动态压力测量方法.docx
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动态压力测量方法
动态压力风洞实验数据处理软件
使用手册
第一章绪论1
1.1风洞数据采集系统特点1
1.2风洞数据采集系统现状与发展2
1.3本软件主要功能特点3
第二章动态压力测量方法5
2.1测压导管的传递函数5
2.2两通道的传递函数6
2.3不同外径导管传递函数的模值比和相位差7
2.4动态数据处理技术11
2.5结论12
第三章动态压力风洞实验数据处理软件的设计与实现13
3.1软件需求分析13
3.2软件功能设计14
3.3软件流程设计15
3.4软件界面设计17
第四章动态压力数据处理系统调试24
4.1动态线性度检定24
4.2动态误差限检定24
第一章绪论
1.1风洞数据采集系统特点
风洞是进行空气动力学研究的重要试验装置。
风洞试验装置包括测量系统、数据采集系统、模型姿态及控制系统、风速控制系统等。
风洞试验中要采集大量的数据，主要有试验模型的升力、阻力、力矩、模型表面压、温度、洞体压力、模型角度等，这些数据依靠热线风速仪、压力扫描阀、应变天平、激光位移计、加速度传感器等进行量测。
早期，风洞试验为人工读数和手动方式，试验周期长，数据量大，试验精度低，处理周期长。
为了提高风洞试验效率、试验精度及试验水平，从20世纪70年代开始，各风洞逐步引入了数据采集系统。
由数据采集系统负责将来自天平或压力传感器等测量系统的电信号转化成数据，通过多通道数据采集板，把传感器送出的模拟信号转化成数字信号送计算机存储。
风洞数据采集系统具有如下特点:
（1）高速、高精度、具有强的抗干扰能力风洞试验数据的精度直接影响到试验对象的空气动力学设计的正确性。
风洞数据采集系统应具有高速、高精度、具有强的抗干扰能力。
气动力系数中模型的阻尼系数△CX的试验精度要达到0.0001，风洞各参数测量精度要求为总压精度0.07%，静压精度0.07%，总温精度1%，法向力精度0.08%，轴向力精度0.08%，迎角精度0.01%。
目前计算机技术在速度和内存量等方面不断提高，为高速、高精度、多路并行采集以及实时数据传输等创造了必要的条件。
单路A/D数据采集系统来分时采集的多路数据采集系统在风洞试验中己成为基本配置，但其不能满足真正的实时、同步采集的要求。
并行动态数据采集系统已成为一个基本的发展趋势。
它将多路A/D采集电路并行处置，用同一个触发信号同时启动各路A/D进行编码，保证了各路信号采集的严格同步性，对某瞬态时刻各路信号的分析具有十分重要的意义。
同时由于不再使用模拟开关，使各路信号间的串模干扰减到了最小，系统精度可获得进一步提高。
（2）采集参数多，点数多
风洞试验主要有常规测力、测压试验、流场校测、动态试验等。
常规试验中采集参数有六分量天平信号、风速、试验段压力、模型底部压力、大气压、风洞的洞温、室温，大约二十几个参数。
模型表面压力采集参数有几十点到上千点。
流场压力采集数据的点较多，一般风洞从几百点到几千点。
动态试验参数有脉动压力及各种交变振动信号，一般几点到几十点。
由于采用压力传感器配常规数据采集系统测得可测点数较少。
当需测点数较多时，则普遍采用电子扫描阀一测压或者用压敏漆技术实现光学测压。
（3）具备数据实时采集、存储、调用、分析、输出等功能能进行实时数据的自动采集与处理，能实时显示重要的试验参数，能保存采集的原始数据和实时计算的结果数据，能将实时显示数据发送到用户工作间内的显示系统中，要求风洞数据分析处理系统能接收和保存由数据采集计算机发送来的数据结果，能建立风洞吹风的数据库，能查看、调用数据库，能对每次的数据进行综合分析，能在高分辨率的图形屏幕上显示供给综合分析用的数据与曲线，能打印和绘图输出数据。
能通过网络与控制系统计算机联系，有自检、自校能力。
为达到这些要求，风洞数据采集系统需配置高性能、高速度、大容量、高可靠性的计算机系统。
配置高性能数据库管理软件，要求人机界面美观、使用方便。
配置高速打印机（激光打印机），可读写光驱，绘图仪，高分辨率彩色图形显示器等。
1.2风洞数据采集系统现状与发展
风洞数据采集系统从20世纪70年代到现在，已经更新了几代，采集速度从每秒几十次己提高到每秒几十万次，精度从0.5%提高到0.02%。
从风洞数据采集系统用途上可分为常规数据采集系统和高速数据采集系统。
