一种模型倾角测量装置的校准装置及其校准方法
阅读说明：本技术 一种模型倾角测量装置的校准装置及其校准方法 (Calibration device and calibration method for model inclination angle measurement device ) 是由 阎成 邓晓曼 蒋明华 蒋婧妍 范金磊 马列波 邓章林 贾霜 张胜 李兵 车林森 于 2021-10-18 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种模型倾角测量装置的校准装置及其校准方法。校准装置包括地面校准装置和模型校准装置；地面校准装置为固定在地面的地面测试平台；模型校准装置为安装在试验模型内腔的模型测试平台。校准方法基于校准装置,校准对象为模型倾角测量装置,模型倾角测量装置集成有石英倾角仪和振动传感器；校准过程中模型倾角测量装置通过RS-422通讯协议与计算机进行数据交换。本发明的模型倾角测量装置的校准装置及其校准方法获得了石英倾角仪的静态校准公式和滤波截至频率,获得了振动传感器的带通截至频率,实现了动态环境下风洞模型俯仰角的高精度测量的模型倾角测量装置的校准,为开展相关试验提供了技术支持。(The invention discloses a calibration device and a calibration method for a model inclination angle measurement device. The calibration device comprises a ground calibration device and a model calibration device; the ground calibration device is a ground test platform fixed on the ground; the model calibration device is a model test platform arranged in the inner cavity of the test model. The calibration method is based on a calibration device, a calibration object is a model inclination angle measuring device, and the model inclination angle measuring device is integrated with a quartz inclinometer and a vibration sensor; and the model inclination angle measuring device exchanges data with the computer through an RS-422 communication protocol in the calibration process. The calibration device and the calibration method of the model inclination angle measuring device of the invention obtain the static calibration formula and the filtering cutoff frequency of the quartz inclinometer, obtain the band-pass cutoff frequency of the vibration sensor, realize the calibration of the model inclination angle measuring device for the high-precision measurement of the wind tunnel model pitch angle in the dynamic environment, and provide technical support for developing the related tests.)
技术领域
本发明属于风洞试验技术领域，具体涉及一种模型倾角测量装置的校准装置及其校准方法。
背景技术
风洞常规的模型迎角测量实现方式是，首先实测模型支撑机构角度，再通过天平弹性角修正与换算获得模型姿态角。由于风洞模型支撑机构通过传动装置带动模型运动，机构角度连接间隙与角度换算会引入误差，静态加载获得天平弹性角修正公式也会引入误差，因此这种间接方式测得的模型迎角精度一般只有±0.05°。尤其是，当“模型—支杆”系统连续运行下时，振动、向心加速度等工况条件会对试验数据产生影响，更难获得高精度的试验数据。需要进行实时测量和误差补偿修正，如：J7模型在跨超声速，α=4°作试验，阻力系数Cx误差的25％是由迎角误差引起，ΔCx=±0.0001所对应的迎角误差为Δα＝±0.01°。因此，实现模型迎角的实时直接精确测量对于确保获取高精度连续气动力试验数据尤为重要。为此，配套研制了基于惯性技术的模型倾角测量装置，实现了高速风洞高冲击、强振动工况下的模型倾角精确测量。
