The Challenge:
開發(fā)一個(gè)可用于飛機(jī)配置與組件的動(dòng)靜力測量,、可用于電源設(shè)備的進(jìn)氣測試（即進(jìn)氣兼容性研究）,、可用于穩(wěn)定性導(dǎo)數(shù)評估的微震蕩測試，也可用于模擬飛機(jī)失速與尾旋形成的高震蕩與旋轉(zhuǎn)導(dǎo)數(shù)的功能全面的,、靈活可靠的測試系統(tǒng),。
The Solution:
利用NI的PXI與SCXI平臺以及LabVIEW實(shí)時(shí)軟件，開發(fā)一個(gè)可靠且高度精確的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng),。
"NI LabVIEW幫助我們實(shí)現(xiàn)了高達(dá)2 kHz的ESP端口切換速率,，并通過縮短風(fēng)洞的整個(gè)操作周期為客戶節(jié)省費(fèi)用。我們在壓力測量中實(shí)現(xiàn)0.01% FS的精度,。"
風(fēng)洞是一種空氣動(dòng)力學(xué)測試設(shè)備,，它用于研究物體周圍的氣流模式并測量作用其上的空氣動(dòng)力。一個(gè)典型的風(fēng)洞包含一個(gè)安置飛機(jī)模型的測試部分,、一個(gè)位于該測試部分之前的壓縮部分與穩(wěn)定部分和一個(gè)位于該測試部分之后的擴(kuò)散部分,。位于該擴(kuò)散部分的風(fēng)扇提供所需的氣流。這樣的配置準(zhǔn)確地模擬了飛機(jī)與氣流間的相對運(yùn)動(dòng),。
風(fēng)洞測試中的測量系統(tǒng)通常包含動(dòng)靜力測量,、壓力分布測量和用于依風(fēng)向確定模型方向的位置測量。
系統(tǒng)配置
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是一個(gè)包含有NI SCXI-1125模塊的基于PXI的系統(tǒng),，用于接收來自壓力掃描儀的壓力測量結(jié)果,。掃描儀中的壓力端口的切換通過NI PXI-6527 完成，同時(shí)它也負(fù)責(zé)切換與監(jiān)測系統(tǒng)中隔離閥,、蝴蝶閥和球形閥的狀態(tài),。
SCXI-1125用于采集壓力傳感器的輸出以計(jì)算馬赫數(shù)。該系統(tǒng)利用NI SCXI-1520 的六個(gè)通道采集來自六個(gè)張力測量裝置的作用力數(shù)值,。一個(gè)NI PXI-7344 運(yùn)動(dòng)控制器板卡控制與運(yùn)動(dòng)控制板卡接口的模型與漸增編碼器的方向,，然后將方向信息回傳至系統(tǒng)。PXI-4472也用于振動(dòng)與聲壓測量。
系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
系統(tǒng)軟件基本分成兩個(gè)模塊,，校準(zhǔn)模塊與采集模塊,。
校準(zhǔn)模塊——軟件利用五點(diǎn)校準(zhǔn)法校準(zhǔn)壓力傳感器、ESP（電子壓力掃描儀）和張力測量裝置平衡,。通過軟件完成作用力平衡的端到端校準(zhǔn),，以創(chuàng)建校準(zhǔn)矩陣。NI LabVIEW 用于方便校準(zhǔn)的執(zhí)行,，并提供非常準(zhǔn)確的結(jié)果,。該系統(tǒng)還可以驗(yàn)證校準(zhǔn)的效果。
在創(chuàng)建新的校準(zhǔn)并通過壓力檢驗(yàn)驗(yàn)證校準(zhǔn)效果時(shí)所使用的GUI屏幕顯示如圖1 和圖2 所示,。
