纤应变计(图15～18)21、22、23、24、25、26、27、28的输出信号进行组合来测量；侧向力和偏航力矩由对称安装在第一组合测量元件和第二组合测量元件的测量梁上的光纤应变计13、14、15、16的输出信号进行组合来测量；俯仰力矩由对称安装在第一组合测量元件和第二组合测量元件的测量梁上的光纤应变计9、10、11、12的输出信号进行测量，滚转力矩由对称安装在第二组合测量元件测量梁上的光纤应变计17、18、19、20的输出信号进行组合来测量。六分量光纤气动力测量天平各分量输出的组合公式为：
[0088] X输出＝(Δλ21-Δλ27)+(Δλ28-Δλ22)+(Δλ23-Δλ25))+(Δλ26+Δλ24)[0089] Y输出＝(Δλ9-Δλ10)+(Δλ12-Δλ11)
[0090] Z输出＝(Δλ13-Δλ14)+(Δλ16-Δλ15)
[0091] Mz输出＝(Δλ9-Δλ10)+(Δλ11-Δλ12)
[0092] My输出＝(Δλ13-Δλ14)+(Δλ15-Δλ16)
[0093] Mx输出＝(Δλ17-Δλ19)+(Δλ20-Δλ18)
[0094] 式中Δλ9～Δλ28分别为光纤应变计9～光纤应变计28的输出值；X输出、Y输出、Z输出、Mz输出、My输出、Mx输出分别为六分量光纤气动力测量天平轴向力分量、法向力分量、侧向力分量、俯仰力矩分量、偏航力矩分量和滚转力矩分量的信号输出值。
[0095] 按照以上光纤应变计输出信号组合后，各分量信号只在本分量载荷作用下有较大的输出变化量，而在其他分量载荷作用下，输出信号变化量理论上为零。可有效利用各测量梁上光纤应变计输出信号，实现光纤气动力测量天平六个分量的独立测量，从而满足航天飞行器风洞模型气动力试验六分量气动载荷的测量要求。
[0096] 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。
