高速風洞微型測量系統研制及應用

黃 輝,熊 健,劉光遠,苗 磊

(中國空氣動力研究與發展中心 高速空氣動力研究所，四川 綿陽 621000)

0 引言

風洞測量系統由信號調理及數采設備組成，包括濾波、放大、模數轉換等功能，用于采集壓力、溫度、力和力矩等類型的傳感器信號[1]。由于風洞內部環境復雜，風洞測量系統一般安裝于風洞外部，模型天平及分布于風洞各部段的各類傳感器需要通過雙絞屏蔽線將信號輸入到測量系統。對于傳感器測點較為分散的大型風洞，信號長距離傳輸會導致信號衰減，同時由于風洞現場大功率電機驅動設備較多，如天平輸出的小信號傳輸過程中易受空間電磁干擾，這些均會對測量精度產生影響。對于無法布置信號線的應用場合，比如壓氣機及旋轉葉柵中的旋轉試驗件、直升機旋翼上的傳感器信號采集，現有風洞測量系統也不再適用。

隨著電子技術的高速發展，數字化、小型化的測量設備不斷涌現[2-3]，為解決傳統風洞測量系統在應用中存在的問題提供了技術手段。國內外研究機構針對不同試驗需求開展了相關研究工作，美國NASA蘭利中心將微型測量技術應用于TDT跨聲速風洞模型測力試驗、模型姿態角、模型表面壓力與溫度測量[4]。美國國家航空航天局NASA實施了風洞測力能力戰略發展規劃[5]，為進一步提升NASA風洞測力試驗能力，滿足未來航空航天飛行器型號研制需要，開始發展數字天平與無線天平。俄羅斯中央流體動力學研究院(TsAGI)利用微型測量技術，研發了MKTM系列微型測量系統，實現應變天平、角度、溫度的測量，外形尺寸為60 mm×34.5 mm×17 mm，采用RS485接口傳輸數據，電阻應變計信號測量精度可以達到0.01%。中國空氣動力研究與發展中心應用無線測量模塊實現了某風洞動壓的測量[6]，測量結果與常規測量系統吻合較好，靜態校準表面壓力測量精度優于0.05%。中國空氣動力研究與發展中心將微型數據采集設備安裝于風洞流校裝置[7]，縮短了測壓管路，實現了五孔探針壓力的測量，提高了流場校測效率。上述國內研究成果應用于低速風洞，且性能指標無法滿足高速風洞測力試驗需求。針對集中式測量系統在高速風洞試驗中存在的問題，本文研制了一種微型測量系統，通過靜態校準驗證了系統性能指標，并開展了風洞測力試驗，對系統動態性能進行了檢驗。

1 總體方案

微型測量系統基于LAN總線，包括常規測量系統的放大、濾波及模數轉換功能，關鍵性能指標與風洞常規測量系統相當，具備數據在線處理與分析能力，兼容無線數據傳輸協議，具備一定防護和防震等級。微型測量系統可通過以太網組網，基于IEEE 1588協議實現多微型測量系統的同步采集。系統采用微型化及防震設計，滿足特殊安裝環境需求，可安裝于模型支撐機構或模型內部用于天平、溫度、壓力傳感器、傾角傳感器等信號采集，也可安裝于無法走線的旋轉試驗件及其它需要考慮高沖擊及強震動的場合?？杉友b無線傳輸模塊，完成本地采集及預處理后，通過網絡方式實現數據向上位機傳輸。

圖1為微型測量系統結構框圖，主要由電氣接口模塊、增益控制模塊、低通濾波模塊、掃描采集模塊、主控模塊、LAN總線接口模塊組成。微型測量系統工作原理：輸入信號通過模擬電壓信號輸入端子接入，并通過增益控制模塊實現信號的放大，經過放大的模擬信號中包含一定的噪聲和混疊信號；經過低通濾波模塊，濾除模擬信號的噪聲和混疊信號；在同步采集開關的作用下，經過濾波處理的模擬信號輪詢進入A/D中進行采集，完成模/數轉換；之后數字信號進入到主控模塊中，主控模塊中的固件模塊對信號進行修正處理，并進行緩存和存儲；當接收到上位機的數據讀取命令時，將緩存的數據上傳。

2 微型測量系統設計

微型測量系統實物如圖2所示。系統防護等級為IP54，電路板通過螺栓固定并墊有減震膠墊，尺寸為167 mm×88 mm×32 mm(長×寬×高)，輸入信號范圍為-10～10 V。下面根據信號及數據流向，對系統各模塊進行介紹。

2.1 電氣接口模塊

電氣接口模塊包括前面板和后面板。前面板選用VHDCI-68端子，提供16路模擬電壓信號輸入通道，具備電流過載保護和電壓過載保護雙重保護功能，支持共地差分/單端信號、浮地差分信號接入；后面板包括12 V直流電源輸入接口，百兆以太網口，外部觸發輸入接口。