圖1.ESP 校準(zhǔn)屏幕顯示
圖2.經(jīng)過校準(zhǔn)的壓力值的驗(yàn)證
采集模塊——前面所提及的研究涉及兩個(gè)基本的測量,，壓力測量和作用力測量。這兩個(gè)測量都通過兩階段完成：一階段采集壓力與張力測量裝置平衡的偏移量,，另一階段完成實(shí)際測量,。偏移量將從第二階段的測量中抽取，然后映射至對應(yīng)的工程數(shù)值,。
壓力測量
飛機(jī)模型中的速率分布是通過采集來自模型上固定點(diǎn)的壓力測量值所得,。這項(xiàng)工作是通過端口與模型中一些固定點(diǎn)相連的電子壓力掃描儀完成的。
在實(shí)際采集開始前,，軟件控制著維護(hù)流速及將模型引入氣流所需的序列,。用戶僅須輸入馬赫數(shù)，該軟件便可以控制整個(gè)風(fēng)洞,。在壓力測量過程中,，運(yùn)動(dòng)控制板卡用于讓模型指向預(yù)設(shè)位置。
NI LabVIEW 幫助我們實(shí)現(xiàn)了高達(dá)2 kHz 的ESP 端口切換速率,，并通過縮短風(fēng)洞的整個(gè)操作周期為客戶節(jié)省費(fèi)用,。我們在壓力測量中實(shí)現(xiàn)0.01% FS 的精度,。圖3 展示了壓力測量窗口,。
圖3.數(shù)據(jù)采集——壓力測量
作用力測量
一個(gè)風(fēng)洞涉及兩種類型的作用力測量，靜力測量和動(dòng)力測量,。靜力測量要求將模型保持在預(yù)先設(shè)定的位置,，而動(dòng)力測量則要求在預(yù)先設(shè)定的曲線上移動(dòng)模型并采集作用力的數(shù)值。
作用力測量首先涉及模型的偏移量的采集——使模型始終處于預(yù)設(shè)位置或者在預(yù)設(shè)的曲線上移動(dòng)模型,，并采集數(shù)據(jù),。接著，啟動(dòng)實(shí)際序列——順序打開隔離閥,、球形閥,、蝴蝶閥和壓力調(diào)節(jié)閥，并通過NI DIO 模塊監(jiān)測其狀態(tài)。然后軟件檢驗(yàn)所設(shè)置的馬赫數(shù),。
一旦達(dá)到了所設(shè)定的馬赫數(shù),，軟件將模型推入空氣流中。在靜力測量情況下,，模型移動(dòng)至某個(gè)特定的位置,，進(jìn)行作用力數(shù)據(jù)采集；然后,，模型移動(dòng)至另一個(gè)位置,，再次進(jìn)行作用力數(shù)據(jù)采集；如此反復(fù),。對于動(dòng)力測量,，在模型引入氣流中后，啟動(dòng)第一次采集,。
然后,，模型旋轉(zhuǎn)至與氣流相同的曲線，并減小閥門,。
挑戰(zhàn)在于控制模型的位置并同步采集作用力數(shù)據(jù)和位置數(shù)據(jù),。如果沒有NI運(yùn)動(dòng)控制板卡和PXI，這項(xiàng)工作將不可能通過單個(gè)處理器完成,。運(yùn)動(dòng)控制器中的DSP 處理器幫助我們毫不復(fù)雜地完成了這項(xiàng)工作,，并使得這兩項(xiàng)操作相互獨(dú)立且同步。
振動(dòng)與聲壓測量
加速計(jì)與PXI-4472 相連,，用于測量模型在特定馬赫數(shù)情況下的振動(dòng),。還通過所連接的麥克風(fēng)采集飛機(jī)模型上的聲壓水平，供震蕩研究使用,。
結(jié)論
所開發(fā)的系統(tǒng)為前述空氣動(dòng)力學(xué)研究提供了極高的靈活性與可靠性,。我們能夠?qū)L(fēng)洞控制、模型調(diào)整控制和數(shù)據(jù)集成在一個(gè)系統(tǒng),，免除了三個(gè)系統(tǒng)及其繁雜同步的必要,。