风洞​数据​采集​与​控制​系统

Vijay. J,​应用​工程​师, Captronic Systems Pvt. Ltd, Bangalore, India

"NI LabVIEW​帮助​我们​实现​了​高达​2 kHz​的​ESP​端​口​切换​速率,​并​通过​缩短​风洞​的​整个​操作​周期​为​客户​节省​费用。​我们​在​压力​测量​中​实现​0.01% FS​的​精度。"

- Vijay. J,​应用​工程​师, Captronic Systems Pvt. Ltd, Bangalore, India

挑战:

开发​一个​可​用于​飞机​配置​与​组​件​的​动静​力​测量、​可​用于​电源​设备​的​进​气​测试​(即​进​气​兼容​性​研究)、​可​用于​稳定​性​导数​评估​的​微​震荡​测试,​也​可​用于​模拟​飞机​失速​与​尾​旋​形成​的​高​震荡​与​旋转​导数​的​功能​全面​的、​灵活​可靠​的​测试​系统。

解决​方案:

利用​NI​的​PXI​与​SCXI​平台​以及​LabVIEW​实​时​软件,​开发​一个​可靠​且​高度​精确​的​数据​采集​与​控制​系统。

作者:

Vijay. J,​应用​工程​师 - Captronic Systems Pvt. Ltd, Bangalore, India
Mondeep Duarah 资​深​经理 - Captronic Systems Pvt. Ltd, Bangalore, India

 

风洞​是​一种​空气​动力​学​测试​设备,​它​用于​研究​物体​周围​的​气流​模式​并​测量​作用​其​上​的​空气​动力。​一个​典型​的​风洞​包含​一个​安置​飞机​模型​的​测试​部分、​一个​位于​该​测试​部分​之前​的​压缩​部分​与​稳定​部分​和​一个​位于​该​测试​部分​之后​的​扩散​部分。​位于​该​扩散​部分​的​风​扇​提供​所需​的​气流。​这样​的​配置​准确​地​模拟​了​飞机​与​气流​间​的​相对​运动。

 

风洞​测试​中的​测量​系统​通常​包含​动静​力​测量、​压力​分布​测量​和​用于​依​风​向​确定​模型​方向​的​位置​测量。

 

系统​配置

数据​采集​系统​是​一个​包含​有​NI SCXI-1125​模​块​的​基于​PXI​的​系统,​用于​接收​来自​压力​扫描​仪​的​压力​测量​结果。​扫描​仪​中的​压力​端​口​的​切换​通过​NI PXI-6527 完成,​同时​它​也​负责​切换​与​监测​系统​中​隔离​阀、​蝴蝶​阀​和​球形​阀​的​状态。

 

SCXI-1125​用于​采集​压力​传感器​的​输出​以​计算​马赫​数。​该​系统​利用​NI SCXI-1520 的​六​个​通道​采集​来自​六​个​张力​测量​装置​的​作用​力​数值。​一个​NI PXI-7344 运动​控制器​板​卡​控制​与​运动​控制​板​卡​接口​的​模型​与​渐增​编码​器​的​方向,​然后​将​方向​信息​回​传​至​系统。​PXI-4472​也​用于​振动​与​声​压​测量。

 

系统​实现

系统​软件​基本​分成​两​个​模​块,​校准​模​块​与​采集​模​块。

 

校准​模​块​——​软件​利用​五​点​校准​法​校准​压力​传感器、​ESP(电子​压力​扫描​仪)​和​张力​测量​装置​平衡。​通过​软件​完成​作用​力​平衡​的​端​到​端​校准,​以​创建​校准​矩阵。​NI LabVIEW 用于​方便​校准​的​执行,​并​提供​非常​准确​的​结果。​该​系统​还​可以​验证​校准​的​效果。

在​创建​新的​校准​并​通过​压力​检验​验证​校准​效果​时​所​使用​的​GUI​屏幕​显示​如​图​1 和​图​2 所​示。

 

