多孔探針三坐標風洞校準測試系統

姚 韜， 周樹道，2， 衛克晶， 張陽春， 諸葛杰， 葉 松

（1.國防科技大學氣象海洋學院，長沙 410073；2.南京信息工程大學氣象災害預警與評估協同創新中心，南京 210044；3.南京理工大學紫金學院，南京 210023；4.杭州佐格通信設備有限公司，杭州 311400）

0 引 言

在自然界中流體的流動不是均勻的，而是在三維空間中時刻變化［1］，準確測量流場中的三維流動對科學研究和工程應用都具有重要實際意義。能夠探測三維流場的儀器主要有熱線風速儀、激光多普勒測速儀、粒子圖像測速儀和多孔探針測速系統等。然而熱線風速儀傳感器太脆弱不適合高動態的測量［2］；粒子圖像測速儀其成像粒子會帶來干擾［3］；激光多普勒測速儀容易受到復雜天氣的干擾［4］。多孔探針由于其結構簡單、環境適應性強，被廣泛應用于復雜環境中流場的測量。通過測量多孔探針壓力孔壓力再經過相應的標定，可以同時得出靜態和動態壓力以及流場三維速度矢量［5-8］。多孔探針尺寸較小一般為mm級，在其加工中難免會有誤差，即使加工誤差很小也會給探針測量結果造成影響［9］，因此每根探針在投入使用前都需要進行校準。Wu等［10-11］所設計的測試系統可以控制探針定點在多個方向旋轉，Shaw-Ward課題組［12-13］的測試系統可以控制探針在上下前后兩個方向移動和繞軸旋轉，章鵬［14］則設計了一種多孔移測系統可以控制探針在移動中實時測量。

本文針對現有多孔探針測試系統的優缺點，設計了一種能夠在三維空間3個方向移動，將俯仰、偏航及繞探針中心軸旋轉相結合，實現三坐標多向可旋轉測試系統，能夠實現多孔探針在任一點任意方向進行測量。利用此測試系統對半球形七孔探針進行了校準及測試，得到了較好的結果，驗證了此測試系統對探針進行校準測試的可行性。為今后進行不同探針校準及進行不同工況測量搭建了良好的實驗環境。

1 探針與風洞

1.1 半球形七孔探針結構參數

根據前期對多孔探針頭部結構優化［15］，并且考慮到加工精度的問題，一味追求小尺寸的探針將會使加工誤差陡增，最終定制了探針尺寸和半球頭部直徑均為10 mm、長300 mm、孔大小為1 mm、開孔方向為垂直探針表面的半球形七孔探針。探針結構和實物如圖1所示。

圖1 半球形七孔探針結構示意與探針實物照片

1.2 開口風洞參數指標及流場均勻性檢驗

校準和測試實驗在40 m／s的直路開口風洞中進行，風洞實驗段截面直徑為0.6 m，實驗段長度為1 m，收縮比例1∶6，風速為0.2～40 m／s，湍流度小于0.5%，中心點小于0.1%，氣流偏角小于1°，風洞尺寸10 023 mm×1 970 mm×2 500 mm。多孔探針及固定多孔探針的支架均在實驗倉內部，此外還對實驗倉內和環境的氣壓、溫濕度進行實時監測。

在實驗前用皮托管和微壓計對風洞流場均勻性進行測試。測試點的選取采用坐標軸法，以風洞實驗段界面中心為原點，水平方向為x軸，垂直方向為y軸，測試點在x軸、y軸上均勻分布，測試點分布如圖2所示。x、y軸方向可移動坐標點范圍均是－25～＋25 cm，間距5 cm布置測試點確保在風洞的有效風速范圍內。在10、20、40 m／s速度下分別對x軸、y軸的測試點進行測試，對每個測試點每間隔5 s記錄1個數據，每個測試點共記錄10個數據。流場均勻性測試結果如表1所示（測試條件：溫度14.3°，濕度60.7%，氣壓1 021.7 hPa）。

