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1、动态压力风洞实验数据处理软件使用手册目 录第一章 绪论11.1风洞数据采集系统特点11.2风洞数据采集系统现状与发展21.3本软件主要功能特点3第二章 动态压力测量方法52.1 测压导管的传递函数52.2 两通道的传递函数62.3 不同外径导管传递函数的模值比和相位差72.4 动态数据处理技术112.5 结论12第三章 动态压力风洞实验数据处理软件的设计与实现133.1 软件需求分析133.2 软件功能设计143.3软件流程设计153.4 软件界面设计17第四章动态压力数据处理系统调试244.1 动态线性度检定244.2 动态误差限检定24第一章 绪论 1.1风洞数据采集系统特点风洞是进行空气
2、动力学研究的重要试验装置。风洞试验装置包括测量系统、数据采集系统、模型姿态及控制系统、风速控制系统等。风洞试验中要采集大量的数据，主要有试验模型的升力、阻力、力矩、模型表面压、温度、洞体压力、模型角度等，这些数据依靠热线风速仪、压力扫描阀、应变天平、激光位移计、加速度传感器等进行量测。早期，风洞试验为人工读数和手动方式，试验周期长，数据量大，试验精度低，处理周期长。为了提高风洞试验效率、试验精度及试验水平，从20世纪70年代开始，各风洞逐步引入了数据采集系统。由数据采集系统负责将来自天平或压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
3、存储。风洞数据采集系统具有如下特点:(1)高速、高精度、具有强的抗干扰能力风洞试验数据的精度直接影响到试验对象的空气动力学设计的正确性。风洞数据采集系统应具有高速、高精度、具有强的抗干扰能力。气动力系数中模型的阻尼系数CX的试验精度要达到0.0001，风洞各参数测量精度要求为总压精度0.07%，静压精度0.07%，总温精度1%，法向力精度0.08%，轴向力精度0.08%，迎角精度0.01%。目前计算机技术在速度和内存量等方面不断提高，为高速、高精度、多路并行采集以及实时数据传输等创造了必要的条件。单路A/D数据采集系统来分时采集的多路数据采集系统在风洞试验中己成为基本配置，但其不能满足真正的实
4、时、同步采集的要求。并行动态数据采集系统已成为一个基本的发展趋势。它将多路A/D采集电路并行处置，用同一个触发信号同时启动各路A/D进行编码，保证了各路信号采集的严格同步性，对某瞬态时刻各路信号的分析具有十分重要的意义。同时由于不再使用模拟开关，使各路信号间的串模干扰减到了最小，系统精度可获得进一步提高。(2)采集参数多，点数多风洞试验主要有常规测力、测压试验、流场校测、动态试验等。常规试验中采集参数有六分量天平信号、风速、试验段压力、模型底部压力、大气压、风洞的洞温、室温，大约二十几个参数。模型表面压力采集参数有几十点到上千点。流场压力采集数据的点较多，一般风洞从几百点到几千点。动态试验参数
5、有脉动压力及各种交变振动信号，一般几点到几十点。由于采用压力传感器配常规数据采集系统测得可测点数较少。当需测点数较多时，则普遍采用电子扫描阀一测压或者用压敏漆技术实现光学测压。(3)具备数据实时采集、存储、调用、分析、输出等功能能进行实时数据的自动采集与处理，能实时显示重要的试验参数，能保存采集的原始数据和实时计算的结果数据，能将实时显示数据发送到用户工作间内的显示系统中，要求风洞数据分析处理系统能接收和保存由数据采集计算机发送来的数据结果，能建立风洞吹风的数据库，能查看、调用数据库，能对每次的数据进行综合分析，能在高分辨率的图形屏幕上显示供给综合分析用的数据与曲线，能打印和绘图输出数据。能通
