孫日明，諶君謀，陳星

中國航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院，北京100074

FD21風(fēng)洞是目前世界上領(lǐng)先的自由活塞驅(qū)動(dòng)高焓激波風(fēng)洞。它通過兩級(jí)壓縮，獲得高溫、高壓的試驗(yàn)氣體，兼具高焓和長時(shí)間等組合狀態(tài)的多種風(fēng)洞運(yùn)行模式，模擬能力在國內(nèi)首屈一指[1-4]。該風(fēng)洞的核心是重活塞壓縮器，通過活塞運(yùn)動(dòng)將預(yù)先充于壓縮管中的氦氣/氬氣等驅(qū)動(dòng)氣體壓縮至高溫高壓狀態(tài)。風(fēng)洞運(yùn)行參數(shù)的設(shè)定直接影響著自由活塞的運(yùn)動(dòng)：參數(shù)設(shè)置過高會(huì)影響風(fēng)洞運(yùn)行安全；參數(shù)設(shè)置過低又無法獲得需要的流場參數(shù)。而風(fēng)洞運(yùn)行參數(shù)的設(shè)定不能只靠理論計(jì)算，必須在調(diào)試過程中安全準(zhǔn)確地獲取活塞運(yùn)行規(guī)律，進(jìn)而對(duì)理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正，同時(shí)為風(fēng)洞運(yùn)行安全提供保障。

自由活塞運(yùn)行速度較快，可達(dá)數(shù)百米每秒，屬于高速運(yùn)動(dòng)的范疇。國內(nèi)外對(duì)于高速運(yùn)動(dòng)物體的速度測(cè)量可分為直接測(cè)量和間接測(cè)量2種方式[5]。直接測(cè)量方法通過測(cè)量物理定律中某個(gè)與速度直接相關(guān)的參數(shù)的變化來得到物體的運(yùn)動(dòng)速度。例如在火炮初速測(cè)量等領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛的激光多普勒測(cè)速雷達(dá)。間接測(cè)量將對(duì)速度的測(cè)量轉(zhuǎn)化為對(duì)運(yùn)動(dòng)物體位移和時(shí)間的測(cè)量。某個(gè)足夠小的時(shí)間段內(nèi)運(yùn)動(dòng)的平均速度v=s/t，可以認(rèn)為該平均速度就是此時(shí)的瞬時(shí)速度。如文獻(xiàn)[6-7]中所述日本HIEST 風(fēng)洞活塞測(cè)速即采用平均速度法，但其方案只能獲取單點(diǎn)速度信息，無法獲取末端運(yùn)行規(guī)律。

在風(fēng)洞活塞調(diào)試過程中，經(jīng)過不斷摸索與試驗(yàn)，本文設(shè)計(jì)了一種多傳感器融合的活塞速度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為風(fēng)洞運(yùn)行調(diào)試提供了有力支撐。

1 活塞測(cè)速原理

1.1 多普勒效應(yīng)法

直接測(cè)量法以多普勒效應(yīng)為理論依據(jù)，應(yīng)用較多的為激光多普勒測(cè)速雷達(dá)。測(cè)速儀通過激光器發(fā)出頻率為f的激光束，因?yàn)槎嗥绽招?yīng)的作用，經(jīng)過運(yùn)動(dòng)物體反射的激光光束頻率被速度v調(diào)制，變?yōu)閒+Δf。通過測(cè)量Δf就可以得到運(yùn)動(dòng)物體的速度v。多普勒測(cè)速法具有響應(yīng)速度快、測(cè)量精度高、測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍寬、可測(cè)多維矢量速度等優(yōu)點(diǎn)[8]，在火炮出口速度測(cè)量等場合應(yīng)用廣泛[9-10]。但其成本高、器件易損壞，且不適合于有大量振動(dòng)的工業(yè)環(huán)境，因此本文不采用該方式進(jìn)行測(cè)量。

1.2 間接測(cè)量法

間接測(cè)量是將對(duì)速度的測(cè)量轉(zhuǎn)化為對(duì)運(yùn)動(dòng)物體位移和時(shí)間的測(cè)量。按照測(cè)量量的不同，可分為以下2種方法。

1)信號(hào)切斷法

如圖1所示，該方法在物體運(yùn)行的垂直方向布置2個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)間的距離S1已知。當(dāng)物體運(yùn)動(dòng)到測(cè)點(diǎn)位置時(shí)，該測(cè)點(diǎn)信號(hào)發(fā)生變化(如光束被遮擋、壓力信號(hào)發(fā)生變化、磁通量發(fā)生變化等)，通過記錄2個(gè)測(cè)點(diǎn)之間的信號(hào)變化時(shí)間差t1，即可通過公式v1=S1/t1獲取該段的平均速度。與此類似，如果物體本身具有一定長度L，也可記錄單個(gè)測(cè)點(diǎn)信號(hào)發(fā)生變化的時(shí)間間隔t2，獲取物體通過該測(cè)點(diǎn)的平均速度v2=L/t2。