采集​模​块​——​前面​所​提及​的​研究​涉及​两​个​基本​的​测量,​压力​测量​和​作用​力​测量。​这​两​个​测量​都​通过​两​阶段​完成:​一​阶段​采集​压力​与​张力​测量​装置​平衡​的​偏移​量,​另一​阶段​完成​实际​测量。​偏移​量​将​从​第二​阶段​的​测量​中​抽取,​然后​映射​至​对应​的​工程​数值。

 

压力​测量

飞机​模型​中的​速率​分布​是​通过​采集​来自​模型​上​固定​点​的​压力​测量​值​所得。​这项​工作​是​通过​端​口​与​模型​中​一些​固定​点​相连​的​电子​压力​扫描​仪​完成​的。

 

在​实际​采集​开始​前,​软件​控制​着​维护​流速​及​将​模型​引入​气流​所需​的​序列。​用户​仅​须​输入​马赫​数,​该​软件​便​可以​控制​整个​风洞。​在​压力​测量​过程​中,​运动​控制​板​卡​用于​让​模型​指向​预​设​位置。

 

NI LabVIEW 帮助​我们​实现​了​高达​2 kHz 的​ESP 端​口​切换​速率,​并​通过​缩短​风洞​的​整个​操作​周期​为​客户​节省​费用。​我们​在​压力​测量​中​实现​0.01% FS 的​精度。​图​3 展示​了​压力​测量​窗口。

 

作用​力​测量

一个​风洞​涉及​两​种​类型​的​作用​力​测量,​静​力​测量​和​动力​测量。​静​力​测量​要求​将​模型​保持​在​预先​设定​的​位置,​而​动力​测量​则​要求​在​预先​设定​的​曲线​上​移动​模型​并​采集​作用​力​的​数值。

 

作用​力​测量​首先​涉及​模型​的​偏移​量的​采集​——​使​模型​始终​处于​预​设​位置​或者​在​预​设​的​曲线​上​移动​模型,​并​采集​数据。​接着,​启动​实际​序列​——​顺序​打开​隔离​阀、​球形​阀、​蝴蝶​阀​和​压力​调节​阀,​并​通过​NI DIO 模​块​监测​其​状态。​然后​软件​检验​所​设置​的​马赫​数。

 

一旦​达到​了​所​设定​的​马赫​数,​软件​将​模型​推入​空气​流​中。​在​静​力​测量​情况​下,​模型​移动​至​某​个​特定​的​位置,​进行​作用​力​数据​采集;​然后,​模型​移动​至​另​一个​位置,​再次​进行​作用​力​数据​采集;​如此​反复。​对于​动力​测量,​在​模型​引入​气流​中​后,​启动​第一次​采集。

 

然后,​模型​旋转​至​与​气流​相同​的​曲线,​并​减小​阀门。

 

挑战​在于​控制​模型​的​位置​并​同步​采集​作用​力​数据​和​位置​数据。​如果​没有​NI​运动​控制​板​卡​和​PXI,​这项​工作​将​不可能​通过​单​个​处理​器​完成。​运动​控制器​中的​DSP 处理​器​帮助​我们​毫不​复杂​地​完成​了​这项​工作,​并​使得​这​两​项​操作​相互​独立​且​同步。

 

振动​与​声​压​测量

加速​计​与​PXI-4472 相连,​用于​测量​模型​在​特定​马赫​数​情况​下​的​振动。​还​通过​所​连接​的​麦克​风​采集​飞机​模型​上​的​声​压​水平,​供​震荡​研究​使用。

 

结论

所​开发​的​系统​为​前述​空气​动力​学​研究​提供​了​极​高​的​灵活​性​与​可靠性。​我们​能够​将​风洞​控制、​模型​调整​控制​和​数据​集成​在​一个​系统,​免除​了三​个​系统​及其​繁杂​同步​的​必要。

 

如果​您​有​任何​问题,​请​留言​给​NI​工程​师,​我们​会​尽快​给​您​回​电!

 

作者​信息:

Vijay. J,​应用​工程师
​Captronic Systems Pvt. Ltd, Bangalore, India

图​1. ​ ​ESP 校准​屏幕​显示 ​
图​2. ​ ​经过​校准​的​压力​值​的​验证 ​
图​3. ​ ​数据​采集​——​压力​测量 ​