6、过网络与控制系统计算机联系，有自检、自校能力。为达到这些要求，风洞数据采集系统需配置高性能、高速度、大容量、高可靠性的计算机系统。配置高性能数据库管理软件，要求人机界面美观、使用方便。配置高速打印机(激光打印机)，可读写光驱，绘图仪，高分辨率彩色图形显示器等。1.2风洞数据采集系统现状与发展风洞数据采集系统从20世纪70年代到现在，已经更新了几代，采集速度从每秒几十次己提高到每秒几十万次，精度从0.5%提高到0.02%。从风洞数据采集系统用途上可分为常规数据采集系统和高速数据采集系统。(1)风洞常规数据采集系统风洞常规数据采集系统用于风洞稳静态试验，是指常规测力、测压试验。该系统一般采用巡回扫
7、描式采集系统结构形式，一个系统有几十个到几百个数据采集通道，利用多路采样开关共用一个A/D转换器。目前，国内外风洞中正在使用的常规数据采集系统有:Neff62O数据采集系统、PRESTON数据采集系统、HD2000数据采集系统、ODYSSEY数据采集系统、PACIFL6000数据采集系统、PC机数据采集系统。目前风洞常规试验要求系统速度10Oks/s，通道数从64路128路，精度0.02%。传感器精度不提高，过高的提高系统精度无意义。动态试验每通道一个16位A/D速率100ks/s，精度0.1%足够。前面的几种系统基本满足风洞试验要求。(2)风洞高速数据采集系统风洞高速数据采集系统用于风洞动态
8、试验，该系统各数据采集通道并行工作，每个通道具备一个高频响放大器、一个高速A/D转换器、一个大容量存储器及一个高速DSP数字信号处理器。高速数据采集系统的核心是高速高精度的A/D转换器和数字信号处理器。这两种芯片近年来得到了极为迅速的发展。例如 Nat1onal公司的 ADC081000型高速A/D转换器，其转换速度高达1000Ms/s，分辨率达sbit。又如Tl公司的nSP芯片从TMS320C3X系列己发展到TMS32OC64x钾，而且处理的内容和能力大大加强。风洞高速数据采集系统另一个重要方面是信号的采集、显示、存储、传输和处理的软件技术，在此基础上，产生了虚拟仪器技术，可以灵活的集成数据
9、采集系统。对系统用软面板进行操作和控制，可以实时监视测量参数或与处理结果(如平均值、谱分析FFT、数字滤波、工程单位转换等)。还可以将采集存储的数据作事后处理，以得到各种所需的试验结果的图形、曲线、图表等，并能够又快又好的得到测试结果或试验报告，大大提高了试验的效率。为适应不同场合应用，可形成不同的结构大致有单独专用数据采集系统，插卡式总线数据采集系统，分布式采集系统，网络式采集系统等。风洞动态试验要求采集的速率越来越高。因此采集的方式，从扫描式采集发展到并行采集，近年来还出现了交替式采集，将通道采样速率提高到IGs/s的水平，并能够以较高的采样速率实现长时间的稳态数据采集和具有实时在线监控功
10、能。风洞与计算机一体化将会使风洞试验效率和试验质量大幅度的提高。风洞试验效率的提高，不仅表现在过程控制的自动化方面，而且，测力、测压一体化试验，发动机与机体一体化试验，以及静态、动态一体化试验也都是未来的发展方向。1.3本软件主要功能特点低速风洞数据采集系统，包括硬件设计与软件设计两方面。设计时考虑到虚拟仪器的诸多优点，加上Pxl总线具有大吞吐量、高数据传输、高可靠性、良好的电磁兼容性和抗干扰能力等优点，所以将虚拟仪器技术和PXI总线技术引入了风洞试验数据采集领域，采用“硬件Pxl体系结构+软件平台Labwindows/CVI”的开发模式，开发了一套先进的风洞数据采集系统。在研究过程中应着重解
