導(dǎo)讀
風(fēng)洞測(cè)試中對(duì)機(jī)翼翼型的二維測(cè)量，是眾多空氣動(dòng)力學(xué)應(yīng)用中模型預(yù)測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)。這類測(cè)試中，一般需要測(cè)量翼型在不同的受風(fēng)角度下的受力和俯仰力矩，受風(fēng)角度（攻角）的細(xì)微變化能夠造成力和力矩的大幅變動(dòng)，因此，對(duì)攻角的精確測(cè)量是這類測(cè)試中的主要技術(shù)需求。本研究在風(fēng)洞中采用了多個(gè)激光位移傳感器，通過(guò)測(cè)量風(fēng)洞壁與機(jī)翼之間的距離來(lái)精確計(jì)算模型的位置。測(cè)量結(jié)果表明了該技術(shù)能夠測(cè)得以往無(wú)法得到的模型變形和偏轉(zhuǎn)，從而提供更加精確的攻角測(cè)量。
背景
風(fēng)洞測(cè)試結(jié)果通常用來(lái)驗(yàn)證數(shù)值模型，測(cè)得的力、扭矩二維系數(shù)能夠進(jìn)一步推導(dǎo)得到發(fā)動(dòng)機(jī)或者機(jī)翼的力和力矩?？諝鈩?dòng)力學(xué)中常提到的力和力矩對(duì)模型的幾何形狀和攻角參數(shù)非常敏感，1°的攻角的變化會(huì)造成升力系數(shù)11%的變化，這也就意味著在機(jī)翼風(fēng)洞模型的測(cè)量中，攻角精確測(cè)量的重要性。
典型的測(cè)量方案采用的是機(jī)翼舵轉(zhuǎn)臺(tái)貼裝磁性編碼器，磁性編碼器的分辨力較低，例如本研究中模型達(dá)到6000N的升力和500Nm的俯仰力矩后形成的攻角偏置量，無(wú)法被磁性編碼器分辨。并且由于扭曲和彎曲造成的翼展方向的非線性偏轉(zhuǎn)，也會(huì)對(duì)測(cè)量造成影響，無(wú)法判斷具體的空氣動(dòng)力學(xué)狀態(tài)。
在風(fēng)洞模型中引入加速度傳感器能夠解決這個(gè)問(wèn)題，加速度傳感器輸出量的積分反映了模型的位移量和方向。引入多個(gè)加速度傳感器并且持續(xù)記錄，則可以跟蹤模型中多個(gè)點(diǎn)的位移量和方向。除此之外，還有相機(jī)跟蹤標(biāo)志點(diǎn)后處理得到模型偏轉(zhuǎn)變形的測(cè)量技術(shù)，以及激光干涉儀跟蹤模型位置的方案，但是這兩個(gè)技術(shù)都存在復(fù)雜、成本較高的弊端。
創(chuàng)新
本文工作采用激光三角法位移傳感器實(shí)現(xiàn)模型和風(fēng)洞墻壁之間距離的測(cè)量，這個(gè)方案采用商用產(chǎn)品，具有高精度的絕對(duì)距離測(cè)量能力，并且不會(huì)和其他風(fēng)洞測(cè)量設(shè)備產(chǎn)生干涉。
技術(shù)
本文中的風(fēng)洞測(cè)試段是7.3m長(zhǎng)，橫截面為1.85m*1.85m的長(zhǎng)方體區(qū)域，風(fēng)洞墻壁由實(shí)心鋁板組成，機(jī)翼采用0.8m長(zhǎng)的DU96-W-180機(jī)翼，機(jī)翼的舵轉(zhuǎn)臺(tái)角度采用Renishaw LM10直線磁性編碼器進(jìn)行測(cè)量。典型的試驗(yàn)方案是，轉(zhuǎn)動(dòng)舵轉(zhuǎn)臺(tái)到特定角度后進(jìn)行鎖定，開(kāi)啟風(fēng)洞3-4秒，然后安裝與90個(gè)點(diǎn)位的氣壓傳感器進(jìn)行氣壓測(cè)量，氣壓數(shù)據(jù)綜合可以得到機(jī)翼的升力系數(shù)和轉(zhuǎn)矩系數(shù)。四路激光位移傳感器安裝在風(fēng)洞的獨(dú)立位置處，如圖1所示。
圖1. 風(fēng)洞模型中機(jī)翼和激光位移傳感器的安裝圖
使用過(guò)程中，激光位移傳感器的溫漂誤差通過(guò)線性回歸來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償，見(jiàn)圖2所示。同時(shí)，在關(guān)閉風(fēng)洞進(jìn)風(fēng)情況下，機(jī)翼在攻角±16°之間步進(jìn)旋轉(zhuǎn)，通過(guò)記錄角度數(shù)據(jù)和四路激光器的數(shù)據(jù)完成校準(zhǔn)，如圖3，思路激光測(cè)量得到的位移量和轉(zhuǎn)動(dòng)的角度之間存在映射關(guān)系，圖的下方同樣給出了映射的不確定度。
圖2. 激光位移傳感器的溫漂曲線
圖3. 激光位移傳感器和轉(zhuǎn)角之間的校準(zhǔn)曲線
接下來(lái)便是開(kāi)啟風(fēng)洞進(jìn)行實(shí)際的實(shí)驗(yàn)測(cè)量環(huán)節(jié)，激光位移傳感器得到的數(shù)據(jù)和舵轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)角之間的不一致代表了機(jī)翼產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)和變形，具體分析內(nèi)容請(qǐng)見(jiàn)原文。總結(jié)來(lái)看，這種基于激光位移傳感器的測(cè)量方案能夠測(cè)得機(jī)翼模型<0.15°的偏轉(zhuǎn)量，以及<2mm的變形量，相較于其他的測(cè)量方案具有較高的實(shí)用性和可操作性。
關(guān)鍵詞：激光位移傳感器；風(fēng)洞測(cè)試；CMOS線陣相機(jī)