趙 莉，鄒滿玲，田靜琳，羊 璽

（中國空氣動力研究與發(fā)展中心，四川綿陽 621000）

國外低溫內(nèi)式應變天平技術(shù)研究進展

趙 莉＊，鄒滿玲，田靜琳，羊 璽

（中國空氣動力研究與發(fā)展中心，四川綿陽 621000）

作為低溫風洞測力試驗的核心測試設(shè)備，低溫天平受低溫風洞氣流溫度低、溫度變化大的影響，會產(chǎn)生零點溫度漂移、靈敏度變化等一系列問題，對試驗數(shù)據(jù)的精準度產(chǎn)生影響。因此，相較常溫天平而言，低溫天平的研制要求更多，難度也更大。在廣泛調(diào)研國外低溫天平研究進展與關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)介紹了低溫天平的設(shè)計與優(yōu)化、天平材料的選取及熱處理、天平的加工與制造、天平應變片的匹配及粘貼、天平校準方法及校準設(shè)備等天平研制的多個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，并對未來低溫天平技術(shù)的發(fā)展進行了展望，為我國低溫天平的研制及工程化應用提供參考。

低溫風洞；應變天平；天平設(shè)計；研究進展

0 引 言

風洞試驗是先進飛行器研制與發(fā)展過程中十分重要的研究手段，試驗時需遵循一系列的相似準則，其中馬赫數(shù)和雷諾數(shù)是最主要的2個相似參數(shù)。目前，常規(guī)風洞已能實現(xiàn)對馬赫數(shù)的精確模擬，但雷諾數(shù)的模擬能力則存在明顯不足，極大制約了對以粘性力為主導的復雜流動現(xiàn)象的研究［1－2］。自法國著名學者Margoulis于1920年首先提出通過冷卻試驗氣體來增加雷諾數(shù)的建議［3］，到1971年世界上第一座以液氮為試驗介質(zhì)的低溫風洞在美國蘭利研究中心改建成功［3－4］，低溫風洞實現(xiàn)了從理論概念到有形實體的跨越。其所具有的幾近真實的雷諾數(shù)模擬能力，為復現(xiàn)飛行器的飛行狀態(tài)，獲取更為精準的相關(guān)數(shù)據(jù)，提供了必要的地面試驗設(shè)施。特別是美國國家跨聲速設(shè)備（NTF）和歐洲跨聲速風洞（ETW）這2座大型跨聲速低溫風洞，在包括波音系列、空客系列、超聲速飛機和翼身融合體飛機等多種軍民用先進飛行器的研制過程中，都發(fā)揮了極其重要的作用［5－8］。

盡管低溫風洞具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢，但其惡劣的運行環(huán)境和獨特的運行方式，也對相關(guān)試驗技術(shù)的運用提出了挑戰(zhàn)。尤其是作為最基礎(chǔ)風洞試驗項目——測力試驗中的核心測量裝置，內(nèi)式應變天平受低溫風洞氣流溫度低、溫度變化大的影響，在測量的精準度方面產(chǎn)生了一系列的問題：一是在低溫環(huán)境下，天平體材料和應變片材料的特性發(fā)生變化，常規(guī)天平體材料的可用性和試驗時天平的安全性受到直接影響；二是風洞溫度發(fā)生變化，使應變天平產(chǎn)生溫度效應，天平各測量元的惠斯通電橋零點輸出和靈敏度系數(shù)發(fā)生改變，天平的零點溫度補償和靈敏度溫度補償難度加大；三是通過天平校準對天平溫度梯度影響進行修正這一過程變得更為復雜；四是需對應變片的粘貼牢固性、電氣防潮性等應用性問題加以特殊處理。這都需要對原有天平的設(shè)計理念、材料選取、制造方式、應變片粘貼、校準裝置和算法等多個環(huán)節(jié)加以改進。為此，美國、歐洲在開展低溫風洞建設(shè)之初，就針對低溫天平應用的特殊要求，開展了大量的基礎(chǔ)性研究和實驗測試［9－10］，經(jīng)過三、四十年的努力，成功突破了低溫天平研制的核心技術(shù)，使低溫天平的測量精準度達到了0.1%的常溫天平水平，有效解決了低溫風洞試驗中模型氣動力的精確測量問題。