11、决的如下问题:(1)应用虚拟仪器技术实现基于PXI平台的风洞数据采集系统硬件，使之达到设计技术指标要求并且工作稳定。特别是消除和隔离风洞现场的干扰对数据采集系统的影响。(2)通过分析用户需求，设计并开发基于Labwindows/CVI软件平台的风洞数据采集系统软件，使之能够管理试验过程，实现数据采集和数据处理等功能。特别是数据采集和多线程编程技术。(3)实现风洞数据采集系统、模型姿态控制系统、速压控制系统等风洞子系统的以太网连接，在网络上实现系统数据共享和集中管理。(4)在标准信号下，对该数据采集系统软、硬件的功能、指标及实用性、可靠性进行验证性测试。25第二章 动态压力测量方法测量动态压力的
12、最好办法是在机翼表面直接安装动态压力传感器，它既不会产生幅值的衰减，又不会产生相位平移。但是受条件所限，不可能在模型表面安装大量的微型动态压力传感器，同时由于试验中脉动频率小于2Hz，因此考虑用一段测压管连接压力传感器的方式进行动态压力测量，并对用测压管进行动态压力测量的可行性进行了详细研究。2.1 测压导管的传递函数主要方法是测量不同长度和管径的测压导管对脉动压力幅值和相位的影响。如图2.22所示，我们用信号发生器和功率放大器驱动扬声器，产生所需频率范围的声波，由于扬声器发出的声波在自由空间中是以球面波的形式传播的，因此根据声波导管理论，只要生源的频率低于声波导管的截止频率，在管中就能产生唯
13、一的平面波。因此为了得到同相位、同幅值的声压脉动，在扬声器后加装了一个长350mm，直径为80mm的有机玻璃管。由声波导管理论可以知道圆柱形管中声波导管的截止频率为： （2-9）在此频率下导管中得到的就是平面波。平面波的特点是：声波仅沿x方向传播，而在yz平面上所有质点的振幅和相位均相同。利用平面波的这种同振幅、同相位的特征，使得两路传感器的输出端信号存在可比性，为最终确定导管的压力传递函数提供条件。借助圆截面声波导管在管中形成的平面声场，可以获得测试用标准压力脉动。将其中一个传感器直接安装在测试面上，另一个传感器则通过一根需要进行测试的测压导管连接。这样直接安装在测试面上的传感器可以直接感受
14、压力的脉动，而另一个传感器感受到的信号则经过了导管的衰减和相位评议，通过比较这两个信号可以评估测压导管对动态压力测量的影响，并且得到测压导管的传递函数。图2.1 测压导管传递函数测量装置2.2 两通道的传递函数为了得到测压导管的传递函数，首先需要确定无导管情况下两通道的传递函数。如同2.23所示，设各个环节都为线性系统，A通道的传递函数为： (2-10)B通道的传递函数为： (2-11)则： (2-12) 图2.2 无导管时两通道传递函数确定装置有导管时，如图2.24。通道A传递函数为：(2-13)通道B的传递函数为：(2-14)其中为测压导管的传递函数。因此：(2-15)因此通过确定无导管和
15、有导管时A、B通道间的传递函数，就可以确定导管的传递函数。图2.3 有导管时两通道传递函数确定装置2.3 不同外径导管传递函数的模值比和相位差分别对外径为1.2mm、1.5mm、2.0mm、2.5mm不同长度的导管进行测量。测量结果如图2.25所示，分别为不同长度导管的传递函数的模值比和相位差。相位幅值 （a）2.5mm导管的频率响应特性相位幅值（b）2.0mm导管的频率响应特性相位幅值（c）1.5mm导管的频率响应特性相位幅值（d）1.2mm导管的频率响应特性图2.25 测压导管实验测量结果从途中可以看出，该系统在一官场和管径范围内，表现出二阶系统的一些特性。正因为如此，可以按二阶系统重新处理数据，进而进一步分析官长和管径对这个二阶系统特性如：阻尼比、固有频率、静态增益等的影响。将原始数据进行“二阶系统传递函数”的拟合。标准二阶系统的传递函数为：(2-16)令，,，则得到二次函数为：，并通过最小二乘法拟合实验数据得到。其中。处理后的结果如图2.26所示。幅值相位（a）2.5mm导管的频率响应特性