由于在风洞试验过程中，振动、向心加速度以及安装失准引起的耦合误差等干扰因素，将会严重影响模型倾角测量装置的测量精度，故亟需发展一种适用于模型倾角测量装置的校准装置及其校准方法。
发明内容
本发明所要解决的一个技术问题是提供一种模型倾角测量装置的校准装置，本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种模型倾角测量装置的校准方法。
本发明的模型倾角测量装置的校准方法，通过模型测试平台完成试验模型俯仰角度与模型倾角测量装置的俯仰角度的偏差校测。
本发明的模型倾角测量装置的校准方法，通过模型测试平台，采用橡皮锤敲击的方式完成试验模型的振动频率测试。
本发明的模型倾角测量装置的校准方法，将石英倾角仪的滤波截至频率和振动传感器的带通截至频率写入模型倾角测量装置。
本发明的模型倾角测量装置的校准装置，其特点是，所述的校准装置包括地面校准装置和模型校准装置；所述的地面校准装置为固定在地面的地面测试平台；所述的模型校准装置为安装在试验模型内腔的模型测试平台；
所述的地面测试平台包括固定在地面的隔振安装支座，安装在隔振安装支座上表面的安装平台，安装平台上设置有卡槽，多齿分度台的支座装卡在卡槽内，多齿分度台的测试平台的水平面上开有与模型倾角测量装置的底板的安装孔相匹配的若干个螺钉孔；多齿分度台外接程控系统；其中，安装平台平面度偏差＜0.01/1000，扭曲＜0.01/1000，具有水平调节能力；多齿分度台的最小分度值为0.5°；测试平台水平面的精度等级为I级，平面度误差＜10μm；测试平台水平面与多齿分度台主轴径向平面的垂直度＜1′；
所述的模型测试平台为圆筒结构，圆筒的上方和后端开口，圆筒的前端封闭；圆筒的前端设置有安装孔，安装螺钉通过安装孔将模型测试平台固定在试验模型内腔；在圆筒的内壁，底部上表面设置有水平的安装平面，安装平面上开有与模型倾角测量装置的底板的安装孔相匹配的若干个模型倾角测量装置安装孔；圆筒的上方筒壁开口的位置，设置有两个平行的俯仰角滚转角测量平面。
本发明的模型倾角测量装置的校准方法基于模型倾角测量装置的校准装置，校准对象为模型倾角测量装置，模型倾角测量装置集成有石英倾角仪和振动传感器；校准过程中模型倾角测量装置通过RS-422通讯协议与计算机进行数据交换；
石英倾角仪校准方法包括以下步骤：
a1．安装平台的调平；手动调节位于隔振安装支座下方的四个角位置处的高度调节器，确保安装平台的上表面处于水平状态；
a2．测试平台的水平面调平；测量测试平台的水平面角度，启动程控系统，通过多齿分度台将测试平台的水平面角度调整到0°并标记为零位；
a3．安装模型倾角测量装置；通过螺钉将模型倾角测量装置固定安装在测试平台的水平面；
a4．模型倾角测量装置的石英倾角仪的校准；在模型倾角测量装置的量程范围内，设置阶梯角度序列；通过程控系统按照阶梯角度序列依次改变测试平台的转动角度，计算机记录模型倾角测量装置的石英倾角仪输出数据，采用最小二乘法拟合获得石英倾角仪的校准公式：
式中：g i 为攻角角度值，rad；
data8 i 为与g i 呈一一对应关系的石英倾角仪输出值，V；
为零阶系数；
为一阶系数；
为二阶系数；
a5.将模型倾角测量装置的石英倾角仪的校准公式系数由计算机通过RS-422通讯协议写入模型倾角测量装置中；
石英倾角仪的滤波截至频率和振动传感器的带通截至频率校准方法包括以下步骤：
b1.安装模型测试平台；安装螺钉穿过安装孔，拧入试验模型内腔设置的螺钉孔，将模型测试平台固定安装在试验模型内腔；
b2.调平模型测试平台；测量俯仰角滚转角测量平面的滚转角度，调平俯仰角滚转角测量平面，拧紧安装螺钉，确保模型测试平台的滚转角度小于1′；
b3.安装模型倾角测量装置；在模型倾角测量装置安装孔上拧紧螺钉，将模型倾角测量装置安装在模型测试平台上；
b4.进行试验模型的振动频率校准；使用橡皮锤敲击模型，计算机采集模型倾角测量装置振动数据，采用频谱分析算法获得试验模型的一阶振动频率f1和二阶振动频率f2；
b5.设定模型倾角测量装置的滤波参数值；滤波参数值下限值fdown=f1-fa，滤波参数值上限值fup=f2+fb，fa和fb为手动设定值，fa和fb的取值范围为5 Hz～10Hz；
b6.取石英倾角仪的滤波截至频率为fdown，将石英倾角仪的滤波截至频率fdown通过RS-422通讯协议写入模型倾角测量装置；
b7.取振动传感器的带通截至频率为fdown、fup，通过RS-422通讯协议写入模型倾角测量装置；
b8.试验模型俯仰角度与模型倾角测量装置俯仰角度的偏差校测；通过风洞支撑机构调节试验模型的俯仰角至零度，此时以俯仰角滚转角测量平面为测量基准，采用高精度水平仪获得模型测试平台的俯仰角度αM0，同时通过计算机采集获得模型倾角测量装置的俯仰角度αA0，由此获得试验模型俯仰角度与模型倾角测量装置俯仰角度的偏差值Δα0=αM0-αA0；
b9.试验模型俯仰角度与模型倾角测量装置俯仰角度的偏差值Δα0通过RS-422通讯协议写入模型倾角测量装置。
进一步地，所述的阶梯角度序列的阶梯角度数为5个~11个。
本发明的模型倾角测量装置的校准方法适用于动态测量的模型倾角测量装置的校准，获得了石英倾角仪的静态校准公式和滤波截至频率，获得了振动传感器的带通截至频率，实现了动态环境下风洞模型俯仰角的高精度测量的模型倾角测量装置的校准，为开展相关试验提供了技术支持。
附图说明