表1 風洞流場均勻性測試結果

圖2 實驗段截面測點分布

2 實驗系統設計

2.1 實驗測試系統總體設計

多孔探針實驗在風洞實驗倉中進行，探針固定在移動支架上。PC機通過RS-485線纜發送指令給伺服控制器，伺服控制器接收到指令后，控制x軸電動機、y軸電動機將探針移動到相應的坐標點，同時啟動旋轉電動機和俯仰電動機，調節旋轉角度、俯仰角度；壓力數據通過軟管連接至實驗倉外部的壓力傳感器，通過數據采集系統對8個壓力數據同時進行采集，對采集到的數據及狀態信息進行濾波、分析、歸納、計算、整理成數據包；風洞控制系統用于風洞速度的調整。測試系統總體設計圖如圖3所示。

圖3 風洞實驗測試系統總體設計圖

2.2 硬件及電路

本文設計的半球形七孔探針校準硬件設計由三坐標移動支架及其控制系統和壓力采集系統組成。其中移動坐標支架控制系統主要由伺服控制器及坐標軸主體組成；采集系統主要由7路差壓傳感器及數據采集器實現。

2.2.1 移動坐標支架機械結構

半球形七孔探針通過固定套筒固定在坐標移動支架上。移動坐標支架由精密絲桿、步進電動機和控制電路組成，該移動支架在水平和垂直方向上移動范圍為±300 mm，前后移動范圍為±100 mm，設置步進長度為1 mm。通過旋轉電動機能夠使探針繞其軸心旋轉360°，步進角度為1°，偏航電動機和俯仰電動機控制探針在偏航和俯仰方向上旋轉，旋轉范圍為±45°，步進角度為1°，通過控制電路能夠控制坐標移動支架移至任一點測量也能實現在空間上進行連續移動測量。皮托管安裝在風洞實驗倉內側面，距風洞壁0.1 m，對來流總壓和靜壓進行監測。測量時通過偏航電動機和俯仰電動機控制來流與探針之間的攻角θ，通過旋轉電動機控制方位角φ，實現來流從任意方向吹向探針。

2.2.2 測試系統電路設計

坐標軸控制系統主要用于對坐標支架在x、y、z軸3個方向運動控制，并且可控制旋轉、偏航和俯仰電動機實現探針的角度調整。該控制系統主要由信號處理單元、驅動控制單元、通信接口單元、供電單元、人機交互單元及軟件單元組成，其組成框圖如圖4所示。各單元具體功能如下：

圖4 伺服控制器組成框圖

（1）信號處理單元。主要由核心板構成，為控制中樞，作為整套系統各類信號控制處理中心，也是嵌入式軟件單元運行的硬件平臺?？梢詫崿F對坐標支架主體移動及不同方向的旋轉調整。

（2）驅動控制單元。由主機板集成各類控制單元，集成了步進電動機、旋轉電動機、偏航電動機、俯仰電動機等部件的驅動控制電路。

（3）通信接口單元。由通信接口板組成，用于連接上位機的通信，主要提供RS-232／485等通訊模式。

（4）供電單元。由大功率開關電源等組成，為伺服控制器各單元提供穩定的電源。

（5）人機交互單元。由用戶輸入模塊和顯示模塊組成，方便用戶進行手動操作及調整，并實時顯示控制狀態。

（6）軟件單元?？刂撇f調整個裝置硬件系統正常工作。±0.25%／a。通過并聯方式集成控制并采集7孔探針各通道壓力數據，實現7孔壓力的同時采集。整體采用低功耗單片機及MAX485總線通信模塊實現多路采集的目的。