1 國外低溫天平的發(fā)展

NASA蘭利研究中心作為世界頂尖的空氣動力研究機構(gòu)之一，早在20世紀70年代初就開始了對低溫天平的研究，并于1982年為NTF制造了第一臺低溫天平［11］。在其最初的引導風洞研究中，通過使用水套或電阻加熱器，使常規(guī)風洞天平在低溫環(huán)境下保持正常的溫度，從而實現(xiàn)了常溫天平的低溫應用。但這種加熱式天平因增加了加熱、控溫和隔熱等裝置，使得天平結(jié)構(gòu)復雜、體積增大、可靠性下降［12］。因此，不加熱低溫天平概念開始出現(xiàn)，并逐漸成為低溫天平研制的主流方向。當時在內(nèi)式天平研制方面最有經(jīng)驗的2個團隊——蘭利的Alice T.（Judy）Ferris團隊和Tom Moore團隊，就提出通過利用常規(guī)的天平設(shè)計方式、特殊的應變片和創(chuàng)新性的“應變片匹配技術(shù)”來制造低溫天平，并結(jié)合應變橋路溫度補償和溫度因素參與下的天平校準等多種途徑，解決低溫天平7在特殊環(huán)境下的精準度問題。此后，經(jīng)過長期探索和持續(xù)研究，蘭利在天平結(jié)構(gòu)設(shè)計、應變片選用與粘貼、天平校準加載以及校準數(shù)據(jù)處理等方面都取得了突破性進展，實現(xiàn)了低溫天平的工程化應用，并在總結(jié)相關(guān)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，形成了一系列的規(guī)范性文件［13－15］。

而在歐洲，隨著科隆低溫風洞（KKK）和ETW項目的相繼啟動，幾個主要的空氣動力學研究機構(gòu)也先后開展了低溫天平的研究工作。

荷蘭國家航空航天研究室（NLR）的低溫天平研究開始于1978年，并于1980年專門制造了1臺常規(guī)設(shè)計的三分量天平——NLR 771（見圖1），在英國皇家航空航天研究院（RAE）的低溫測試平臺和蘭利的0.3m低溫風洞（TCT）中，開展了低溫環(huán)境下的天平性能測試。通過研究發(fā)現(xiàn)，低溫天平存在的最主要問題是溫度梯度帶來的測量誤差。在完成了NLR 771天平測試后，NLR的研究工作在20世紀80年代中期中斷了［16－18］。

圖1 NLR 771天平［18］Fig.1 NLR balance 771［18］

英國的飛行器研究協(xié)會（ARA）在利用NLR 771天平進行了溫度梯度對天平軸向力的影響研究之后，研制出了一種由3個彈片構(gòu)成的軸向測力元件（見圖2）。通過測試發(fā)現(xiàn)，3個彈片因溫度引入的信號是由元件內(nèi)部受熱變形引起的，且天平剛度的非對稱分布會導致信號的非對稱分布，誤差信號主要與安裝在天平上的模型相關(guān)，這也就意味著溫度梯度引起的熱致誤差信號與模型材料和天平的幾何形狀有著密切的關(guān)系［18］。

法國的航空航天研究院（ONERA）則在1963～1982年間，開展了對低溫天平的一系列基礎(chǔ)性研究工作。在低溫環(huán)境下，第一次對可選用天平材料的機械特性進行了檢測，其后又對應變片和天平材料進行組合測試，以達到最佳的匹配效果，同時還研發(fā)了多種“硬”補償方法，力爭使天平的零點漂移和靈敏度系數(shù)變化降到最低。為了解決溫度梯度效應這一難題，還提出了1種在平行四邊形測力系統(tǒng)的前、后彈片上，增設(shè)1組測量橋路的解決方案（見圖3）［19］。

而在德國，為了研發(fā)用于KKK風洞和ETW風洞的內(nèi)式應變天平及其校準技術(shù)，德國技術(shù)研究部于20世紀80年代前后啟動了“低溫天平項目”，資助達姆斯塔特工業(yè)大學（TUD）與德國空客公司合作開展低溫風洞測力試驗技術(shù)的研究，取得了眾多的研究成果：通過對金屬彈性材料的基礎(chǔ)性研究，在材料的選取和處理方面有了全新的認識；利用有限元分析方法，對天平的原理性設(shè)計進行了優(yōu)化；引入電子束焊接技術(shù)，在力求天平各分量間相互干擾最小的同時，解決了天平內(nèi)部結(jié)構(gòu)復雜、難以加工的問題；提出了三階近似天平校準算法，為提升天平校準精度提供了新的思路；針對受溫度影響最大的軸向分量，引入了在天平的支撐片處設(shè)置串聯(lián)的測量元件這種特殊的布局方式……以此項目為基礎(chǔ)，TUD在低溫天平及其相關(guān)技術(shù)方面積累了大量的實踐經(jīng)驗，先后設(shè)計制造了12臺低溫天平，并完成了ETW第一代和第二代全自動天平校準裝置的研制，始終保持了其在低溫天平基礎(chǔ)理論和操作技能方面的領(lǐng)先性［18－20］。

