專利名稱：常規天平測量風洞中懸臂支撐模型固有頻率的裝置及方法
技術領域：
本發明涉及一種風洞模型固有頻率的測量裝置及利用該裝置進行測量的方法，特別是涉及一種利用常規天平對風洞中懸臂支撐模型的固有頻率進行測量的裝置以及利用該裝置進行測量的方法。
背景技術：
風洞是研制各種航空航天飛行器的搖籃，而各種飛行器模型在風洞試驗中大多采用懸臂支撐方式進行測力及其它試驗，但是采用懸臂支撐的模型在風洞試驗中容易產生振動，對試驗數據帶來干擾和影響。為了克服干擾、排除影響，需要測量出模型在懸臂支撐狀態下的固有頻率。目前，國內風洞測量懸臂支撐模型固有頻率的方法，通常是采用專用的振動測量系統進行測量，常規的振動測量系統主要由加速度傳感器、力錘、高速數據采集系統和信號處理分析軟件等組成。測試時先將加速度傳感器按測試要求固定在模型腔體內或表面，然后用力錘敲擊模型，使其產生振動，高速數據采集系統采集模型腔體內或表面加速度傳感器的信號，信號處理分析軟件通過對模型腔體內或表面加速度傳感器信號的分析處理，求出模型的固有頻率。現有的風洞固有頻率測試技術的主要缺點是
需要購置價格昂貴的專用振動測量和分析設備；加速度傳感器的安裝困難。加速度傳感器通常采取兩種方法安裝，一種是在模型腔體內安裝，另一種是固定在模型表面，在模型腔體內安裝，需要預留傳感器在模型內部的安裝空間和電纜導線走線的空間，這會增加模型及支桿設計的難度，有時還會因為模型或支桿的諸多限制條件而無法實現傳感器在模型腔體內安裝；當加速度傳感器固定在模型表面，其電纜會牽絆模型影響模型自由振動，還會破壞模型表面的型面；使用成本高。由于裝卸加速度傳感器、連接調試專用的振動測量系統都會增加許多工作，所以費時費力且占用風洞時間長，使完成一次模型固有頻率的測試成本升高；測試結果影響因素多。此方法要么改變了模型的質量分布，要么就有電纜牽絆模型，這兩點都會引起模型固有頻率發生少量的改變，因此會降低固有頻率測量的精準度。

發明內容
本發明的目的是解決現有技術中操作繁瑣、效率低、測量不準確且成本高的問題， 提供一種利用常規天平測量風洞中懸臂支撐模型固有頻率的裝置及方法，該裝置及方法充分利用風洞常規試驗設備測試出懸臂支撐模型的固有頻率，具有不需要增加購置和安裝專用設備且操作簡便、運行可靠、效率高、測值準確可靠等特點，常規風洞均可以使用。為達到上述目的，本發明采用的技術方案是常規天平測量風洞中懸臂支撐模型固有頻率的裝置，包括接頭、支桿、常規天平、天平引出電纜、模型、信號調理器、風洞數據采集系統、數據采集系統監控計算機、橡膠榔頭、數據連續采集軟件、離散數據頻譜分析軟件和電纜，其中支桿聯接在接頭上，常規天平安裝在支桿上，風洞模型與常規天平配裝，天平引出電纜一端連接常規天平，一端與信號調理器連接，信號調理器用于處理常規天平的信號并通過電纜將信號輸送到風洞數據采集系統，數據采集系統監控計算機通過電纜與風洞數據采集系統連接用于監控管理風洞數據采集系統，數據連續采集軟件設置在數據采集系統監控計算機上用于實現連續采集常規天平輸出的模擬信號，離散數據頻譜分析軟件設置在數據采集系統監控計算機上用于對連續采集到的天平信號數據進行頻譜分析計算并得到信號的頻譜曲線，橡膠榔頭位于模型位置用于敲擊模型的各個方向。利用上述裝置測量風洞中懸臂支撐模型固有頻率的方法，包括下列步驟
a、模型及常規天平按常規試驗要求安裝在風洞中，連接到常規天平的信號調理器的濾波設置為不濾波輸出或者為寬帶輸出；
