天平使用方法 应变式风洞天平详细资料大全

应变式风洞天平详细资料大全  

简称应变天平，是一种套用于风洞中的单分量或多分量的应变式测力感测器，是高、低速风洞中使用最广泛的空气动力测量装置。

基本介绍

中文名：应变式风洞天平外文名：wind tunnel strain gage balance简称：应变天平别称：风洞应变天平 原理,应变天平的测量原理,应变天平的力与力矩分解原理,特点,分类,杆式应变天平,盒式应变天平,其他种类应变天平,应变天平的校准,静态校准,动态校准,

原理

应变天平的测量原理

应变天平是风洞天平的一种，由天平元件（弹性元件）、应变计和测量电路（测量电桥）组成。进行风洞测力试验时，应变天平可以在体轴系中同时测量作用在模型上的空气动力载荷，即三个力（法向力、轴向力与横向力）与三个力矩（俯仰力矩、偏航力矩与俯仰力矩）。风洞试验时，应变天平承受作用在模型上的空气动力载荷，并且把它传递到支撑系统上。天平元件在载荷作用下产生变形，其应变与外力大小成正比。贴上在天平弹性元件表面的应变计也同时产生变形，使其电阻值产生变化。这个电阻增量与应变天平所承受的空气动力载荷值成正比。电阻变化通过惠斯通电桥的放大后表现为电压的改变，将电压信号A/D转换后，输入到计算机上进行处理，即可得到模型上力与力矩。

应变天平的力与力矩分解原理

应变天平通过不同结构形式的测量元件，力求使它们在空气动力载荷的作用下，对各自欲测量分量的载荷敏感，产生相对明显的变形，而对其它分量的载荷不敏感，产生尽量小的变形，实现结构上对力与力矩的机械分解或部分分解。此外，可通过应变计的贴上位置与电桥的设定，可使其他分量所产生的应变不改变电桥平衡状态。对于盒式天平，还可通过弹性连杆的横向自由度来实现机械分解。

特点

与机械天平相比，应变天平有如下特点： （1）质量轻，回响快，电信号传输便于风洞试验的自动化实现。 （2）体积小，可置于模型腔内，不仅可测全模型上的力和力矩，也可测部件模型或外挂物模型上的载荷。 （3）设计、加工简单，成本较低，可根据不同的实验对象设计专用的应变天平。 （4）可适用于尾部支撑、腹部支撑、背部支撑等各种模型支撑方式，满足不同类型风洞试验要求。 （5）即可测模型的静态载荷，也可用于动态测力。

分类

杆式应变天平

杆式天平是最常用的应变天平结构形式。外形一般为圆柱形，也有方柱形。杆式天平的一端与模型连线，称为模型端；另一端与支杆连线，称为支杆端。在两端之间设定不同结构的测量元件，用于测量不同分量的载荷。杆式应变天平 常用的杆式应变天平包括两个框体（固定框与浮动框），通过支撑片与轴向测力元件连线起来，将作用在模型上气动力载荷通过模型端传递到天平浮动框框体上，再通过各个支撑片，与轴向力测量元件传递到固定框体上，最后通过支持端传递到支杆上。 风洞实验时，在应变天平测量中轴向载荷是比较难以测量的一个载荷分量，所以需要把轴向元件设计为独立的元件，尽量减小其他载荷分量对其干扰，轴向单元一般由测量元件与支撑片组成。根据测量元件的受力形式可以分为：拉压梁、水平梁、偏心梁、悬臂梁、和竖直梁等结构形式。 考虑到天平的外形结构尺寸限制，在设计除轴向力以外的元件时，会把升力、侧向力、滚转力矩、偏航力矩、俯仰力矩的测量元件组合设计在一起，形成一个复合式的组合测量元件，一般会设定两组这样的组合元件，沿天平轴线对称布置在天平中心前后。根据测量元件的相对尺寸，组合元件的形式分为柱梁式与片梁式。

盒式应变天平

盒式天平本体由浮动框与固定框两部分组成。浮动框与模型连线，固定框与支杆连线，两个框体之间用多个弹性连杆连线。六分量盒式天平示意图盒式天平与杆式天平相比，盒式天平弹性元件都设定在固定框上。盒式天平刚度大，而且力与力矩的分解较为彻底，因此干扰量小。但盒式天平体积大，主要在低速风洞套用。

其他种类应变天平

除了杆式和盒式天平之外，还有轮辐式天平、片式天平、环式天平等。它们主要套用于有特殊需求的特种试验。特种天平

应变天平的校准

应变天平在完成设计、加工、应变计贴上和测量线路的连线等工作后，在用于风洞试验之前，必须进行校准。天平校准就是模拟天平的实际工作状态对天平进行标定，检查天平的质量，鉴定天平的性能，为天平的使用提供必要的技术依据。天平校准是天平研制过程的最重要环节，校准装置和方法对天平校准效率和未来使用测量精准度有重要影响。 校准可分为静态校准和动态校准。

静态校准

静校是在天平校准设备上，按已知的坐标轴系模拟天平在风洞试验时的状态，对天平精确地施加静态载荷，求得天平各分量的信号输出与校准载荷的变化关系，即天平校准公式，以便在风洞实验中根据天平的信号输出，求得作用在模型上的空气动力载荷。应变天平静态校准指标 对于一台六分量应变天平，在校准公式中，天平校准系数应包括主系数、一次干扰系数、二次干扰系数、三次干扰系数、一次非对称能干扰系数、二次非对称干扰系数和三次非对称干扰系数。美国AIAA地面试验技术委员会提出了96项数学模型，包括1项主系数，5项一次干扰系数，6项二次平方干扰系数，15项二次交叉项干扰系数，6项三次立方干扰系数，51项二次非对称干扰系数，6项三次非对称干扰系数。一般的天平校准公式不考虑非对称性，及使用27项或33项（考虑三次立方干扰系数）校准系数。 天平静校时，按载入方式与数据处理方法不同，可分为单元校准法和多元校准法。单元校准法是指对天平个分量单独载入，载入时其它分量为零或常值，求得校准公式的静校方法。多元校准法是指对天平各分量以不同的组合方式同时载入，并求得校准公式的方法，多元载入校准可以提高载入的工作效率，缩短天平校准周期。 此外，计算天平静校精度、准度与不确定度，给出天平弹性角修正公式，也是天平静校的工作内容。

动态校准

风洞天平静校后还要进行动校。动校是在天平上安装模型后，在风洞实验条件下检验天平的结构强度，测定天平的温度效应，检查模型实验的重复性及天平的其他工作特性。 天平的动校一般包括冲击载荷实验、温度效应实验和标准模型实验。