圖2 溫度梯度作用下RAE被測天平的信號變化［18］Fig.2 Signals of RAE－test balance due to temperature gradients［18］

圖3 溫度梯度效應解決方案［19］Fig.3 Solution for temperature gradient effect［19］

2 低溫天平關(guān)鍵技術(shù)

2.1 天平設(shè)計及優(yōu)化

低溫天平設(shè)計時，除軸向力外的其它測量元一般相對簡單，受溫度變化的影響并不顯著。而軸向力在熱致應力作用下會產(chǎn)生較大的變形，如果采用常規(guī)的軸向力彎曲梁中央分布方式，產(chǎn)生的誤差信號將是懸臂梁上隨機分布的溫度的函數(shù)，難以進行補償修正。因此，設(shè)計時采用了“軸向力測量元串聯(lián)”概念，將軸向力測量元件整合到軸向力的前后支撐片上，這樣溫度梯度在前后彎曲梁測量元件上產(chǎn)生的誤差信號就具有相同的量值及相反的符號。通過前后測量元信號的相加，就可以消除因溫度梯度產(chǎn)生的虛假信號。該設(shè)計理念在低溫天平中取得了明顯的應用效果，以ETW的W618天平為例，沿天平長度方向5℃的溫度梯度，在軸向力信號上產(chǎn)生的誤差（未經(jīng)數(shù)學修正）僅為1μV／V［18－19］。

為了補償結(jié)構(gòu)設(shè)計無法完全消除的殘余誤差，通常還需在各測量元貼片位置附近預留出適當?shù)目臻g，設(shè)置多個熱電偶或Pt100鉑電阻溫度傳感器，進行天平體溫度分布情況的測量。再通過事先測試得到的溫度與天平輸出之間的函數(shù)關(guān)系，對天平輸出信號進行數(shù)學“軟”修正。

另外，考慮到低溫風洞運行時，一旦需要進入風洞內(nèi)部進行天平的檢查和更換，勢必明顯降低風洞的生產(chǎn)效率，造成風洞運行能耗的增加。因此，NTF風洞所使用的大多數(shù)天平，都采用了冗余橋路設(shè)計方式：為每個分量設(shè)置2組電橋，且2組電橋的電氣電路彼此隔離并單獨供電。通過備份測量橋路，顯著降低天平失效發(fā)生的概率［21］，滿足了低溫風洞運行的可靠性需求。

在完成應變天平結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計后，還需對天平進行從外部尺寸到所需部件的綜合分析，以進一步優(yōu)化性能。在這一領(lǐng)域，早期的分析方法主要是基于實驗測試和結(jié)構(gòu)簡化了的彎曲梁理論。實驗法雖然有效，但由于花費巨大，不允許進行結(jié)構(gòu)的多次調(diào)整；而彎曲梁理論則僅適用于預設(shè)計階段，無法為問題的識別和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供所需的全部信息。相較而言，有限元分析則非常適用于此類研究，可以實現(xiàn)對天平性能的快速精確預測。因此，盡管其在應變天平這類復雜結(jié)構(gòu)的離散化處理方面還比較困難，但仍不失為一種對應變天平進行原理性優(yōu)化的非常有價值的工具。TUD在為ETW研制低溫天平的有限元分析過程中發(fā)現(xiàn)，利用有限元分析進行新天平結(jié)構(gòu)的研發(fā)時，如果網(wǎng)格選擇合適，天平設(shè)計的預測精度可以達到3%以上；而將其用于天平參數(shù)優(yōu)化時，預測精度甚至可以提高到0.1%。同時有限元分析還能對加載變形引起的天平各測量元間的干擾量進行有效分析和計算，其中線性干擾主要由天平的幾何形狀和應變片的位置誤差引起；非線性干擾則主要來源于天平的變形［22］。基于此，目前國外的低溫天平設(shè)計過程中，普遍采用了有限元分析對天平進行優(yōu)化，著重計算存在溫度梯度情況下，天平各元（特別是阻力元）的變形和應力情況。

2.2 天平的加工及制造

根據(jù)結(jié)構(gòu)形式和加工方式的不同，目前的低溫天平主要分為整體式天平和裝配式天平2種。其中整體式天平由整塊材料加工而成，具有結(jié)構(gòu)緊湊、機械滯后小等優(yōu)點。但其不足在于天平加工時電極需從天平體的外部伸入，對其內(nèi)部進行切割，這樣天平的結(jié)構(gòu)設(shè)計就受到限制，無法實現(xiàn)天平剛度最大的設(shè)計原則；裝配式天平則是將天平部件分體加工，再連接形成1臺完整的天平。這種形式的天平設(shè)計較為自由，更容易消減天平各分量之間的相互干擾。其缺點在于天平裝配時可能在連接處產(chǎn)生遲滯效應和零點漂移問題，影響天平性能［23］。