（1）风洞常规数据采集系统风洞常规数据采集系统用于风洞稳静态试验，是指常规测力、测压试验。
该系统一般采用巡回扫描式采集系统结构形式，一个系统有几十个到几百个数据采集通道，利用多路采样开关共用一个A/D转换器。
目前，国内外风洞中正在使用的常规数据采集系统有：
Neff62O数据采集系统、PRESTO数据采集系统、HD2000数据采集系统、ODYSSE数据采集系统、PACIFL6000数据采集系统、PC机数据采集系统。
目前风洞常规试验要求系统速度10Oks/s，通道数从64路~128路，精度0.02%。
传感器精度不提高，过高的提高系统精度无意义。
动态试验每通道一个16位A/D速率100ks/s，精度0.1%足够。
前面的几种系统基本满足风洞试验要求。
（2）风洞高速数据采集系统风洞高速数据采集系统用于风洞动态试验，该系统各数据采集通道并行工作，每个通道具备一个高频响放大器、一个高速A/D转换器、一个大容量存储器及一个高速DSP数字信号处理器。
高速数据采集系统的核心是高速高精度的A/D转换器和数字信号处理器。
这两种芯片近年来得到了极为迅速的发展。
例如
Natlonal公司的ADC081000型高速A/D转换器，其转换速度高达1000Ms/s，分辨率达sbit。
又如Tl公司的nSP芯片从TMS320C3；系列己发展到TMS32OC64X钾，而且处理的内容和能力大大加强。
风洞高速数据采集系统另一个重要方面是信号的采集、显示、存储、传输和处理的软件技术，在此基础上，产生了虚拟仪器技术，可以灵活的集成数据采集系统。
对系统用软面板进行操作和控制，可以实时监视测量参数或与处理结果（如平均值、谱分析FFT数字滤波、工程单位转换等）。
还可以将采集存储的数据作事后处理，以得到各种所需的试验结果的图形、曲线、图表等，并能够又快又好的得到测试结果或试验报告，大大提高了试验的效率。
为适应不同场合应用，可形成不同的结构大致有单独专用数据采集系统，插卡式总线数据采集系统，分布式采集系统，网络式采集系统等。
风洞动态试验要求采集的速率越来越高。
因此采集的方式，从扫描式采集发展到并行采集，近年来还出现了交替式采集，将通道采样速率提高到IGs/s的水平，并能够以较高的采样速率实现长时间的稳态数据采集和具有实时在线监控功能。
风洞与计算机一体化将会使风洞试验效率和试验质量大幅度的提高。
风洞试验效率的提高，不仅表现在过程控制的自动化方面，而且，测力、测压一体化试验，发动机与机体一体化试验，以及静态、动态一体化试验也都是未来的发展方向。
1.3本软件主要功能特点
低速风洞数据采集系统，包括硬件设计与软件设计两方面。
设计时考虑到虚拟仪器的诸多优点，加上PXl总线具有大吞吐量、高数据传输、高可靠性、良好的电磁兼容性和抗干扰能力等优点，所以将虚拟仪器技术和PXI总线技术引入了风洞试验数据采集领域，采用“硬件Pxl体系结构+软件平台Labwindows/CVI”的开发模式，开发了一套先进的风洞数据采集系统。
在研究过程中应着重解决的如下问题:
（1）应用虚拟仪器技术实现基于PXI平台的风洞数据采集系统硬件，使之达到设计技术指标要求并且工作稳定。
特别是消除和隔离风洞现场的干扰对数据采集系统的影响。
（2）通过分析用户需求，设计并开发基于Labwindows/CVI软件平台的风洞数据采集系统软件，使之能够管理试验过程，实现数据采集和数据处理等功能。
特别是数据采集和多线程编程技术。
（3）实现风洞数据采集系统、模型姿态控制系统、速压控制系统等风洞子系统的以太网连接，在网络上实现系统数据共享和集中管理。
（4）在标准信号下，对该数据采集系统软、硬件的功能、指标及实用性、可靠性进行验证性测试。
第二章动态压力测量方法
测量动态压力的最好办法是在机翼表面直接安装动态压力传感器，它既不会产生幅值的衰减，又不会产生相位平移。
但是受条件所限，不可能在模型表面安装大量的微型动态压力传感器，同时由于试验中脉动频率小于2Hz，因此考虑用一段测压管连接压力传感器的方式进行动态压力测量，并对用测压管进行动态压力测量的可行性进行了详细研究。
2.1测压导管的传递函数
主要方法是测量不同长度和管径的测压导管对脉动压力幅值和相位的影响。
如图2.22所示，我们用信号发生器和功率放大器驱动扬声器，产生所需频率范围的声波，由于扬声器发出的声波在自由空间中是以球面波的形式传播的，因此