b、模型置于迎角、側滑角、滾轉角均為零度的狀態，啟動數據采集系統監控計算機上的數據連續采集軟件，連續采集常規天平輸出信號，采集結束后保存為靜態天平數據；
C、模型置于迎角、側滑角、滾轉角均為零度的狀態，再次啟動數據采集系統監控計算機上的數據連續采集軟件，連續采集常規天平輸出信號，啟動后，用橡膠榔頭敲擊模型頭部上方位置使之產生縱向振動，振動衰減后，停止采集，保存為縱向敲擊天平數據；
d、模型置于迎角、側滑角、滾轉角均為零度的狀態，再次啟動數據采集系統監控計算機上的數據連續采集軟件，連續采集常規天平輸出信號，啟動后，用橡膠榔頭敲擊模型頭部左側位置使之產生橫向振動，振動衰減后，停止采集，保存為橫向敲擊天平數據；
e、模型置于迎角、側滑角、滾轉角均為零度的狀態，再次啟動數據采集系統監控計算機上的數據連續采集軟件，連續采集常規天平輸出信號，啟動后，用橡膠榔頭敲擊模型左機翼上方中部位置使之產生滾轉振動，振動衰減后，停止采集，保存為滾轉敲擊天平數據；
f、啟動離散數據頻譜分析軟件對上述四次連續采集的數據進行頻譜分析，結果分別保存為靜止天平頻譜結果、縱向敲擊天平Mz元頻譜結果、橫向敲擊天平My元頻譜結果、滾轉敲擊天平Mx元頻譜結果，其中靜止天平頻譜結果包括靜止天平Mz元頻譜結果、靜止天平My 元頻譜結果、靜止天平Mx元頻譜結果；
g、比較分析求出縱向敲擊天平Mz元頻譜結果與靜止天平Mz元頻譜結果的差量，為模型縱向振動的固有頻率；求出橫向敲擊天平My元頻譜結果與靜止天平My元頻譜結果的差量，為模型橫向振動的固有頻率；求出滾轉敲擊天平Mx元頻譜結果與靜止天平Mx元頻譜結果的差量，為模型滾轉方向振動的固有頻率。在上述技術方案中，所述步驟b中，連續采集常規天平輸出信號的時間T取3 6 個激振衰減周期，即連續采集時間T取100秒。在上述技術方案中，所述步驟c中，連續采集常規天平輸出信號的時間為100秒， 并且在啟動連續采集3秒 10秒后，用橡膠榔頭敲擊模型頭部上方位置使之產生縱向振動，敲擊兩次，間隔時間約為15秒鐘，采集結束后保存為縱向敲擊天平數據。在上述技術方案中，所述步驟d中，連續采集常規天平輸出信號的時間為100秒， 并且在啟動連續采集3秒 10秒后，用橡膠榔頭敲擊模型頭部左側位置使之產生橫向振動，敲擊兩次，間隔時間約為15秒鐘，采集結束后保存為橫向敲擊天平數據。在上述技術方案中，所述步驟e中，連續采集常規天平輸出信號的時間為100秒， 并且在啟動連續采集3秒 10秒后，用橡膠榔頭敲擊模型左機翼上方中部位置使之產生滾轉振動，敲擊兩次，間隔時間約為15秒鐘，采集結束后保存為滾轉敲擊天平數據。在上述技術方案中，所述步驟g中，求出敲擊天平頻譜結果與靜止天平頻譜結果的差量，其方法為兩條頻譜曲線在相同頻率位置幅值相減，若幅值的最大差量為平均差量的3倍以上，則幅值的最大差量所對應的頻率為模型該方向振動的固有頻率。在上述技術方案中，所述數據連續采集軟件連續采集常規天平的模擬信號，其采樣率為300 IOOOHz。從上述本發明的各項技術特征可以看出，其優點是
不需要價格昂貴的專用的振動測試和分析設備，只需要常規測力試驗用的常規天平和采集設備即可；
測試時，不需要在模型內部或者外部安裝加速度傳感器，省去了安裝加速度傳感器的過程；
此方法不改變模型的質量分布也沒有電纜牽絆模型，與風洞試驗時狀態一致性較好， 所以測試結果更加精準可靠；