因為作為主流的傳統(tǒng)整體式天平的優(yōu)勢十分明顯［24］，且在長期的常規(guī)天平應用中，積累了豐富的實踐經(jīng)驗，所以，蘭利在為NTF設(shè)計制造低溫天平時，也都選擇了這種方式［21］。但裝配式天平并沒有被完全摒棄，由于溫度這一影響因素的加入，設(shè)計低溫天平時需考慮的環(huán)節(jié)增多，天平的結(jié)構(gòu)也變得更為復雜，為了給天平研制人員提供更大的設(shè)計空間，德國著名天平專家Ewald教授研發(fā)出了一種電子束焊接技術(shù)。先將天平加工成4個預制件，并按照天平的最終尺寸對各預制件的所有內(nèi)表面進行預加工，然后用電子束將這4個預制件焊接到一起，最后再完成包括支撐片部分開口在內(nèi)的所有外部加工（見圖4～6）［25］。如果選取的材料合適，并在焊接后進行復雜的熱處理，則焊接區(qū)域的材料強度都將恢復［26］，最終得到的天平就是1臺整體式天平（就強度和遲滯性而言，與整體式天平相同）。這種加工方式提升了低溫天平的設(shè)計自由度，在低溫天平的實際應用中獲得了較好的應用效果，被TUD研制的大多數(shù)低溫天平所采用［19］。

圖4 天平預制部件［25］Fig.4 Prefabricated parts of balance［25］

圖5 焊接后的天平體［25］Fig.5 The body of balance after welding［25］

圖6 最終完成的天平［25］Fig.6 The balance after external machining［25］

另外，將以3D打印為代表的新型制造技術(shù)引入到天平制造中，已逐漸成為人們關(guān)注的重點。可以預見，隨著這些新興技術(shù)的發(fā)展與成熟，低溫天平的加工方式將變得更為靈活多樣，為天平性能的提升提供幫助。

2.3 天平材料的選擇及熱處理

NASA蘭利在為NTF風洞制造低溫天平時，選用了高品質(zhì)的18Ni馬氏體時效鋼［27］。而在ETW，由于采用了TUD的焊接天平概念，其低溫天平材料通常選用馬氏體時效鋼250［25］。

同時，在TUD完成的一項對彈性材料的全方位研究中發(fā)現(xiàn)，天平的遲滯特性隨著合金中鎳成分的增加而增加。因此，馬氏體時效鋼的遲滯特性并不是最佳的，這通?？梢酝ㄟ^以下3種方式來加以優(yōu)化：（1）為實現(xiàn)晶粒細化，進行多次熱處理；（2）老化處理前進行深冷處理（溫度77K，時間20h）；（3）如果最終的強度要求并不高，可以采取欠老化處理。

如果天平載荷允許選用比馬氏體時效鋼拉伸強度更低的材料的話，那么銅鈹合金（2%的鈹）將是一種非常有前途的低溫天平材料。其遲滯特性非常小，用電子束焊接的性能也非常好。而且，銅鈹合金優(yōu)異的導熱性能將明顯減小低溫天平溫度梯度所帶來的問題。

另外，鈦合金Ti Al Mg4可能是制造低溫天平的一種極好的材料，采用這種材料幾乎沒有任何滯后性。然而，在其電子束焊接和應變片使用等方面還需積累更為豐富的經(jīng)驗［25］。

2.4 應變片的選用與匹配

盡管光纖應變片技術(shù)在最近十多年間發(fā)展迅速，但目前風洞天平所使用的應變片仍以電阻型應變片為主，是應變式天平的關(guān)鍵敏感元件。研究發(fā)現(xiàn)，由于鎳鉻改良型合金（如Karma合金）的電阻溫度系數(shù)可以通過調(diào)整合金組分和熱處理工藝來加以改變，便于制成適用于不同彈性材料的溫度自補償應變片，因而低溫天平所用應變片通常選用以鎳鉻改良型合金為敏感柵的自補償箔式應變片。同時考慮到低溫天平一般以馬氏體時效鋼為材料，因此，選用的應變片溫度自補償系數(shù)（STC）通常為11～13。STC系數(shù)為11的應變片在低溫風洞的整個運行溫度范圍內(nèi)，在選取的基層材料上具有最小的輸出特性溫度漂移。若STC系數(shù)為13，則應變片因子的變化最接近于抵消其模量的變化，使得天平負載靈敏度隨溫度的變化達到最小27。蘭利和TUD的低溫天平研制中，大多選用了由美國Micro Measurement公司專門為其制造的應變片，并經(jīng)過了特殊的熱處理。其中，蘭利使用的典型低溫應變片型號為C－891113－B［13］。

