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1、封 面 本科毕业论文题 目：基于绳牵引并联机构的绳拉力测量数据采集系统姓 名：刘洪淼学 院：物理与机电工程学院系 别：航空系专 业：飞行器动力工程年 级：2008级学 号：19920082203607指导教师（校内）：林麒 职称：教授 2012年 6月 基于绳牵引并联机构的绳拉力测量数据采集系统摘 要 本文提出了基于绳牵引并联支撑系统中飞机模型风洞实验的测力方法，并从硬件设计及软件设计两方面对测力系统进行构建。 所做的主要工作如下： 首先，根据飞机模型风洞试验测力的要求和拉力传感器的特点，搭建测力系统的硬件平台，包括直流电源的选取、传感器的选用、制作放大器、制作端子板，正确安装数据采集卡等。
2、其次，构建测力系统的软件平台，依据AD7501数据采集卡的工作原理，运用Visual Basic软件设计了与本测量系统硬件相匹配的数据采集及处理程序。 最后，建立飞机模型风洞试验的数据采集系统，包括通过实验确定牵引绳的应力应变曲线，选出强度、弹性形变范围及弹性模量符合实验要求的牵引绳；对拉力传感器进行标定，建立各牵引绳拉力与传感器输出信号的对应关系。 关键词： 绳牵引并联机构 测力系统 平台搭建 传感器标定IIIABSTRACTTo calculate model plane wind tunnel test of air power load, we need to know is draw
3、ing rope pulling force. Data acquisition is the key, the data means the appearance of the experiment result, the data is correct or not directly affect the test object air dynamics the correctness of design. This paper puts the method of force measurement based on the rope traction parallel support
4、systems experiment model, I will build two parts of the force measurement system, hardware and software. This article mainly as follows: First of all, set up the force measurement system hardware platform, it includes dc power selection, the selection of sensor, making terminal board, installation d
5、ata acquisition card correctly. Second, build the software platform force measurement system, based on the working principle of AD7501 data acquisition card, design the hardware system of matching data collection and processing procedures with the Visual Basic software. Finally, the force measuremen
6、t system will be accurate calibration, including the drawing rope of elastic modulus measurements, and choose strength enough, in force range for elastic deformation and linear as drawing rope; Sensor calibration, establish the drawing rope tension sensor output signal and the corresponding function
7、 relation. Key Words: Wiredriven Parallel Manipulator Force Measuring System Construction platform Sensor calibration.目 录 封 面I摘 要IABSTRACTII目 录III引 言1第一章测力系统的硬件组成31.1 测力系统简介31.2 传感器的选用31.3 放大器的制作41.3.1放大器部分51.3.1.1单级放大器51.3.1.2 二级放大电路61.3.1.3仪表放大器电路71.3.2 滤波器部分81.4 数据采集卡121.5 端子板及电源131.6 本章小结14第二章 测
8、力系统的软件部份152.1 数据采集卡的正确安装与驱动152.2 软件的开发方式152.2.1软件功能162.2.2采集程序算法的设计172.2.3采集程序的实现182.3 本章小结20第三章 测力系统的标定213.1 传感器标定213.1.1 标定方法213.1.2 标定结果223.2 牵引绳的弹性模量测量263.2.1 绳力学性能实验263.2.2绳拉力实验数据分析273.2.2.1 绳弹性模量的计算273.2.2.2 绳的拉伸曲线283.3 本章小结29第四章 总结与展望304.1 总结304.2 展望30参考文献32致 谢33基于绳牵引并联机构风洞试验的数据采集系统引 言 数据采集系统
