实验流体力学_6天平(balance).ppt

第五章 天平 （Balance）,气动天平---是测量模型空气动力的一种装置由于空气动力的方向是变化的，故常按分量测量分类气动力天平包括机械天平、应变式天平和磁悬挂天平按测量的分力分为单分量天平、三分量天平、四分量天平、五分量天平、六分量天平 本章主要阐述机械式和应变式天平的工作原理、校准方法和性能指标5.1 机械式天平,机械式天平是利用静力学原理测量空气动力的装置主要用于低速风洞实验 组成： 模型支架和角度机构 力和力矩的分解系统 力和力矩的传递系统 测量元件,1、模型支架,,,模型支架 三支杆：大展弦比和模型实验，阻塞度较大 双支杆：单独机身、小展弦比机翼或模型，迎角大时，前支杆及风挡的尾流影响较大 单支杆双点：阻塞度和尾流影响比较小，但模型载荷较小；,2、角度机构,迎角机构 侧滑角机构,3、力和力矩的分解系统,力矩台和力平台完成气动合力的分解，是机械式天平的关键部分 O点为塔心（前支杆与模型的连接点），为塔式天平的力矩分解点 力矩台 气动力作用下力矩台不运动 力矩作用下力矩台转动 力矩台只有绕通过塔心的三个相互垂直的坐标轴转动的自由度 力平台 悬挂的平衡系统 气动力矩作用下力平台不运动 只有在过塔心的气动力作用下力平台才运动 力平台只具有沿平行于三个相互垂直的坐标轴方向平移的自由度,,模型上的气动合力向塔心简化后，得到一个气动力和气动力矩，气动力仅使力平台运动，气动力矩仅使力矩台转动。

4、力和力矩的传递系统,力平台和力矩平台在气动力和力矩的作用下失去原来的平衡状态而产生相应的平移运动，力和力矩的传递系统就是把这种平移的位移量无损地传递给天平的测量元件 元件：拉杆、摇臂、铰链支座和配重 拉杆：传递轴向拉力和连接作用 摇臂：改变拉杆作用力的方向和大小 铰链支座：用于摇臂、拉杆、秤杆等转动零件需要铰链的地方；对于天平的线性关系和重复性影响很大,,,5、测量元件,最简单测量元件：秤杆、游码、砝码、灵敏度配重、指针和刻度盘组成的杠杆秤；,6、三分量台式天平,只有力平台，没有力矩平台，只能测量阻力Q、升力Y和俯仰力矩Mz 阻力Q：,,,升力Y：,,,消扰机构：消除俯仰力矩或阻力对升力元件的干扰,当Mz0 对左侧：,,,对右侧：,,,,要保证Mz作用下，E点平衡，即不影响升力Y，则：,,,,力矩Mzq：,,注：砝码Wmzq应预先放在力平台上，测力矩时， Wmzq只能在力平台和俯仰力矩元件的砝码盘之间加或减5.2 电阻应变式天平,天平的作用是将空气动力分量通过测量元件感应和传递出来 电阻应变式天平是以应变片为敏感元件测量模型空气动力的装置在应变天平中，测量元件是由应变梁表面的应变来确定空气动力分量的。

测量元件-----弹性元件+电阻应变片+测量电路＋电子放大器其中， 弹性元件的作用是-----通过弹性梁产生的应变来感受空气动力分量的 电阻应变片的作用-----将弹性梁产生的应变转变为电阻的变化 测量电路的作用是-----将电阻的变化转变为电压的变化，作为天平的最终输出量电子放大器：放大微弱电压信号 电阻应变式天平的力和力矩的分解主要依靠弹性元件的结构形状及电阻应变片在测量电路中的合理布置1 电阻应变片的特性,将非电量测量转变为电量测量是一种半导体材料制成的丝状电阻元件电阻变化与弹性梁表面应变之间的关系为：,,当电阻丝被拉伸时，电阻的变化为：,,,,电阻丝的灵敏系数K0为 ：,,,,其它特征有： 机械滞后；2、零漂和蠕变；3、应变片的电阻值；4、最大工作电流； 绝缘电阻；6、温度效应2 测量电路的特性,测量电路的作用是将电阻的变化转变为电压的变化电桥电路来实现 电桥的电阻为R1、R2、R3、R4在AC端输入电压，在BD端为输出电压 现建立输出电压与桥路电阻之间的关系在平衡状态下，U=0，此时：,,,设四个桥臂电阻有微小变化：,,,全桥接线：,3、电桥对消原理,,,5 弹性元件,弹性元件的应变一般为：,,6、应变式天平测力及对消原理,减小干扰方法： （1）结构形状：分层测量 如中性层测升力，外层测力矩。