同時，低溫風洞中大跨度的溫度變化，會放大各應變片之間與生俱來的輸出特性差異，如果任意選取4個應變片來形成測力天平的1個四臂橋路，就會帶來明顯的輸出誤差。為此，蘭利創(chuàng)新性地提出了“應變片匹配技術(shù)”，對準備組橋使用的應變片的輸出示變曲線，提前進行精確測定與匹配，這樣可以明顯減小由溫度變化引入的應變片誤差信號，有助于測試精準度目標的最終實現(xiàn)。這種應變片的匹配，通過“臨時性粘貼技術(shù)”以及完全自動化的應變片數(shù)據(jù)比較來完成。將多個應變片（NASA蘭利通常為16個）臨時粘貼于馬氏體時效鋼樣品上（見圖7），再將樣品放入溫控箱內(nèi)，按照一定的溫度間隔，對應變片進行從室溫到低溫，再從低溫到室溫的循環(huán)性能測定，經(jīng)計算機對各應變片進行虛擬組橋配對，獲得誤差在允許公差范圍內(nèi)的一組4個應變片，編冊登記后，準備粘貼到最終的低溫天平上［27－28］。盡管該過程費時費力，但對于改善天平的熱響應特性，提升測量精準度具有非常明顯的效果，在此后的低溫天平研制過程中被普遍采用。

圖7 蘭利使用的低溫天平應變片匹配盤片［13］Fig.7 Gage matching disc for LARC cryo－balances［13］

2.5 應變片的粘貼

低溫天平應用的特殊性，使得其應變片的粘貼與常溫天平相比存在明顯不同，涉及貼片、焊接、補償、防護等多個環(huán)節(jié)。

貼片時最為重要的第一步就是選擇合適的粘結(jié)劑。表1給出了常見的幾種低溫用粘結(jié)劑［29］，主要為熱固型粘結(jié)劑，如聚酰亞胺、改性環(huán)氧－酚醛膠等。蘭利的典型低溫天平應用中，通常選取MM公司的粘結(jié)劑M－BOND 610［13］，經(jīng)過表面清洗、涂片粘貼、夾緊加壓、升溫固化和顯微鏡檢查等一系列處理后，可以實現(xiàn)應變片與彈性體的可靠粘接。使用時應注意各步驟的操作都必須非常仔細、耐心，并嚴格按操作規(guī)程進行。

表1 常見的低溫用粘結(jié)劑［29］Table 1 Common adhesives for low temperature［29］

天平應變片的焊接是指將天平各測量元的應變片焊接組成測量用的惠斯通電橋。應變片制造商建議的用于低溫條件的焊劑由93%的鉛、5.2%的錫和1.8%的銀構(gòu)成，然而這種焊劑的熔點非常高（299℃），使用起來十分困難。蘭利在對常規(guī)天平所用焊劑的研究中發(fā)現(xiàn)，盡管低溫下該焊劑有結(jié)晶的趨勢，但銻的加入阻止了結(jié)晶過程。因此，蘭利為NTF天平選擇的焊劑是一種組分為63%的錫、36.65%的鉛和0.35%的銻的商用焊劑，熔點為183℃［27］。

低溫天平在完成應變片組橋后，需作為一個整體對橋路單元進行溫度補償，以消除殘余的溫度效應。為此，蘭利在NTF低溫天平研制過程中，開展了大量的測試，也取得了重要的研究成果［30－31］。NTF低溫天平的橋路溫度補償主要分為非線性補償、輸出示變補償和專門的軸向溫度補償3類，整個過程通過以下步驟來完成：首先在應變電橋的合適區(qū)域植入一段溫敏導線，對天平零點輸出的等溫溫度效應加以補償。在完成等溫補償后，進入對軸向力的熱梯度補償過程。在主軸向力電橋上（NTF天平通常設(shè)置有2組軸向力電橋），將按一定策略放置在軸向力測量元件周圍的4個傳感器（如溫敏鎳導線）與軸向力電橋相連，重復多次溫度歷程，對其所處位置和電阻進行反復調(diào)整后，可以實現(xiàn)對瞬時軸向部分熱致輸出的溫度自動補償。這種方式的缺點在于傳感器被連接到應變片電橋內(nèi)，任何損壞都可能導致軸向力測量的失敗。而且傳感器提供的補償參數(shù)是在實驗室中、沒有安裝試驗模型的情況下調(diào)整優(yōu)化得到的，與實際風洞試驗情況存在較大差異。因此在輔助軸向力電橋上，取消了與橋路相連的傳感器，而是安裝了4個鉑電阻溫度探測器（PRTD），通過一種數(shù)學算法，對溫度梯度進行補償。這不僅明顯提升了天平的可靠性和牢固性，而且建立的數(shù)學模型可從裝配有全套模型的風洞試驗模擬環(huán)境下獲得，更接近試驗時的真實情況［21，27，32］。