信號處理單元集成CPU、內存、FLASH等核心器件，為坐標移動控制系統提供了性能穩定的LINUX運行環境。信號處理單元主要基于ARM結構，Cortex-M3內核，芯片主頻72M，采用多樣化電源管理芯片，集成了多路URAT口，支持LPDDR1／DDR2／DDR3內存，有按鍵控制接口、外擴存儲接口、顯示屏接口、電源控制接口和通信結構共5種功能復用端口，可靈活配置并實現更多的功能。
驅動控制單元由步進電動機、旋轉電動機、偏航電動機和俯仰電動機組成，采用小步距電動機，具有控制穩定、步距角小等特點。通過算法及反饋修正精密控制電動機轉動實現坐標軸的各項移動、旋轉及俯仰操作。設計驅動IO口，采用隔離光耦＋達林頓管形式，抗干擾能力強。同時預留了8路施密特反相器，用于對限位信號的檢測。通信接口單元的設計配備RS-232／485接口，具有上位機通信功能、數據導出功能和讀取狀態信息功能。電源模塊主要由電源適配器及大功率開關電源等組成，在市電條件下能夠為各組成單元提供穩定的直流電源。
壓力采集選用精度為0.1%FS微壓傳感器，其工作溫度范圍－40～82℃，準確度±1%FS，穩定性≤

2.3 軟件設計

軟件設計基于Linux軟件平臺。為了便于編寫、調試、修改，軟件采用模塊化結構，主要包括處理器模塊、驅動控制模塊和數據通信模塊等幾個部分。處理器模塊用于構建系統運行的基礎軟件工作環境。驅動控制模塊實現控制、反饋信號接收及處理并調節。數據通信模塊實現與上位機的數據通信。

在上位機中主要包括串口控制模塊和顯示模塊。圖5為坐標軸控制界面，對于坐標支架電機的控制采用電腦通過串口發送命令進行控制，通過右側控制命令按鈕，可以對每一次坐標支架移動單獨控制步進或旋轉步長。顯示模塊在左側通訊窗口，可以監測電機每次是否收到上位機發送的命令，并且顯示歷史控制記錄。

圖5 軟件控制界面

圖6為壓力數據采集界面。右側為壓力傳感器校零按鈕，在每次開始測量前都需要對壓力傳感器進行校零，減小傳感器自身誤差帶來的影響。在測量時，當流場穩定后可用左下角的打開／關閉串口控制數據采集。采集的結果會實時顯示在數據窗口對采集數據進行監控，從左至右依次為第1～7孔的壓力數據，采集結束后可將數據窗口結果輸出保存做進一步處理。

圖6 壓力數據采集界面

3 多孔探針校準原理

多孔探針測量流場利用的是處于附著流中的孔壓，此時流體繞探針頭部流動，對于在流場中的球體而言，球面上某點的速度可以看做是從停滯點開始的總角θ的函數，球表面上任一點的速度可表示為：

式中，U∞為來流速度。此時滿足機械能守恒，根據伯努利方程，球面上任一點處壓力與來流速度關系可表示為［16］：

式中：pi為球面上任一點i處壓力；ps為流場靜壓；V為球面任一點i處速度。可以定義球面上某點的無量綱壓力系數fi為球面上某點的壓力pi減去靜態壓力ps，再除以動態壓力q，即

聯立式（1）～（3）可得到球面上某點處的無量綱壓力系數為

對于半球形七孔探針定義ai為沿探針軸從球心指向第i孔的方向向量，a1為中心孔的方向向量，θi、φi為第i孔表示的方向向量在圖7所示坐標系中的攻角與方位角。根據此可以將孔方向和來流方向與角度θi，φi聯系起來。

