探针测量校准系统机械结构设计.docx

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探针测量校准系统机械结构设计

中文摘要

七孔探针是一种能够同时获得流场中流动速度的大小、方向、总压和静压的气动测量装置，它主要依靠其头部七个孔道中气流压力的相对大小判断气流速度的大小与方向，被广泛应用于低速风洞实验各种大角度的流动测量。

七孔探针测量流动角度范围大并且设备简单、对环境要求低、价格低廉用于流场的测量有着广阔的前景。

本文研究的是一种七孔探针三维自动测速系统的机械结构设计,该机械结构具有两个转动自由度和较高的传动精度。

能够使探针实现相互垂直的回转运动。

该系统由七孔探针，异步电动机，行星齿轮减速器，直锥齿轮，同步带传动系统组成。

其特点是大广角,β角的范围从-65°到75°、高灵敏度、系统的测速范围从4m/s到50m/s、系统的旋转角度从0°到360°。

整个测量过程全部由计算机自动控制,自动进行数据处理。

关键词：

七孔探针风洞实验自动标定

Abstract

Seven-holeprobeisawaytogetthesizeoftheflowfieldflowvelocity,direction,whilethetotalpressureandstaticpressurepneumaticmeasuringdevice,whichmainlydependsonthesizeoftheheadofthesevenchannelsinairpressuretodeterminetherelativesizeoftheflowvelocityanddirection,anditiswidelyusedfortestingavarietyofwide-anglemeasurementoftheflowinlow-speedwindtunnel.Seven-holeprobemeasurementslargeflowanglerange,simpleequipment,lowpriceandlowlyrequestmentontheenvironment.Ithasbroadprospectsinmeasurementoftheflowfield.A3DVelocityautomaticmeasuringsystemusingseven-holeprobeisdiscussedinthispaper.Themechanicalstructurewithtworotationaldegreesoffreedom,thetransmissionaccuracyarehigher.To probe the rotarymotion perpendiculartoeachother.Thesystemdevelopedbytheauthorconsistsofaseven-holeprobe,asteppingmotor,aPlanetarygearreducer,astraightbevelgears,asynchronousbeltsystem.Theadvantagesofthissystemwithlargespaceangle,βisfrom-65°to75°arehighlysensitive.Thevelocityrangeofthissystemisfrom4m/sto50m/s.Therotationangleofthissystemisfrom0°to360°.Theprocessofmeasurementiscontrolledbythecomputer.Theexperimentalresultsshowthattheseven-holeprobetubeautomaticvelocitymeasuringsystemisaveryusefultoolinstudyofaerodynamiccharacteristicsinflowfield.

Keywords:

seven-holeprobe,windtunnelexperiment,automaticcalibration

中文摘要

Abstract

结论

致谢

参考文献

第一章绪论

1.1风洞及七孔探针简介

风洞（windtunnel），是能人工产生和控制气流，以模拟飞行器或物体周围气体的流动，并可量度气流对物体的作用以及观察物理现象的一种管道状实验设备，它是进行空气动力实验最常用、最有效的工具。

图1风洞实验室

组成：

风洞主要由洞体、驱动系统和测量控制系统组成，各部分的形式因风洞类型而异。

图2NF-3低速风洞翼型实验

种类：

风洞种类繁多，有不同的分类方法。

按实验段气流速度大小来区分，可以分为低速、高速和高超声速风洞。

流场测量中,经常遇到复杂的三维大角度流动情况,如燃气轮机涡轮叶片尾缘,飞机翼型附近的复杂流场。

通常用3种测量工具来测量流场中的速度分布:

三孔压力探针,五孔压力探针和热线探头。

但是由于探针只能在俯仰角和侧滑角不超过􀀁30􀀁时才能准确测量,而热线探头则容易被空气中的尘土颗粒碰断,并且测量的是空间平面的平均速度分布,并非是空间一点速度分布。

所以为了测量大角度的复杂三维流场采用七孔压力探针（简称七孔针）。

尽管采用七孔针测量流场需要大量时间并且校验方法也极其复杂,但是可以对大角度流场进行准确的测量。

图3测压孔位置分布

图4探针真实尺寸

七孔压力探针既是一种高性能的流场测量仪器，又是一种有效而又精确的测量方法。

通过测量七个孔的压力值，利用已校准的数据库和局部最小二乘法插值，就能够精确地确定速度的大小和方向、总压和静压、马赫数、雷诺数以及诸如密度和粘性等流场性质。

与激光多普勒测速仪（LDV）、粒子成象测速仪（PIV）以及热线风速仪相比，七孔探针有它自身的优越性：

价格便宜，设备简单，测量方法简单，对环境要求低，精度很高等。

目前许多飞机已广泛采用前缘边条，前掠翼和鸭式布局的飞机也已研制出来。

这些气动布局证明，利用强旋涡控制可提高飞机的机动性。

像协和号超音速客机的机翼，实际上与涡升力的复杂流动有关。

S形弯曲进气道的强漩流也是引起发动机喘震的重要原因之一。

如果机翼上主次涡的干扰处置不当，会引起气流分离和升力损失。

虽然流动显示技术对漩涡干扰可以做到直观而又深刻的了解，但不能进行定量测量。

七孔探针的出现，其目的在于能够高精度地测量流动角高达80度的流动，能用于风洞实验模型周围及其后面尾迹的复杂流动的定量测量。

因此从八十年代以来七孔探针一直被广泛用于大角度复杂流动的测量，其意义在于适应我国航天科学研究发展的需要，为目前和将来能设计出更先进的飞机、为国防事业提供有力的帮助。