2.2 增益控制模塊

提供4檔高共模抑制比程控放大器，實現電壓輸入信號的增益放大，每通道增益可獨立設置，增益分別為：×1，×100，×200，×500，滿足不同量級信號的放大需求。

2.3 低通濾波模塊

每個模擬輸入通道單獨設計了獨立的有源二階巴特沃斯低通濾波器，用于濾除高頻噪聲及混疊信號。巴特沃斯濾波器最大的特點是通頻帶內的頻率響應曲線最平坦，沒有起伏，而在阻頻帶下降速率較緩慢。根據風洞穩態試驗信號特點，常規測量系統低通濾波截止頻率一般設置為1 Hz，為降低低通濾波模塊電路復雜度，減少電路板尺寸，只設計了截止頻率為1 Hz的二階巴特沃斯低通濾波器。

2.4 掃描采集模塊

選用高采樣率的單A/D實現多通道采集功能，多路模擬信號通過與采集同步的開關切換依次輪詢進入A/D中進行采集。掃描采集設計中，A/D的轉換時機與模擬開關的切換時機要十分嚴格地進行同步，其核心控制通過主控邏輯模塊的掃描表完成。掃描表用于存放模擬通道號，實際采集時通道的接入通過通道號選擇，通道號存放順序可靈活設置。模數轉換模塊選用的是18 bit的SAR型A/D模塊，單通道采樣速率最高250 kS/s，16通道采樣共享采樣率最高1.5 MS/s。

2.5 主控模塊

包括固件模塊和驅動模塊，采用ZYNQ系列器件作為主控芯片，該芯片包括FPGA和ARM兩部分，FPGA為前端模擬電路與后端數字接口之間的橋梁，ARM處理器支持多種標準通信協議，具備計算能力。主控芯片支持多種總線接口以及多種存儲器接口，具有較強的可擴展能力，同時具有低功耗和體積小的優點。

固件模塊主要包括FPGA邏輯(PL)和ARM程序(PS)兩部分。固件設計的功能框圖如圖3，包括：全局時鐘及復位生成模塊，生成各模塊需要的時鐘頻率及相應頻率的同步復位信號；PL-PS接口模塊，實現PS對PL接口的寄存器讀寫和DMA數據讀寫；時鐘控制模塊，實現高分辨率的時鐘頻率，作為A/D芯片的采樣時鐘；觸發與時鐘處理模塊，模塊功能包括A/D采樣時鐘選擇、外部觸發信號選擇；A/D數據采集模塊，實時讀取A/D芯片的采樣數據，并將16路串行數據組幀傳輸給A/D數據修正模塊；A/D數據修正模塊，根據校準系數完成數據修正處理，并寫入緩存；A/D數據讀寫控制器，該模塊讀寫速率為100 M*32 bit，滿足A/D最高采樣速率1.5 M*32 bit的負荷，可實時對數據進行讀??；數據處理與分析模塊，該模塊可編程，實現不同應用需求，在控制計算復雜度的前提下保障數據處理與分析的實時性。

圖3 微型測量系統固件功能框圖

驅動模塊：為保證微型測量系統工作穩定性和兼容性，采用基于以太網的LXI總線通訊協議VXI-11；不同微型測量系統間的時鐘同步使用基于互聯網的IEEE 1588協議，實現不同測量系統之間的同步；系統訪問使用VISA標準的接口，同時兼容NI-VISA和Keysight VISA。驅動程序接口為LabVIEW編程環境下的vi函數庫，包括自檢、連接、采集及故障處理等模塊，自檢模塊包括通電自檢、系統自檢、讀取檢測結果、狀態查詢；連接模塊包括連接、同步測試、斷開連接；采集模塊包括采集初始化、單次采集、有限點采集、連續采集開始、連續采集停止、讀取存儲器數據、清空存儲器數據；故障處理模塊包括重啟、異常處理等。

2.6 LAN總線接口模塊

LAN總線接口模塊，采用以太網作為傳輸總線，接入風洞測控網絡即可實現數據的遠距離傳輸，同時可基于IEEE1588協議實現多個微型測量系統的同步。

3 微型測量系統靜態校準

通過靜態校準的方式標定微型測量系統關鍵性能指標，包括各通道線性度及誤差限，確定系統是否滿足風洞試驗需求；并對低通濾波器頻響進行評估，確定濾波器設計是否滿足設計要求；開展天平靜態加載測試，驗證系統測量精度、天平匹配程度和抗干擾能力。

3.1 線性度與誤差限測試

按照“GJB5224—2004風洞測量系統設計及檢定準則”對微型測量系統各通道的線性度、誤差限進行檢定[8]。

校準信號源為FLUKE 5520，測試前對測量系統及標準信號源通電預熱30分鐘以上。信號源電壓調整并穩定3秒后開始采集，連續采集5次，采集間隔1秒，每次采集結果為200點平均，A/D采樣率為2 000 Hz。線性度及誤差限計算結果如圖4所示，在1、100、200倍時，大部分通道的線性度和誤差限小于0.02%，而500倍時，線性度和誤差限有所增大，但控制在0.03%以內。綜上所述，微型測量系統各通道線性度及誤差限指標滿足風洞試驗小于0.03%的要求。

