應變式風洞天平

簡稱應變天平，是一種套用於風洞中的單分量或多分量的應變式測力感測器，是高、低速風洞中使用最廣泛的空氣動力測量裝置。

基本介紹

• 中文名：應變式風洞天平
• 外文名：wind tunnel strain gage balance
• 簡稱：應變天平
• 別稱：風洞應變天平

原理

應變天平的測量原理

應變天平是風洞天平的一種，由天平元件（彈性元件）、應變計和測量電路（測量電橋）組成。進行風洞測力試驗時，應變天平可以在體軸系中同時測量作用在模型上的空氣動力載荷，即三個力（法向力、軸向力與橫向力）與三個力矩（俯仰力矩、偏航力矩與俯仰力矩）。風洞試驗時，應變天平承受作用在模型上的空氣動力載荷，並且把它傳遞到支撐系統上。天平元件在載荷作用下產生變形，其應變與外力大小成正比。貼上在天平彈性元件表面的應變計也同時產生變形，使其電阻值產生變化。這個電阻增量與應變天平所承受的空氣動力載荷值成正比。電阻變化通過惠斯通電橋的放大後表現為電壓的改變，將電壓信號A/D轉換後，輸入到計算機上進行處理，即可得到模型上力與力矩。

應變天平的力與力矩分解原理

應變天平通過不同結構形式的測量元件，力求使它們在空氣動力載荷的作用下，對各自欲測量分量的載荷敏感，產生相對明顯的變形，而對其它分量的載荷不敏感，產生儘量小的變形，實現結構上對力與力矩的機械分解或部分分解。此外，可通過應變計的貼上位置與電橋的設定，可使其他分量所產生的應變不改變電橋平衡狀態。對於盒式天平，還可通過彈性連桿的橫向自由度來實現機械分解。

特點

與機械天平相比，應變天平有如下特點：

（1）質量輕，回響快，電信號傳輸便於風洞試驗的自動化實現。

（2）體積小，可置於模型腔內，不僅可測全模型上的力和力矩，也可測部件模型或外掛物模型上的載荷。

（3）設計、加工簡單，成本較低，可根據不同的實驗對象設計專用的應變天平。

（4）可適用於尾部支撐、腹部支撐、背部支撐等各種模型支撐方式，滿足不同類型風洞試驗要求。

（5）即可測模型的靜態載荷，也可用於動態測力。

分類

桿式應變天平

桿式天平是最常用的應變天平結構形式。外形一般為圓柱形，也有方柱形。桿式天平的一端與模型連線，稱為模型端；另一端與支桿連線，稱為支桿端。在兩端之間設定不同結構的測量元件，用於測量不同分量的載荷。

桿式應變天平

常用的桿式應變天平包括兩個框體（固定框與浮動框），通過支撐片與軸向測力元件連線起來，將作用在模型上氣動力載荷通過模型端傳遞到天平浮動框框體上，再通過各個支撐片，與軸向力測量元件傳遞到固定框體上，最後通過支持端傳遞到支桿上。

風洞實驗時，在應變天平測量中軸向載荷是比較難以測量的一個載荷分量，所以需要把軸向元件設計為獨立的元件，儘量減小其他載荷分量對其干擾，軸向單元一般由測量元件與支撐片組成。根據測量元件的受力形式可以分為：拉壓梁、水平梁、偏心梁、懸臂樑、和豎直梁等結構形式。

考慮到天平的外形結構尺寸限制，在設計除軸向力以外的元件時，會把升力、側向力、滾轉力矩、偏航力矩、俯仰力矩的測量元件組合設計在一起，形成一個複合式的組合測量元件，一般會設定兩組這樣的組合元件，沿天平軸線對稱布置在天平中心前後。根據測量元件的相對尺寸，組合元件的形式分為柱樑式與片梁式。

盒式應變天平

盒式天平本體由浮動框與固定框兩部分組成。浮動框與模型連線，固定框與支桿連線，兩個框體之間用多個彈性連桿連線。

六分量盒式天平示意圖

盒式天平

與桿式天平相比，盒式天平彈性元件都設定在固定框上。盒式天平剛度大，而且力與力矩的分解較為徹底，因此干擾量小。但盒式天平體積大，主要在低速風洞套用。

其他種類應變天平

除了桿式和盒式天平之外，還有輪輻式天平、片式天平、環式天平等。它們主要套用於有特殊需求的特種試驗。

特種天平

應變天平的校準

應變天平在完成設計、加工、應變計貼上和測量線路的連線等工作後，在用於風洞試驗之前，必須進行校準。天平校準就是模擬天平的實際工作狀態對天平進行標定，檢查天平的質量，鑑定天平的性能，為天平的使用提供必要的技術依據。天平校準是天平研製過程的最重要環節，校準裝置和方法對天平校準效率和未來使用測量精準度有重要影響。

校準可分為靜態校準和動態校準。

靜態校準

靜校是在天平校準設備上，按已知的坐標軸系模擬天平在風洞試驗時的狀態，對天平精確地施加靜態載荷，求得天平各分量的信號輸出與校準載荷的變化關係，即天平校準公式，以便在風洞實驗中根據天平的信號輸出，求得作用在模型上的空氣動力載荷。

應變天平靜態校準指標

對於一台六分量應變天平，在校準公式中，天平校準係數應包括主係數、一次干擾係數、二次干擾係數、三次干擾係數、一次非對稱能幹擾係數、二次非對稱干擾係數和三次非對稱干擾係數。美國AIAA地面試驗技術委員會提出了96項數學模型，包括1項主係數，5項一次干擾係數，6項二次平方干擾係數，15項二次交叉項干擾係數，6項三次立方干擾係數，51項二次非對稱干擾係數，6項三次非對稱干擾係數。一般的天平校準公式不考慮非對稱性，及使用27項或33項（考慮三次立方干擾係數）校準係數。

天平靜校時，按載入方式與數據處理方法不同，可分為單元校準法和多元校準法。單元校準法是指對天平個分量單獨載入，載入時其它分量為零或常值，求得校準公式的靜校方法。多元校準法是指對天平各分量以不同的組合方式同時載入，並求得校準公式的方法，多元載入校準可以提高載入的工作效率，縮短天平校準周期。

此外，計算天平靜校精度、準度與不確定度，給出天平彈性角修正公式，也是天平靜校的工作內容。

動態校準

風洞天平靜校後還要進行動校。動校是在天平上安裝模型後，在風洞實驗條件下檢驗天平的結構強度，測定天平的溫度效應，檢查模型實驗的重複性及天平的其他工作特性。

天平的動校一般包括衝擊載荷實驗、溫度效應實驗和標準模型實驗。