低溫風洞溫度的變化容易凝結(jié)水汽，對天平的性能產(chǎn)生明顯的影響，因此防潮處理是低溫天平最為重要的防護環(huán)節(jié)。處理時不僅要防止電路分流和腐蝕的發(fā)生，還應盡量使選用材料對天平的影響降到最小。蘭利在對多種防潮材料及工藝進行測試后發(fā)現(xiàn)，性能最好的防潮材料是來自MM公司的粘合防潮劑M－Bond43（一種環(huán)氧化合物），以及同樣來自MM公司的M－coat B（一種腈綸橡膠成分）27。使用時需確保涂層材料的純度和天平的清潔，并在低濕、低溫環(huán)境下進行涂覆操作（圖8為NASA蘭利的防潮處理實驗箱）。低濕有助于保證沒有任何潮氣侵入到涂層材料下方；低溫則可減緩涂層的固化過程，使涂料在電氣連接點的周圍流動，同時減少涂層內(nèi)氣泡的產(chǎn)生。在完成涂覆操作后，還要進行加壓處理，將天平放置于1個充滿氮氣的壓力容器內(nèi)，加壓10～15h，以進一步增強涂層的密封性能，減小材料內(nèi)部的氣泡。然而這種方法仍會產(chǎn)生一些熱致示變輸出。在進一步的天平表面防腐研究中，蘭利發(fā)現(xiàn)了另一種更好的防潮方案：將粘貼了應變片的整個天平浸潤在一種特氟龍?zhí)挤稍餄櫥瑒┲?，用特氟龍（TFE）覆層噴涂，然后在93℃下硬化處理使其牢固。該特氟龍覆層不僅可以防止天平表面生銹，而且在阻止潮氣滲透到應變橋路的非絕緣部分方面，具有令人滿意的能力。同時在任何需要的時候，覆層都可以用溶劑清洗去除掉，便于進行天平的電氣修理或表面檢查工作［21，24］。

圖8 蘭利防潮處理實驗箱［21］Fig.8 Laboratory chamber used for application of moisture resistant coating［21］

而TUD采取的防潮處理方式則是通過化學蒸汽沉淀，將整個應變片（包括連接線）封裝在金屬遮蓋物內(nèi)。這種方法的缺點是價格非常昂貴，而且?guī)缀趺看螜C械性的接觸都會對薄的金屬覆層造成破壞［18］。

2.6 天平校準方法

天平校準是通過對已有天平的實驗性檢驗，建立模型所受載荷與天平輸出之間的數(shù)學關(guān)系，從而獲取風洞試驗過程中作用在模型上的氣動載荷。該數(shù)學模型的準確度，最終決定著所獲數(shù)據(jù)的精準度。改進天平校準，則可能是提升天平技術(shù)水平最具潛力的領(lǐng)域之一。特別是對于低溫天平來說，由于溫度等相關(guān)因素的加入，天平校準變得更為復雜，為了達到天平的設(shè)計指標，必須對天平校準的各細微環(huán)節(jié)加以優(yōu)化。為此TUD將常規(guī)天平校準普遍使用的二階校準法，拓展到對天平性能進行三階擬合（見式（1））。

進行三階擬合有著物理方面的原因，這是因為應變天平測量元的線性特性中存在著非線性（見圖9中第一象限），而應變天平是一種對稱結(jié)構(gòu)，幾乎可以肯定的是，在第三象限，特征線的非線性將是第一象限的反向鏡像（見圖9中實線），而這種非線性在多項式中只能用1個三階項來加以描述。在實際校準中將2種擬合方式進行比較后發(fā)現(xiàn)：三階擬合時，三次項系數(shù)的量值相當大，而其二次項則比二階擬合時的值要小，但仍不可省略。盡管也有專家質(zhì)疑該方法與常規(guī)二階校準相比具有的優(yōu)勢，但隨著計算機性能的不斷提升，高階擬合在數(shù)學上已不再存在困難，使用三階擬合在邏輯上是簡單可行的。