與傳統方法相比，測試簡便快捷，省時省力，效率明顯提高；
本發明的測試方法是充分利用風洞常規試驗設備測試出懸臂支撐模型的固有頻率，具有操作簡便、運行可靠、效率高、測值準確可靠等特點，常規風洞均可以使用。


圖1是本發明測量裝置及其原理示意其中附圖標記1是接頭2是支桿 3是常規天平
4是天平引出電纜 5是模型 6是信號調理器
7是風洞數據采集系統 8是數據采集系統監控計算機
9是橡膠榔頭 10是數據連續采集軟件
11是離散數據頻譜分析軟件 12是電纜。
具體實施例方式下面通過具體實施例并結合附圖對本發明做進一步的說明
如圖1所示，本發明的常規天平測量風洞中懸臂支撐模型固有頻率的裝置，包括接頭、 支桿、常規天平、天平引出電纜、模型、信號調理器、風洞數據采集系統、數據采集系統監控計算機、橡膠榔頭、數據連續采集軟件、離散數據頻譜分析軟件和電纜，其中支桿連接在接頭上，常規天平安裝在支桿上，風洞模型與常規天平配裝，天平引出電纜一端連接常規天平，一端與信號調理器連接，信號調理器用于處理常規天平的信號并通過電纜將信號輸送到風洞數據采集系統，數據采集系統監控計算機通過電纜與風洞數據采集系統連接用于監控管理風洞數據采集系統，數據連續采集軟件設置在數據采集系統監控計算機上用于實現連續采集常規天平輸出的模擬信號，離線數據頻譜分析軟件設置在數據采集系統監控計算機上用于對連續采集到的天平信號數據進行頻譜分析計算并得到信號的頻譜曲線，橡膠榔頭位于模型的上方用于敲擊模型的各個方向。本發明測量的原理是如圖1，當風洞中懸臂支撐的模型受到某種振動激勵后，會產生一個阻尼振動，同時天平的相應分量會感受到此振動信號，數據采集系統即數據連續采集軟件連續采集常規天平的輸出信號，信號處理分析軟件對天平各分量信號進行分析處理，求出模型及其支撐系統的固有頻率。在本發明中，常規天平是指風洞常規測力試驗時安裝在模型內部的能測量加載在模型體上的力和力矩的傳感器設備，一般有六個分量，分別是升力元Y，俯仰力矩元Mz，阻力元X，滾轉力矩元Mx，側力元Z，偏航力矩元My，所述信號調理器即常規的信號濾波放大器，常規測力試驗時，需要將天平信號進行濾波放大處理設置， 而在本發明中測量懸臂支撐模型的固有頻率時，只將天平信號放大，不作濾波處理，風洞數據采集系統，是指風洞試驗時采集風洞流場參數傳感器信號、常規天平信號及模型姿態角傳感器信號的A/D轉換系統；數據連續采集軟件運行在數據采集系統監控計算機上，能夠實現采樣率從300Hz 1000Hz的數據采集；離散數據頻譜分析軟件能夠對采集到的天平數據進行頻譜分析計算，得到信號的頻譜曲線。利用上述裝置進行測量時，其過程為
將支桿安裝在接頭上，將常規天平安裝在支桿上，將常規天平引出電纜連接到信號調理器上，將模型安裝在常規天平上；
調整模型姿態，使迎角、側滑角、滾轉角均等于零度；
設置連接到常規天平的信號調理器的濾波設置為不濾波輸出或者為寬帶輸出； 模型靜止不動，首次啟動數據采集系統監控計算機上的數據連續采集軟件，連續采集常規天平輸出信號100秒，采集結束后保存為靜態天平數據；
第二次啟動數據采集系統監控計算機上的數據連續采集軟件，連續采集常規天平輸出信號100秒，但是當啟動連續采集3 10秒后，用橡膠榔頭敲擊模型頭部上方位置兩次，兩次間隔時間約15秒，采集結束后保存為縱向敲擊天平數據；