根据声波导管理论，只要生源的频率低于声波导管的截止频率，在管中就能产生唯一的平面波。
因此为了得到同相位、同幅值的声压脉动，在扬声器后加装了一个长350mm,直径为80mm的有机玻璃管。
由声波导管理论可以知道圆柱形管中声波导管的截止频率为：
fch.84虫=1.843432512.4Hz（2-9）
2二r23.140.04
在此频率下导管中得到的就是平面波。
平面波的特点是：
声波仅沿x方向传播，
而在yz平面上所有质点的振幅和相位均相同。
利用平面波的这种同振幅、同相位的特征，使得两路传感器的输出端信号存在可比性，为最终确定导管的压力传递函数提供条件。
借助圆截面声波导管在管中形成的平面声场，可以获得测试用
标准压力脉动。
将其中一个传感器直接安装在测试面上，另一个传感器则通过一
根需要进行测试的测压导管连接。
这样直接安装在测试面上的传感器可以直接感受压力的脉动，而另一个传感器感受到的信号则经过了导管的衰减和相位评议，通过比较这两个信号可以评估测压导管对动态压力测量的影响，并且得到测压导
管的传递函数。
图2.1测压导管传递函数测量装置
2.2两通道的传递函数
为了得到测压导管的传递函数，首先需要确定无导管情况下两通道的传递函
数。
如同2.23所示，设各个环节都为线性系统，A通道的传递函数为：
Y6」何+%）
Ka（「）=Xjet）（2-10）
入Ae
B通道的传递函数为：
则:
（2-12）
gj）YAej（t，A）Kb（P）>Bej（tB）
图22无导管时两通道传递函数确定装置
有导管时，如图2.24。
通道A传递函数为：
（2-13）
Yej（t'A）
KA（j“—
通道B的传递函数为:
其中K0（j）为测压导管的传递函数。
因此:
（2-15）
因此通过确定无导管和有导管时A、B通道间的传递函数，就可以确定导管的传递函数。
扬曲雜声液导彗传感黠比
图2.3有导管时两通道传递函数确定装置
2.3不同外径导管传递函数的模值比和相位差
分别对外径为①1.2mm、①1.5mm、①2.0mm、①2.5mm不同长度的导管进
行测量。
测量结果如图2.25所示，分别为不同长度导管的传递函数的模值比和
相位差。
幅值
相位
（a）①2.5mm导管的频率响应特性
幅值
（b）①2.0mm导管的频率响应特性
幅值
（c）①1.5mm导管的频率响应特性
幅值
相位
（d）①1.2mm导管的频率响应特性
图2.25测压导管实验测量结果
从途中可以看出，该系统在一官场和管径范围内，表现出二阶系统的一些特性。
正因为如此，可以按二阶系统重新处理数据，进而进一步分析官长和管径对这个二阶系统特性如：
阻尼比、固有频率、静态增益等的影响。
将原始数据进行“二阶系统传递函数”的拟合。
标准二阶系统的传递函数为：
令"Zk2，一/I就，X/K%：
，x"2"f）2'八？
M2则得到二次函数为：
y=a•bx•ex2，并通过最小二乘法拟合实验数据得到。
其中--0=2Fr。
处理后的结果如图2.26所示。
4
<]
f
A
-^1CW一一胸0
、
—^eoo—^500—他
300
*200■*HOD
一—佃
幅值
相位
（a）①2.5mm导管的频率响应特性
f/fr
Bs
幅值
相位
（b）①2.0mm导管的频率响应特性
fJFr
I
O4OOOUOQ—01咋D0ooDD6om18fi-5432151
幅值
相位
（c）①1.5mm导管的频率响应特性
幅值
相位
（d）①1.2mm导管的频率响应特性
图2.26测压导管数据处理后的结果
并且得到了系统的阻尼比和固有频率，见表2.6
表2.6不同长度和管径导管的固有频率和阻尼比
管长（mm）
1000
800
600
500
400
二阶系统特征量
Fr
E
Fr
Fr
匕
Fr
Fr
管径
（mm）
1.2
75.0
0.905
96.2
0.722
1.5
64.3
0.689
70.1
0.554
81.8
0.439
93.5
0.402
102.0
0.343
2.0
62.9
0.204
75.8
0.183
94.9
0.131
110.2
0.122
128.4
0.112
2.5
67.7
0.117
82.2
0.105
105.7
0.089
125.4
0.069
151.7
0.034
管长（mm）
300
200
100
50
10
二阶系统特征量
Fr
E
Fr
Fr
匕
Fr
Fr
管径
（mm）
1.2
107.2