另外，因為低溫風洞中天平溫度的變化范圍相當寬，而天平的平衡溫度為完全隨機變化的因子，因此，如果繼續(xù)使用傳統(tǒng)天平校準中通常采用的“一次一系數(shù)”（OFAT）的加載方法，天平校準所需的時間和花費常常是無法承擔的。針對這一問題，美國的蘭利、AEDC等機構(gòu)都開始研究在天平的校準過程中引入現(xiàn)代試驗設(shè)計方法（MDOE），嘗試將溫度作為一個因子引入到天平校準模型中，應用統(tǒng)計方法進行數(shù)據(jù)的收集和分析，并在選定置信度和權(quán)重水平的條件下，得出所需的校準結(jié)論，從而顯著提升天平的校準效率［33］。

圖9 天平校準的二階／三階擬合［25］Fig.9 Second－and third－order descriptions of balance calibration［25］

2.7 天平校準裝置

早在20世紀40年代，蘭利就開始使用砝碼進行天平的手動加載校準，通過對加載、調(diào)平和數(shù)據(jù)采集等方面的持續(xù)改進，手動校準的準確性不斷提高［34］。NTF的低溫天平校準同樣采取了室溫下進行天平的全校準，單分量加載則在低溫環(huán)境下進行的手動加載方式。后來，為了精確復現(xiàn)低溫天平的使用環(huán)境，蘭利還研發(fā)出了一種具有全溫度范圍校準能力的可變溫度校準臺（其溫度可在－250～150的范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)）（見圖10）。但進行一次全校準可能需要數(shù)月時間，這不僅明顯增加了天平的成本，而且無法滿足風洞試驗的快速響應需求［21］。因此，對自動化校準裝置的需求日漸迫切。

圖10 NTF的變溫校準臺［21］Fig.10 Variable temperature calibration stand of NTF［21］

為此，20世紀90年代，在為ETW設(shè)計天平自動校準架時，TUD的Ewald教授提出了一種自動校準裝置概念（見圖11）。該裝置主要包括底座1、帶有6個高精度加載單元3的測量架2、加載樹4、通過連接桿與加載樹相連的力發(fā)生器5和位于裝置中部的低溫箱6。與常規(guī)天平校準架固定天平支桿端及在模型端加載的方式不同，該校準架在使用時，天平模型端被夾緊到測量架上，支桿端與加載樹相連，經(jīng)力發(fā)生器施加校準載荷進行天平的校準，校準效率明顯提升［35－37］。

圖11 天平自動校準裝置［37］Fig.11 Automatic calibration machine［37］

以此為基礎(chǔ)，ETW的第一代六分量內(nèi)式天平校準架研制成功。整套系統(tǒng)按模塊化方式設(shè)計，由多臺計算機進行分層控制，在實現(xiàn)自動設(shè)置校準載荷和校準溫度的同時，還具有一套完備的安全防護體系，防止因載荷發(fā)生器故障或編程錯誤引起天平過載受損。此后在總結(jié)力發(fā)生器的可維護性、測量架剛度、加載樹質(zhì)量和系統(tǒng)成本等經(jīng)驗教訓的基礎(chǔ)上，TUD于2007年又為ETW設(shè)計了第二代自動校準架，在保持了與第一代校準架相同的精準度和穩(wěn)定性的同時，簡化了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)，增大了加載范圍，縮短了校準時間，降低了系統(tǒng)造價［19－20，38］。

蘭利在其自動天平校準系統(tǒng)的研制過程中發(fā)現(xiàn)，雖然全自動校準系統(tǒng)大大縮短了校準時間，但在校準質(zhì)量上尚不能與手動砝碼加載系統(tǒng)相匹敵，最佳的校準方式是將手動校準和全自動校準相結(jié)合。為此蘭利將MDOE方法引入到手動校準中，創(chuàng)造性地研制出一種單矢量天平校準系統(tǒng)（SVS）（見圖12），該系統(tǒng)集成了一種獨特的單矢量載荷應用程序裝置，用單一矢量完成六分量天平校準。與原有的天平校準系統(tǒng)相比，整套校準系統(tǒng)包含的機械組件較少，因此系統(tǒng)誤差源較少，在顯著縮減校準時間和成本的同時也提高了校準質(zhì)量。同時該系統(tǒng)集成了一個溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，具有額外的環(huán)境校準能力［39－41］。

圖12 NASA的單矢量天平校準系統(tǒng)［40］Fig.12 Single－vector balance calibration system of NASA［40］

3 未來的發(fā)展方向

通過數(shù)十年的潛心研究與不斷探索，當前國外低溫天平技術(shù)已基本成熟，能夠滿足大多數(shù)風洞試驗的要求，關(guān)注的重點主要轉(zhuǎn)向天平校準的質(zhì)量、效率和費用，強調(diào)天平的穩(wěn)定性、牢固性及其在特殊狀態(tài)下的性能，未來可能存在的發(fā)展方向包括：