第三次啟動數據采集系統監控計算機上的數據連續采集軟件，連續采集常規天平輸出信號100秒，但是當啟動連續采集3 10秒后，用橡膠榔頭敲擊模型頭部左側，敲擊兩次， 兩次間隔時間約15秒，采集結束后保存為橫向敲擊天平數據；
第四次啟動數據采集系統監控計算機上的數據連續采集軟件，連續采集常規天平輸出信號100秒，但是當啟動連續采集3 10秒后，用橡膠榔頭敲擊模型左機翼上方中部，敲擊兩次，兩次間隔時間約15秒，采集結束后保存為滾轉敲擊天平數據；
啟動離散數據頻譜分析軟件對上述4次連續采集的數據進行頻譜分析，結果分別保存為靜止天平頻譜結果、縱向敲擊天平Mz元頻譜結果、橫向敲擊天平My元頻譜結果、滾轉敲擊天平Mx元頻譜結果；
比較分析，求出縱向敲擊天平Mz元頻譜結果與靜止天平Mz元頻譜結果的差量，為模型縱向振動固有頻率；
比較分析，求出橫向敲擊天平My元頻譜結果與靜止天平My元頻譜結果的差量，為模型橫向振動固有頻率；
比較分析，求出滾轉敲擊天平Mx元頻譜結果與靜止天平Mx元頻譜結果的差量，為模型滾轉方向振動固有頻率。本說明書中公開的所有特征，除了互相排斥的特征以外，均可以以任何方式組合。本說明書(包括任何附加權利要求、摘要和附圖)中公開的任一特征，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特征加以替換。即，除非特別敘述，每個特征只是一系列等效或類似特征中的一個例子而已。
權利要求
1.常規天平測量風洞中懸臂支撐模型固有頻率的裝置，其特征在于包括接頭、支桿、常規天平、天平引出電纜、模型、信號調理器、風洞數據采集系統、數據采集系統監控計算機、 橡膠榔頭、數據連續采集軟件、離散數據頻譜分析軟件和電纜，其中支桿聯接在接頭上，常規天平安裝在支桿上，風洞模型與常規天平配裝，天平引出電纜一端連接常規天平，一端與信號調理器連接，信號調理器用于調理常規天平的信號并通過電纜將信號輸送到風洞數據采集系統，數據采集系統監控計算機通過電纜與風洞數據采集系統連接用于監控管理風洞數據采集系統，數據連續采集軟件設置在數據采集系統監控計算機上用于實現連續采集常規天平輸出的模擬信號，離散數據頻譜分析軟件設置在數據采集系統監控計算機上用于對連續采集到的天平信號數據進行頻譜分析計算并繪出信號的頻譜曲線，橡膠榔頭位于模型位置用于敲擊模型的各個方向。
2.利用上述裝置測量風洞中懸臂支撐模型固有頻率的方法，其特征在于包括下列步驟a、模型及常規天平按常規試驗要求安裝在風洞中，連接到常規天平的信號調理器的濾波設置為不濾波輸出或者為寬帶輸出；b、模型置于迎角、側滑角、滾轉角均為零度的狀態，啟動數據采集系統監控計算機上的數據連續采集軟件，連續采集常規天平輸出信號，采集結束后保存為靜態天平數據；C、模型置于迎角、側滑角、滾轉角均為零度的狀態，再次啟動數據采集系統監控計算機上的數據連續采集軟件，連續采集常規天平輸出信號，啟動后，用橡膠榔頭敲擊模型頭部上方位置使之產生縱向振動，振動衰減后，停止采集，保存為縱向敲擊天平數據；d、模型置于迎角、側滑角、滾轉角均為零度的狀態，再次啟動數據采集系統監控計算機上的數據連續采集軟件，連續采集常規天平輸出信號，啟動后，用橡膠榔頭敲擊模型頭部左側位置使之產生橫向振動，振動衰減后，停止采集，保存為橫向敲擊天平數據；e、模型置于迎角、側滑角、滾轉角均為零度的狀態，再次啟動數據采集系統監控計算機上的數據連續采集軟件，連續采集常規天平輸出信號，啟動后，用橡膠榔頭敲擊模型左機翼上方中部位置使之產生滾轉振動，振動衰減后，停止采集，保存為滾轉敲擊天平數據；f、啟動離散數據頻譜分析軟件對上述四次連續采集的數據進行頻譜分析，結果分別保存為靜止天平頻譜結果、縱向敲擊天平Mz元頻譜結果、橫向敲擊天平My元頻譜結果、滾轉敲擊天平Mx元頻譜結果，其中靜止天平頻譜結果包括靜止天平Mz元頻譜結果、靜止天平My 