图1为本发明的模型倾角测量装置的校准装置中的地面校准装置；
图2为本发明的模型倾角测量装置的校准装置中的模型校准装置。
图中，1.安装平台；2.多齿分度台；3.测试平台；4.模型倾角测量装置；5.模型测试平台；6.安装孔；7.安装螺钉；8.模型倾角测量装置安装孔；9.俯仰角滚转角测量平面。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明。
实施例1
本实施例的模型倾角测量装置的校准装置包括如图1所示的地面校准装置和如图2所示的模型校准装置；所述的地面校准装置为固定在地面的地面测试平台；所述的模型校准装置为安装在试验模型内腔的模型测试平台5；
所述的地面测试平台包括固定在地面的隔振安装支座，安装在隔振安装支座上表面的安装平台1，安装平台1上设置有卡槽，多齿分度台2的支座装卡在卡槽内，多齿分度台2的测试平台3的水平面上开有与模型倾角测量装置4的底板的安装孔相匹配的若干个螺钉孔；多齿分度台2外接程控系统；其中，安装平台1平面度偏差＜0.01/1000，扭曲＜0.01/1000，具有水平调节能力；多齿分度台2的最小分度值为0.5°；测试平台3水平面的精度等级为I级，平面度误差＜10μm；测试平台3水平面与多齿分度台2主轴径向平面的垂直度＜1′；
所述的模型测试平台5为圆筒结构，圆筒的上方和后端开口，圆筒的前端封闭；圆筒的前端设置有安装孔6，安装螺钉7通过安装孔6将模型测试平台5固定在试验模型内腔；在圆筒的内壁，底部上表面设置有水平的安装平面，安装平面上开有与模型倾角测量装置4的底板的安装孔相匹配的若干个模型倾角测量装置安装孔8；圆筒的上方筒壁开口的位置，设置有两个平行的俯仰角滚转角测量平面9。
本实施例的模型倾角测量装置的校准方法基于模型倾角测量装置的校准装置，校准对象为模型倾角测量装置4，模型倾角测量装置4集成有石英倾角仪和振动传感器；校准过程中模型倾角测量装置4通过RS-422通讯协议与计算机进行数据交换；
石英倾角仪校准方法包括以下步骤：
a1．安装平台1的调平；手动调节位于隔振安装支座下方的四个角位置处的高度调节器，确保安装平台1的上表面处于水平状态；
a2．测试平台3的水平面调平；测量测试平台3的水平面角度，启动程控系统，通过多齿分度台2将测试平台3的水平面角度调整到0°并标记为零位；
a3．安装模型倾角测量装置4；通过螺钉将模型倾角测量装置4固定安装在测试平台3的水平面；
a4．模型倾角测量装置4的石英倾角仪的校准；在模型倾角测量装置4的量程范围内，设置阶梯角度序列；通过程控系统按照阶梯角度序列依次改变测试平台3的转动角度，计算机记录模型倾角测量装置4的石英倾角仪输出数据，采用最小二乘法拟合获得石英倾角仪的校准公式：
式中：g i 为攻角角度值，rad；
data8 i 为与g i 呈一一对应关系的石英倾角仪输出值，V；
为零阶系数；
为一阶系数；
为二阶系数；
a5.将模型倾角测量装置4的石英倾角仪的校准公式系数由计算机通过RS-422通讯协议写入模型倾角测量装置4中；
石英倾角仪的滤波截至频率和振动传感器的带通截至频率校准方法包括以下步骤：
b1.安装模型测试平台5；安装螺钉7穿过安装孔6，拧入试验模型内腔设置的螺钉孔，将模型测试平台5固定安装在试验模型内腔；
b2.调平模型测试平台5；测量俯仰角滚转角测量平面9的滚转角度，调平俯仰角滚转角测量平面9，拧紧安装螺钉7，确保模型测试平台5的滚转角度小于1′；
b3.安装模型倾角测量装置4；在模型倾角测量装置安装孔8上拧紧螺钉，将模型倾角测量装置4安装在模型测试平台5上；
b4.进行试验模型的振动频率校准；使用橡皮锤敲击模型，计算机采集模型倾角测量装置4振动数据，采用频谱分析算法获得试验模型的一阶振动频率f1和二阶振动频率f2；
b5.设定模型倾角测量装置4的滤波参数值；滤波参数值下限值fdown=f1-fa，滤波参数值上限值fup=f2+fb，fa和fb为手动设定值，fa和fb的取值范围为5 Hz～10Hz；
b6.取石英倾角仪的滤波截至频率为fdown，将石英倾角仪的滤波截至频率fdown通过RS-422通讯协议写入模型倾角测量装置4；
b7.取振动传感器的带通截至频率为fdown、fup，通过RS-422通讯协议写入模型倾角测量装置4；
b8.试验模型俯仰角度与模型倾角测量装置4俯仰角度的偏差校测；通过风洞支撑机构调节试验模型的俯仰角至零度，此时以俯仰角滚转角测量平面9为测量基准，采用高精度水平仪获得模型测试平台5的俯仰角度αM0，同时通过计算机采集获得模型倾角测量装置4的俯仰角度αA0，由此获得试验模型俯仰角度与模型倾角测量装置4俯仰角度的偏差值Δα0=αM0-αA0；
b9.试验模型俯仰角度与模型倾角测量装置4俯仰角度的偏差值Δα0通过RS-422通讯协议写入模型倾角测量装置4。
进一步地，所述的阶梯角度序列的阶梯角度数为5个~11个。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的高超声速边界层转捩模式方法领域。对于熟悉本领域的人员而言，在不脱离本发明原理的前提下，可容易地实现另外的改进和润饰，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
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