0.591
131.6
0.495
175.5
0.363
239.3
0.310
356.2
0.198
1.5
121.7
0.299
153.9
0.254
214.0
0.220
270.2
0.186
372.2
0.168
2.0
155.5
0.103
197.9
0.105
267.4
0.117
326.8
0.139
386.1
0.156
2.5
191.2
0.018
249.9
0.040
333.9
0.107
391.6
0.141
438.6
0.174
2.4动态数据处理技术
在动态试验过程中，由于大迎角气流分离引起的流动的不重复性以及模型作
高频振动时的惯性力和气流分离非定常涡流动引起的结构振动等造成测量数据离散性很大，有用信号淹没在背景噪声之中，无法获取所需要的测量结果，因此需要进行特殊处理。
首先在数据采集时采用低通滤波器，滤掉一些无用的高频信号。
同时数据的采集过程采用多周期的锁相采集，并对获得的多周期数据进行相位平均处理。
然后又设计了数字滤波处理软件，以除去背景噪声，消除数据的振荡现象。
2.5结论
从处理后的结果可以看出，相同管径下，随着管长L的减小，固有频率Fr逐渐增大，阻尼比•逐渐减小。
但注意到①2.0mm和①2.5mm的导管，分别在L=200mm时出现相反趋势，即•随着L减小逐渐增大。
分析实验过程可知，在设备连接过程中使用了内径较小（0.7mm）的塑料管连接压力传感器和待测管道。
当①1.2mm和①1.5mm时，待测管道本身的内径也较小，所以没出现相反趋势；而①2.0mm和①2.5mm时待测管道本身的内径比塑料管大较多，当L较长时，
塑料管的影响较小，不至于改变•减小的大趋势。
但当L较短时，塑料管与待测管道的相对长度增大，对实验结果影响增大，改变了•的变化趋势。
相同管长下，随着管径①的增大，固有频率Fr逐渐增大，阻尼比•逐渐减小。
通过以上分析，在模型上选用的测压管为外径为2.0mm、长度为300mm的
测压导管。
可以看出，这样的导管在频率10Hz以下，对动态信号的幅值没有影响，相位平移也较小，基本可以忽略，可以满足目前动态压力测量的需要。
为了验证用导管进行动态压力测量的准确性，还在模型上个别安装了几个
动态压力传感器，并对测量结果进行了比较，结果表明用测压导管完全可以进行低频的动态压力测量，测量结果可靠。
第三章动态压力风洞实验数据处理软件的设计与实现
本章首先进行了风洞采集系统软件的需求分析，在对风洞试验过程分析、风洞试验数据采集需求分析的基础上，提出了软件功能要求，并对软件程序模块进行了划分，设计了程序界面，并介绍了关键程序的设计。
3.1软件需求分析
3.1.1风洞实验过程分析根据用户的习惯，风洞试验是根据实验计划表，按车次进行的。
（1）试验计划表用户在试验前要编制试验计划表。
试验计划表是根据试验任务和试验大纲编写的。
试验计划表可分为试验计划总表和试验计划详细表两种。
（2）车次车次是由固定模型姿态变风速或固定风速变模型姿态的一组测量点组成的。
一个车次是由多个测量点组成的，一个测量点即为在规定风速和模型姿态情况下的一次数据采集，一次数据采集有多个被采的参数，每个被采的参数即为一个通道。
3.1.2风洞试验数据采集需求在风洞试验过程中，数据采集分初读数采集和吹风采集两步进行。
（1）初读数据采集对于一个吹风车次的试验，首先在不吹风的情况下采集天平、应变天平、速压、温度传感器、大气压等的初读数。
初读数采集分为单点采集和逐点采集两种方式，每次采集到的各通道数据需要把原始值和平均值分别保存起来。
（2）吹风数据采集在吹风情况下，采集天平、应变天平、速压、温度传感器、大气压等的吹风数据，从吹风平均值中扣除对应测量点的初读数平均值即为平均差值，再由平均差值经标度变换得到所需的工程量。
吹风数据文件需要把原始值、平均值、平均差值和工程量分别保存起来。
3.1.3软件功能需求
（1）运行试验计划：
在已经编制的试验计划中，选取一条运行项目，按其中的试验
参数管理试验过程；
（2）数据采集：
当试验参数控制到给定条件时，以静态方式或动态方式采集所需要
的多个参数，并存储原始数据；
（3）数据处理：
当采集试验数据完成后，按设定的试验参数处理方式分析数据，并
保存到与试验计划相对应的试验数据库中；
（4）数据采集模块、模型姿态及试验辅助控制模块和试验监视模块由以太网络连
接。