元頻譜結果、靜止天平Mx元頻譜結果；g、比較分析求出縱向敲擊天平Mz元頻譜結果與靜止天平Mz元頻譜結果的差量，為模型縱向振動的固有頻率；求出橫向敲擊天平My元頻譜結果與靜止天平My元頻譜結果的差量，為模型橫向振動的固有頻率；求出滾轉敲擊天平Mx元頻譜結果與靜止天平Mx元頻譜結果的差量，為模型滾轉方向振動的固有頻率。
3.根據權利要求2所述的方法，其特征在于所述步驟b中，連續采集常規天平輸出信號的時間T取3 6個激振衰減周期，即連續采集時間T取100秒。
4.根據權利要求3所述的方法，其特征在于所述步驟c中，連續采集常規天平輸出信號的時間為100秒，并且在啟動連續采集3 10秒后，用橡膠榔頭敲擊模型頭部上方位置使之產生縱向振動，敲擊兩次，間隔時間為15秒鐘，采集結束后保存為縱向敲擊天平數據。
5.根據權利要求4所述的方法，其特征在于所述步驟d中，連續采集常規天平輸出信號的時間為100秒，并且在啟動連續采集3 10秒后，用橡膠榔頭敲擊模型頭部左側位置使之產生橫向振動，敲擊兩次，間隔時間為15秒鐘，采集結束后保存為橫向敲擊天平數據。
6.根據權利要求5所述的方法，其特征在于所述步驟e中，連續采集常規天平輸出信號的時間為100秒，并且在啟動連續采集3 10秒后，用橡膠榔頭敲擊模型左機翼上方中部位置使之產生滾轉振動，敲擊兩次，間隔時間為15秒鐘，采集結束后保存為滾轉敲擊天平數據。
7.根據權利要求2-6所述的方法，其特征在于所述步驟g中，求出敲擊天平頻譜結果與靜止天平頻譜結果的差量，其方法為兩條頻譜曲線在相同頻率位置幅值相減，若幅值的最大差量為平均差量的3倍以上，則幅值的最大差量所對應的頻率為該方向振動的固有頻率。
8.根據權利要求7所述方法，其特征在于所述數據連續采集軟件連續采集常規天平的模擬信號，其采樣率為300 1000Hz。
全文摘要
本發明為常規天平測量風洞中懸臂支撐模型固有頻率的裝置及方法，涉及一種風洞模型固有頻率的測量裝置及利用該裝置進行測量的方法。本發明的目的是解決現有技術中操作繁瑣、效率低、測量不準確且成本高的問題。當風洞中懸臂支撐的模型受到某種振動激勵后，會產生一個阻尼振動，同時天平的相應分量會感受到此振動信號，數據采集系統及數據采集軟件連續采集常規天平的輸出信號，信號處理分析軟件對天平各分量信號進行分析處理，求出模型及其支撐系統的固有頻率。該裝置及方法充分利用風洞常規試驗設備測試出懸臂支撐模型的固有頻率，具有操作簡便、運行可靠、效率高、測值準確可靠等特點，常規風洞均可以使用。
文檔編號G01M9/02GK102538941SQ201210002588
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月6日 優先權日2012年1月6日
發明者吳軍強, 唐亮, 孫寧, 師建元, 易凡, 李平, 毛代勇, 王春, 范長海, 蔣鴻, 薛江平, 謝艷, 郭秋亭, 金志偉, 鐘世東 申請人:中國空氣動力研究與發展中心高速空氣動力研究所