圖7 半球形七孔探針校準坐標系

任一i孔的方向向量可表示為

式中：θ為來流與探針軸的夾角；U為來流速度。

則來流與第i孔的夾角θai可表示為

將式（7）的角度關系代入式（4），可得：

由于已加工好的探針各個孔的開孔角度θi和方位角φi是已經確定的，可將其用不同參數代替，得到：

式中：

式（9）即為能夠直接將流場特性與孔壓聯系起來的壓-速參數化方程。顯然當孔角度θ確定時Ai～Fi為確定的常數，但考慮到加工誤差孔位置不可能完全準確，因此需要在校準時重新確定參數Ai～Fi的值。在完成校準實驗獲得校準數據集之后，將測量的壓力與已知流場速度代入式（9）可得如下方程組：

矩陣形式為

可用下式求得參數矩陣：

4 多孔探針校準及數據分析

4.1 校準測試步驟

在探針進行流場測量之前需將其置于均勻流場中進行校準，主要校準過程如下（見圖8）。

圖8 探針校準測量流程圖

（1）調整探針初始位置，通過改變俯仰偏航角度使得流場穩定時外圍6孔壓力相等；

（2）改變流場速度和探針角度，在已知速度大小和方向的流動條件下，記錄7個孔壓力，獲得校準數據集。

（3）根據校準壓力數據集，選擇6組不同攻角和方位測量的壓力數據將其代入通過等式（10）計算參數Ai～Fi；

（4）將得到的參數組Ai～Fi代回等式（10）得到壓-速參數化方程；

（5）測量時檢查7孔壓力數據是否超出范圍；

（6）將7孔壓力數據代入等式（10），計算得到此時三維速度分量u、v、w；

（7）根據角度關系換算得到來流的速度和方向。

4.2 風洞測試結果

在風速為10、20、30、40 m／s時分別進行4組校準試驗，為便于探針位置調整和記錄數據采用攻角和滾轉角進行測試。測試點選擇攻角θ變化范圍為0°～45°間隔5°，滾轉角變化范圍為0°～360°間隔30°，每組速度有108個校準點。對測量結果進行定性分析，圖9為7個孔壓力系數隨攻角變化情況。從圖中可以看出圖形幾乎是對稱的，說明了半球形頭部與孔位置分布準確，探針做工良好無明顯誤差。圖10為1號孔壓力系數隨速度變化曲線，隨著速度增加4條曲線除在大角度時基本是重合的，證明了在低速度下探針測量結果與速度無關。

圖9 各孔壓力系數隨攻角變化曲線

圖10 1號孔壓力系數隨速度變化曲線

在風速為10、20、30、40 m／s時分別進行校準實驗，校準時攻角變化范圍為0°～40°間隔5°，滾轉角變化范圍為0°～360°間隔60°。每組測量了48組壓力數據，共有192組數據構成校準數據集。將其代入壓-速參數化方程得到參數如表2所示。

表2 壓-速參數化方程參數

在不同速度下分別選取一測試點對壓-速參數化方程進行驗證，得到流場反演結果如表3所示，并對其誤差進行了驗證，測試點誤差結果如表4所示。從反演結果可以看出速度誤差在5%左右，角度誤差為±0.5°。說明校準結果良好，此校準系統能夠較好地完成探針校準工作。

表3 流場反演結果

表4 流場反演結果誤差

5 結 語

本文設計搭建了風洞校準測試系統，風洞校準測試系統包括三坐標多向可旋轉移動支架、硬件電路及上位機軟件設計。三坐標多向可旋轉移動支架用于固定探針并控制其在三維方向上移動、偏航俯仰旋轉和繞軸360°旋轉。硬件電路包括對移動坐標軸的控制電路、電源電路、信號處理電路和通信單元，通過上位機軟件操作發送命令，控制電機運動和數據采集，完成探針測量。通過對半球形七孔探針進行校準測試，得到了探針各孔壓力系數曲線，其分布與球面孔位置分布較一致。并且對半球形七孔探針進行了校準及反演，速度誤差在5%左右，角度誤差為±0.5°。此三坐標多向可旋轉探針校準測試系統能夠較好完成對多孔探針的校準及測量任務，為今后進行不同探針校準及不同工況測試提供了新途徑。