（2）电桥对消原理 使所有干扰力在测量电桥中没有输出,,,利用中性层进行升力测量,滚转力矩测量,,阻力测量,,5.3 天平性能指标与影响因素,分量数目 测量范围和量程 线性关系 干扰 灵敏度 精密度和准确度,5.4 天平施工,应变片的粘贴 应变片是天平的应变感受元件，为了使应变片能够正确地把天平元件在所测载荷作用下产生的应变转换为电阻增量，必须把应变片准确、牢固地粘贴在天平元件上，为此应作好如下六个方面的工作： 天平元件表面的打磨和清洗 涂粘贴剂底层并进行固化处理 选择和检查应变片 应变片的粘贴 粘贴后的质量检查 应变片和测量线路的防潮处理,,测量线路的敷设、连接和通电检查 应变片粘贴在天平元件上之后，需要通过线路的连接组成测量电桥，并与检测仪表相连接，实现机械应变和电信号之间的转换，并通电检查测量电桥的初读数和漂移情况，采用反复加载的方法，经过一定时间待工作稳定以后，再进行天平的静态校准线路连接应做到： 连线不妨碍天平元件的机械变形，且不易被破坏 绝缘性能良好，可进行防潮处理,,,,,5.5 气动天平的校准,应变天平在完成设计、加工、应变片粘贴和测量线路的敷设、连接等工作以后，在用于风洞内进进行测力实验之前，必须进行校准。

天平校准就是模拟天平的实际受载工作状态（包括受载情况和工作环境），对天平进行标定，检查天平的质量，鉴定天平的性能，为天平使用提供必要的校测数据按校准时对天平施加载荷的性质的不同，天平校准可分为静校准和动校准 天平的静校准就是在静校台架上模拟天平使用时的受力状态对天平施加静载荷，标定天平的各测力主件受载和信号输出的关系，建立天平的使用公式和给出天平的静校精度和准度除此之外，对于一台新设计或重新粘贴应变片的天平，鉴定天平的设计和施工质量，调整天平的静校参考中心，确定线路补偿等，也是天平静校准的工作内容 天平的动校准是根据天平的设计要求，在风洞吹风的条件下，检查结构强度，测定天平温度效应，检查模型实验的重复性及天平的其它工作性能 天平静校的加载坐标系有地轴系和体轴系两种，静校准的方法按加载方法和数据处理方法可分为单元校准和多元校准天平使用公式 应变天平使用公式一般用多项式表示，表达式的一般形式有两种： Fi =f（△ni ，F1，F2，…Ff） （2．1） Fi =f（△ni ，△n1，△n1，…△n f） （2．2） 其中： △ni—第i个分量的输出信号 Fi—第i个分量所测的力 式（2．1）、（2．2）中的项数及各项的次数，根据天平的具体情况进行选取。

对于刚度很大的天平可只取一次项；对一般刚度的天平取到二次项即可满足需要；对于刚度很小的天平还可增加项数1 天平静校公式,天平校准----静校准和动校准主要目的----考察天平的工作性能，确定天平的校准曲线i，j=1,2,3,…,n,简单形式（不考虑干扰）,,气动力干扰可以忽略不计，线性关系好，6个系数,第二种形式（考虑线性干扰量）,,线性关系好，但存性干扰,六次单分力加载求36个系数：,第三种形式（考虑线性干扰和非线性干扰量）,,Ki:第I分量的主系数（6个） Kji：第j个空气动力分量对第I个测量元件的一阶干扰系数（30个） Kimj：第m个空气动力分量和第j个空气动力分量对第I个测量元件的二阶干扰系数（126个）,采用单元加载和复合加载方式，比较复杂,2 用最小二乘法确定天平静校系数,对于六路天平，对于升力分量，设天平仪的六路输出电压为Vx、Vy、Vz、VMx、VMy、VMz，与升力分量的关系为：,,设仅在y方向连续加载n，其它方向不加载则有,,,,知识回顾Knowledge Review,。