（1）簡化天平測量環(huán)節(jié)，為天平（特別是低溫天平）測量精準度的提升拓展空間。為此，TUD提出了“黑箱天平”理論，由天平制造商提供集成了天平信號調(diào)理、天平激勵電源、天平校準矩陣、數(shù)據(jù)處理程序等功能的標準化智能天平，通過計算機的自動控制，實現(xiàn)天平數(shù)據(jù)的“一站式”自動采集和處理［19］，從而最大程度地減少中間環(huán)節(jié)誤差。

（2）加強對低溫天平材料的特性研究，為低溫天平整體性能的實現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。通過分析評估銅鈹合金、鈦合金等新型材料在低溫環(huán)境下的性能特點，為天平設(shè)計人員提供更為廣闊的材料選取范圍，根據(jù)不同的試驗需求，對低溫天平進行針對性地設(shè)計加工，實現(xiàn)低溫天平各項性能的最優(yōu)化［19，21］。

（3）在提升天平靜態(tài)性能的基礎(chǔ)上，加強對天平動態(tài)性能的監(jiān)測評估。通過內(nèi)置可自動記錄天平動態(tài)歷程的機械裝置等方式，將有關(guān)疲勞與斷裂分析的最新技術(shù)，應用到低溫天平的實際應用過程中，探索天平在高動壓和非定常氣動載荷等作用下的動態(tài)性能，確保低溫風洞的安全可靠運行［42］。

（4）不斷創(chuàng)新天平制造工藝，提高天平設(shè)計的靈活性和便捷性。將3D打印等新興的機械加工手段，拓展應用于天平的制造加工中，在縮減天平制造時間和金錢成本的同時，更可為低溫天平的結(jié)構(gòu)設(shè)計創(chuàng)造更大的自由度［43］。

（5）通過優(yōu)化有限元分析方法、設(shè)計天平與模型新型的機械連接形式、改進天平自動校準裝置、選用光纖應變片等多種技術(shù)手段，進一步優(yōu)化天平的結(jié)構(gòu)設(shè)計、減小天平尺寸、簡化天平校準流程、提升天平校準精度，促進低溫天平整體性能的提高［44－47］。

4 結(jié)束語

作為一項復雜的系統(tǒng)性工程，低溫天平技術(shù)的顯著提升，需要對天平設(shè)計理念、結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選取、制造方法、應變片粘貼方法、校準裝置和校準算法等眾多細節(jié)進行長期地探索研究和實踐測試，最終使天平的整體性能達到運輸機構(gòu)型試驗時重復性小于一個阻力單位的測量目標。在這方面，國外的相關(guān)研究機構(gòu)已開展了廣泛研究，取得了大量的研究成果和寶貴經(jīng)驗，這對于我國尚處于起步階段的低溫天平研制工作而言，具有十分重要的參考借鑒價值。

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Advances of research on internal cryogenic strain gauge balance abroad

Zhao Li＊，Zou Manling，Tian Jinglin，Yang Xi
（China Aerodynamics Research and Development Center，Mianyang Sichuan 621000，China）

Cryogenic balance is the key measurement in cryogenic wind tunnel.Due to low air temperature and large temperature variation in the cryogenic wind tunnel，a series of problems arise，such as thermal zero drift and the variation of sensitivity.Therefore there is a risk of decreasing precision of the test data.Thus compared to conventional balances，the development of the cryogenic balance has more requirements and difficulties.By a wide literature survey，the key elements of cryogenic balance are sorted out as follows：design and optimization of balance，material selection and thermal treatment，processing and manufacturing of balance，matching of strain gauge，moisture treatment of balance at low ambient temperature，balance calibration algorithm as well as calibration apparatus and data acquisition equipment.A prospect of the cryogenic balance technologies is also given.The research results presented in this paper are of reference value for development and engineering application of cryogenic balance.

cryogenic wind tunnel；strain gauge balance；balance design；research advances

V211.752；TH715.1＋12

A

（編輯：李金勇）

1672－9897（2016）06－0001－09

10.11729／syltlx20160090

2016－06－02；

2016－09－21

＊通信作者E－mail：1262162204＠qq.com

Zhao L，Zou M L，Tian J L，et al.Advances of research on internal cryogenic strain gauge balance abroad.Journal of Experiments in Fluid Mechanics，2016，30（6）：1－9.趙 莉，鄒滿玲，田靜琳，等.國外低溫內(nèi)式應變天平技術(shù)研究進展.實驗流體力學，2016，30（6）：1－9.

趙 莉（1972－），女，湖南南縣人，高級工程師。研究方向：情報研究與信息化建設(shè)。通信地址：四川省綿陽市二環(huán)路南段6號207信箱（621000）。E－mail：1262162204＠qq.com