圖4 靜態校準結果

3.2 低通濾波器頻率響應測試

使用Agilent33522A信號發生器生成不同頻率的正弦信號，微型測量系統開啟連續采集模式，對信號衰減情況進行記錄。結果如圖5所示，3 dB截止頻率為1 Hz，濾波窗口內響應較為平坦，2 Hz衰減約為12.3 dB，滿足二階低通濾波器設計指標。

圖5 微型測量系統低通濾波器幅頻圖

3.3 天平加載測試

在模型地面準備平臺進行天平加載測試，天平為六分量應變天平，包括3個方向的力(X、Y、Z)和對應的力矩(Mx、My、Mz)，輸出信號為電壓信號，以差分接線方式接入微型測量系統。受地面準備平臺的限制，僅對X元、Y元、Z元進行加載，加載砝碼為40 kg。Y元、Z元的測量誤差為0.1%左右，而X元為0.5%。X元誤差較大的原因是地面準備平臺可調攻角最大角度為3.93°，40 kg砝碼在X元方向施加的力只有26.86 N，相對較小，輸出信號的細微波動就有可能產生較大的相對誤差，使用60 kg砝碼后有所改善。

4 動態調試試驗結果與分析

動態調試試驗在中國空氣動力研究與發展中心2.4米跨聲速風洞全模試驗段中進行，包括標模測力試驗對比以及測量精度試驗兩部分，試驗模型為某大展弦比標模。微型測量系統放大倍率設置為200倍，濾波截止頻率為1 Hz。

無量綱的氣動系數為測力試驗的最終結果，計算公式如式(2)所示[9]。式中Ci為氣動系數，包括：風軸系升力系數CL，體軸系俯仰力矩系數Cm，風軸系阻力系數CD，體軸系橫向力系數CY，體軸系偏航力矩系數Cn，體軸系滾轉力矩系數Cl。F為相應的氣動載荷；q為動壓，與流場參數中的馬赫數、總壓與總溫有關；S為氣動系數參考面積，Li為氣動系數參考長度，均為模型參數。

(2)

4.1 微型測量系統與VXI系統結果對比

分別使用微型測量系統和2.4米跨聲速風洞VXI測量系統完成測力試驗數據采集，對比試驗數據處理結果，驗證微型測量系統的可靠性。表1給出了相應的縱向導(系)數對比，其中α為模型攻角，兩系統升力線斜率和焦點位置的差異較小。M=0.40、0.78對應的CLα差量分別為0.000 9、0.000 4，差異在1.0%以內；M=0.85時CLα差量為0.002 0，接近絕對量值的2.0%，相對較大，主要原因是高馬赫數下CL-α曲線非線性特征明顯，斜率計算誤差較大。另外，3個馬赫數條件下CmCL差量分別為0.003 9、0.000 3和0.001 1，對應焦點位置變化均小于0.5%氣動弦長。

表1 某標?？v向導(系)數對比(不同采集系統)

4.2 微型測量系統標模結果精度分析

4.2.1 測力試驗精度指標

在M=0.78狀態下進行了七次重復性精度測量試驗，表2給出七次均方根偏差結果?？梢钥闯觯篊L、Cm的精度達到國軍標合格指標，小迎角范圍內(-2°≤α≤2°)接近先進指標；CD的精度達到國軍標合格指標，小迎角范圍內(-2°≤α≤2°)達到或接近先進指標[10]。重復性試驗結果和測力精度試驗結果表明試驗中微型測量系統工作穩定，試驗數據精度較高，滿足測力試驗要求。

表2 某標模同期重復性精度

4.2.2 重復性精度對比

對比微型測量系統與VXI系統在M=0.78狀態下的重復性精度指標，如圖6所示，可以看到微型測量系統與VXI系統重復性精度指標相當，兩系統絕大部分精度指標均在合格指標以內，部分達到先進指標。

圖6 微型測量系統與VXI系統測量精度對比

基于標模試驗結果，可以得出以下結論：動態調試試驗數據規律合理，量值可靠；微型測量系統結果與風洞原VXI系統結果一致，數據準度滿足試驗要求；微型測量系統七次重復性精度滿足國軍標要求，數據精度較高，滿足試驗要求；微型測量系統與風洞VXI系統七次重復性精度相當。

5 結束語

微型測量系統具有體積小、智能化、功能全、環境適應能力強的優點，實現了風洞常規數據采集系統的濾波、放大、模數轉換等功能。通過靜態調試及動態調試試驗驗證了系統的穩定性及主要性能指標，結果表明該系統性能指標滿足風洞試驗要求，可應用于常規信號數采，同時針對不便于布線、傳感器分散、小信號的應用環境具有較高的應用前景，可在保持現有軟硬件系統結構的基礎上，對部分功能和接口進行擴展，即可滿足相應的測量需求。