虽然现在七孔探针在不可压缩流测量中的应用越来越广泛，但目前的七孔探针测量系统对数据的采集和处理过程也相当繁琐且处理周期比较长，一直没有形成一个高效的测量系统。

特别是在某些特定场合，如全尺寸测量，飞行实测以及恶劣环境下的流动测量等，要求测试系统必须具有稳定性好，操作简单，高精度的特性。

现代海战越来越强调海空协调作战，从而促使海军直升机得到迅速的发展。

海军直升机具有强大反潜反舰等功能，执行不同的任务，投放的导弹或鱼雷也有所不同，因此投放方式有所差距。

有的投放不需要开伞，而有的则需要，飞行投放开伞靠开伞绳的长短来实现。

为了确保加装带伞鱼雷投放的安全性，急需对投雷环境（弹舱下部）的气流流场进行测量，为投放方案设计提供依据。

目前，国内外对直升机流场进行飞行实测研究非常少，直升机复杂的气动特性，特别是在机腹的流场特性，除了受前飞速度的影响外，还受到旋翼所产生的下洗速度，直升机的复杂外形以及自然风等因素的影响，使得流场难以预测。

因此，结合七孔探针流场测量的优点，针对直升机腹部流场测量的要求，开发出一套适用性强，性能优良的七孔探针实时测试系统是十分必要的。

同时，界面友好，实时性强的测试系统也能为七孔探针的广泛应用提供方便。

目前，国内对七孔探针的研究与运用仅局限在低速不可压缩流中，随着四代战斗机的出现，超音速巡航，高机动性成为飞机的重要性能指标，此时对飞机流场的研究仅靠在低速中测量是远远不够的，又由于其他测量手段的局限性，急需对七孔探针在可压缩流中乃至超音速流中应用进行研究。

对七孔探针进行可压缩测量方法研究如果采用实验的方法，则所需采集点数目繁多，对实验仪器的安装与可靠性都要求非常高，同时需要大量的集中气源，使得校准费用变得非常昂贵。

数值计算是近年来在流体力学理论研究和实际工程应用中发挥了巨大作用的有力工具之一，对七孔探针在可压缩中的校准理论研究阶段采用数值计算的手段是非常合理和必要的，通过研究七孔探针的绕流以及受力分析能够为实验方案的设计与优化提供非常有利的帮助。

我国学者对七孔探针已有一定量的研究，在研究实验过程中也发现了七孔探针测量流场时的局限性，受加工工艺水平，测量方法和测量设备的影响。

在解决七孔探针问题的过程中，我们意识到七孔探针作为一种流场测量工具，不仅要求其测量结果合理精确，同样重要的是使用要方便实用，鉴于七孔探针校准及测量方法都很繁琐，所以急需用计算机语言编写出一套完整的校准及测量程序，使其拥有友好实用的界面，方便使用者进行七孔探针测量流场。

七孔探针校准及测量程序要求与硬件设计结合，自动完成数据采集处理过程，校准和测量算法内嵌其中，并且可以扩展变化。

这样，七孔探针就有了继续深入研究和技术发展的平台，七孔探针的使用也会得以简化，使七孔探针应用有更广阔的前景。

1.2探针标定技术的发展状况

近年来，定位系统的研究不断深入，出现了各种定位的先进思想和技术。

如船舶动力定位系统，大型加工工件的定位系统，伺服控制定位系统，工作台定位系统，曲线定位系统等。

动力定位系统于上世纪70年代后期由美国海军研制成功，起初主要应用于潜水艇支持船、军用海底电缆铺设等作业。

从上世纪so年代初开始，随着北海油田、墨西哥湾油田的大规模开发，动力定位系统被广泛应用于油田守护、平台避碰、水下工程施工、海底管线检修、水下机器人（ROV）跟踪等作业。

尤其是90年代以来，随着海上勘探开发逐步向深水（5oom~1500m）和超深水（1500m以上）发展，几乎所有的深水钻井船、油田守护船都装备了动力定位系统。

据初步估计，目前全世界装备动力定位系统的各类船只已超过10（力艘[ll。

在2002年，我国唯一的一艘专门从事国际海底区域资源勘查研究开发的远洋科学考察船一“大洋一号”，进行了高起点的增改装工程，大大提高了全船的技术水平，成为达到国际先进水平的现代化综合性科学考察船。

增改装工程中最重要的内容之一便是增设动力定位系统，以满足科学调查作业的需要。

动力定位系统在“大洋一号”上的应用对于国内船舶动力定位系统的应用与发展有一定借鉴意义。

大型加工工件定位系统是具有尺寸误差自补偿，位置误差自修正功能的大型工件高精度定位系统。

定位系统中采用的沉降锥销方法，基于视觉技术的软件补偿方法在其他定位机构中也具有推广价值，此外，大型磨床数控定位系统采用可编程序控制器的位控技术，利用旋转编码器、直流调速系统、步进电机控制及人机对话等方法，处理双轴在定位控制中的数据采集、位置判别和定位控制，系统实现方法简便灵活，具有较强的抗干扰能力，可实现大型轴承机械加工设备的数控定位控制;

伺服控制定位系统利用具有高速运算能力的DSP处理器为控制器。

实现了一个双伺服环定位控制系统。

该系统达到较高的控制精度和运行效率;对