在网络上实现系统数据共享和集中管理。
3.1.4开发平台及运行环境
（1）开发工具：
Labwindows/CVI7.1
⑵操作系统：
Windows2000/WindowsXP/WindowsNT
⑶计算机:
IPC一H43221控机
3.2软件功能设计
由于数据采集模块由一台工控机完成，同时具有试验计划管理功能。
软件包
括主控模块和相应的功能子模块。
具有通道选择、参数设置功能，实现64个通
道的静态数据及24个通道的动态数据的采集、显示和保存。
具有符合用户需求的数据分析处理功能。
软件功能划分如图3.1所示。
+——►试姿数据分苗和赴理愎映
图3.1数据采集系统软件模块
（1）64通道的静态数据采集
1选择通道，进行通道参数设置（放大倍数，滤波频率）。
2采样频率在采集卡的允许范围内可选。
3采用低通数字滤波，抑制工频干扰。
4采样数据长度根据需要可选。
5采集数据的文件存储格式有文本和二进制两种，兼容后续处理。
6采集数据的曲线显示。
7数据采集和保存。
（2）24通道的动态数据采集
1选择通道，进行通道参数设置（放大倍数，同步方式，滤波频率）。
2采样频率在采集卡的允许范围内可选。
3采样数据长度根据需要可选。
4数据采集文件存储格式兼容后续处理。
位论文风洞数据采集系统设计与实现
5采集数据的曲线显示设置与曲线显示。
6数据采集和保存。
（3）试验数据的分析和处理根据用户的需求进行试验数据的分析、处理和浏览。
（4）文件管理模块
1试验运行计划管理。
在不同的状态下，编辑、浏览、调度试验计划，保存所有的试验模式和相应的参数;
2保存采集的试验数据文件;
3保存试验数据的分析和处理结果文件;
（5）通信模块
通信功能的实现基于以太网、采用TCP/IP协议完成数据测量子系统与速压子系统、模型姿态及试验辅助子系统之间的数据通信。
3.3软件流程设计
根据用户需求和软件功能模块，对于一个试验车次的开车流程有了清晰的理
解，可以根据试验车次任务的性质，用试验条件控制、数据采集、试验数据分析与处理和试验数据管理等任务来架构数据采集系统软件。
其基本过程如下：
⑴选取试验模式，试验计划预先编制好，以Exoel表的形式存放，根据试验
模式读取试验计划表；
（2）向模型姿态控制系统、速压控制系统传递试验模式信息，并读取速压稳定信号（等待返回信号）；当模型姿态到位，速压到达指定条件时，即可开始采集数据，否则一直等待：
（3）采集通道设置与通道参数设置；
（4）采集数据；
（5）采集完毕信号发给模型姿态控制系统、速压控制系统；
（6）判断该试验模式是否结束；
（7）数据处理和分析；
（8）重新开始试验模式选择，进行新的试验车次运行；若不选择，则停车。
将上述过程进行归纳，最后得到风洞数据采集的流程如下图。
图3.2动态数据处理软件留下横设计
3.4软件界面设计
（1）主控模块界面
主控模块界面功能主要是实现静态、动态数据采集选择，并将试验基本信息作一记录。
数据采集系统
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图3.3主控模块界面
（2）动态数据采集界面
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图3.4动态数据采集界面
（3）通道测试界面
图3.5通道测试界面
（4）风速测试界面
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图3.6风速测试界面
（5）实验数据的分析和处理界面
图3.7实验数据示波界面
图3.8实验数据浏览界面
图3.9时域分析子模块览界面
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图3.10频域分析子模块览界面
（6）文件管理模块
以菜单项的形式出现在界面最上方。
图3.11文件管理模块界面
（7）通信功能模块
图3.12数据测量子系统通信界面
第四章动态压力数据处理系统调试
风洞数据采集系统由硬件和软件组成，在硬件平台构建好之后，首先采用NI公司的DACB件对硬件系统整个功能作了验证，硬件功能正常后，又设计了专门的风洞数据采集系统软件，软件调试成功后。
对整个系统做了功能指标的测试。
主要对如下指标进行了检定：
动态线性度、动态误差限。
4.1动态线性度检定
（1）指标要求
升级会员 