9、负责将来自天平或拉力传感器等测量系统的电信号转化成数据，通过多通道数据采集板把传感器送出的模拟信号转化成数字信号送计算机存储。风洞试验的主要目的是要获取飞机模型的各种空气动力参数的变化规律。评价每一种飞行器的飞行性能，除了如速度、高度，飞机重量及发动机推力等要素外，最重要的标准之一是飞行器的空气动力性能。因此，如何通过风洞吹风试验对模型气动载荷进行有效、精确的测量是航空航天科研工作人员致力解决的问题。目前在风洞试验中对模型气动载荷的测量主要是采用风洞天平。风洞天平是测力试验中最重要的测量装置，它将作用在模型上的空气动力载荷(力和力矩)沿三个互相垂直的坐标轴方向分解并精确地测量其大小、方向及作用
10、点。天平性能的优势对风洞测力试验结果的可靠性有着重要的影响，因此风洞天平，除了要求有足够的测量精度和准度，对风洞流场干扰小和不影响模型气动外形外，还要求其具有结构简单、体积小、动态性能好、应用范围广和成本低等优点。气动载荷的测量方法根据其所使用的天平不同而不同。风洞天平根据其工作原理可分为机械天平、应变天平与压电天平等。(1)机械天平主要应用于低速风洞，常见有张线式和硬架式两种。它根据零位测量原理，通过张线或拉杆，将作用在模型上的力和力矩沿预定的相互垂直的坐标系分解，各分量分别作用在预定平衡的几组杠杆上，根据重新调节到平衡状态的调节量的大小可获得模型上的力和力矩。(2)应变天平则应用较广且适用
11、于各类风洞，它利用应变测量的原理，通过天平上的弹性元件表面的应变，用应变计组成的惠斯顿电桥来测量作用在模型上的空气动力载荷。(3)压电天平是利用压电材料(如石英晶体、压电陶瓷)受力后在其表面产生极性相反、电量相等的电荷，且电荷量的值与受力的大小成正比的电荷效应原理来测量作用在模型上的空气动力载荷。它主要用在脉冲型风洞的模型测力试验。然而以上这些风洞天平的研究大多是基于传统的硬式支撑的平台，并且价格昂贵。因为绳牵引并联机构应用于风洞试验是一个新兴的概念，其应用还处于探索阶段。目前能查阅到的文献主要集中在数学模型构建、运动及姿态控制、工作空间分析的理论研究阶段1-7。因此，研究基于绳牵引并联机构支
12、撑的低速风洞模型气动载荷的测量方法是将其推广至实际应用的必要步骤，非常有意义。根据绳牵引并联机构支撑的特点和基本理论，首先对机构进行静力学分析，设计和构建牵引绳系拉力的数据采集系统，主要包括测力传感器、电源电路及接口卡等硬件的选用与制作，数据采集系统软件的设计与构建，测力系统的标定。飞行器模型吹风试验，完成试验数据的处理和分析，即可获得风洞试验所关心的模型各种气动载荷参数。本文的研究为绳牵引并联支撑系统模型气动载荷的测量提供了一种可行的方法，也为今后数据采集系统的改良及其深入研究提供了良好的借鉴并打下了坚实的基础。1第一章 测力系统的硬件组成图1.1 测力系统硬件组成 传感器1传感器8传感器2
13、放大器1放大器8放大器2端子板数据采集卡控制计算机直流电源1.1 测力系统简介The relationship between hardware in system该硬件系统中各组件的相互关系如图1.1所示。建立测力系统的目的是将其用于测量绳牵引并联机构系统中各牵引绳的拉力大小，并通过数据采集卡及采集程序将所测量的拉力信号保存到计算机中，为后续风洞试验中模型气动参数的解算提供必要的实验数据。本文测力系统的主要硬件有拉力传感器、放大器、数据采集卡、端子板、直流电源及控制计算机。在该系统中直流电源为传感器阵列提供激励电源并保证变送器阵列处于正常工作状态，传感器将感测到的力变量转化为微弱的电压信号并
14、输入到放大器；放大器对微弱的电信号进行放大调理以提高信号的带负载能力，并除去信号中夹杂的一些随机干扰信号，使之符合数据采集卡的信号输入要求；放大调理后的各通道信号输入到端子板的对应接口端，并通过37芯D型电缆线传输到数据采集卡进行A/D转换，再传送到控制计算机中进行相关的处理。1.2 传感器的选用传感器是一种以一定的精确度把被测量物理量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。它一般由敏感元件、转换元件、基本转换电路三部分组成。本文根据试验的实际要求提出了一个测力传感器配备一个独立放大滤波器的设计方案，并以物美价廉的原则选用了中航空气动力研究院生产的拉力传感器9，15，具有测
15、量精度高、防尘好、体积小、使用方便、性价比高等特点，其主要技术指标如表1.1所示。表1.1 拉力传感器技术指标Sensor technology index技术参数单位技术指标额定载荷Kg24综合加载精度范围%0.050.09工作温度范围2070桥臂电阻350供桥电压VDC5最大载荷Kg30输出电压V-55表中传感器的额定载荷（即量程）为24Kg。本文选择这一量程的传感器主要从以下几方面来考虑：（a）在本课题的研究范围内牵引绳可能出现的最大拉力；（b）所用飞机模型能够承受的抗拉能力；（c）所用牵引绳的最大承载能力。由于飞机模型设计时安排了一个钢制机体支架，所有牵引绳的拉力均作用在该支架上，所以模型的结构强度在本文可能出现的最大绳拉力作用下不会出现问题。而牵引绳是可以根据其拉力要求来选择的。所以在选择传感器时主要考虑牵引绳可能出