圖1 信號(hào)切斷法示意

信號(hào)切斷法適用于形狀規(guī)則的物體速度測(cè)量，可以達(dá)到較高的測(cè)量精度[11-12]。但該方法依賴于信號(hào)的捕獲，如果測(cè)量環(huán)境有煙霧、粉塵、電磁干擾等，需進(jìn)行相應(yīng)的處理以達(dá)到較好的測(cè)量結(jié)果。

2)位置捕獲法

如圖2所示，在理想情況下，能夠獲取活塞在管道中的實(shí)時(shí)位置S，即可通過對(duì)位置S進(jìn)行微分，獲取速度曲線。

圖2 位置捕獲法示意

該方法由于測(cè)量元件大小及響應(yīng)頻率的限制，一般只能獲取較短距離的活塞運(yùn)動(dòng)軌跡，而無法監(jiān)測(cè)幾十米范圍內(nèi)的活塞運(yùn)動(dòng)。而且由于管道內(nèi)的瞬時(shí)高溫高壓環(huán)境及煙霧影響，必須對(duì)傳感器進(jìn)行相應(yīng)防護(hù)處理。

2 測(cè)速系統(tǒng)搭建

綜合考慮高能激波風(fēng)洞的運(yùn)行特點(diǎn)及管道情況，充分利用前期管道設(shè)計(jì)時(shí)遺留的測(cè)壓孔，采用信號(hào)切斷法與位置獲取法共同進(jìn)行活塞運(yùn)行速度監(jiān)測(cè)。

2.1 活塞外形分析

如圖3所示，某次測(cè)量選用的活塞從右至左有3個(gè)凸起結(jié)構(gòu)：摩擦環(huán)、聚四氟1和聚四氟2。此種外形可在垂直運(yùn)動(dòng)方向放置光纖傳感器進(jìn)行信號(hào)切斷法測(cè)量。

圖3 活塞真實(shí)結(jié)構(gòu)

為增強(qiáng)活塞通過的信號(hào)對(duì)比度，試驗(yàn)前將3段凸起結(jié)構(gòu)進(jìn)行清潔處理，并將凹陷結(jié)構(gòu)進(jìn)行涂黑。在試驗(yàn)前先拉動(dòng)活塞通過各測(cè)點(diǎn)，調(diào)整傳感器安裝高度并獲取其通過閾值。

活塞左側(cè)端面為密閉結(jié)構(gòu)，可在運(yùn)行末端放置經(jīng)過結(jié)構(gòu)防護(hù)的激光傳感器進(jìn)行位置捕獲，獲取其末端運(yùn)行情況。試驗(yàn)前同樣在該裝置安裝完畢后進(jìn)行標(biāo)定，以獲取真實(shí)信息。

2.2 測(cè)點(diǎn)布置

如圖4所示，在活塞壓縮管處上方布置若干光纖傳感器G1，G2，…，Gn，其距離發(fā)射機(jī)構(gòu)的距離相應(yīng)為X1，X2，…，Xn(型號(hào)為FU-63，放大器為FS-N11C)，采用信號(hào)切斷法進(jìn)行速度獲取。由于光纖傳感器的信號(hào)易受煙霧、粉塵等影響產(chǎn)生干擾，因此在光纖傳感器的對(duì)應(yīng)位置設(shè)置了壓力傳感器(P1，P2，…，Pn)進(jìn)行相互印證并監(jiān)測(cè)管道內(nèi)壓力變化。

圖4 各類傳感器測(cè)點(diǎn)布置

在最右側(cè)活塞止停機(jī)構(gòu)位置安置了一臺(tái)日本基恩士公司LR-TB5000型激光測(cè)距儀進(jìn)行位置捕獲，經(jīng)過加裝保護(hù)觀察窗標(biāo)定后，該型儀器有效檢測(cè)距離為5 000 mm。該傳感器測(cè)量的位置信息既可以計(jì)算活塞運(yùn)行速度與光纖傳感器進(jìn)行互相印證，又以判斷活塞的具體反彈位置。

2.3 同步采集系統(tǒng)搭建

如圖5所示，同步采集系統(tǒng)由風(fēng)洞現(xiàn)場設(shè)備和測(cè)控間設(shè)備2部分組成。風(fēng)洞現(xiàn)場設(shè)備將光纖傳感器信號(hào)、壓力傳感器信號(hào)及激光測(cè)距儀信號(hào)引入LXI-5402同步采集器(采樣率100 kS/s,精度16 bit)。

圖5 同步采集系統(tǒng)示意

測(cè)控間內(nèi)的測(cè)試人員通過主控計(jì)算機(jī)采用遠(yuǎn)程訪問的方式控制LXI-5402。系統(tǒng)采用激波風(fēng)洞中成熟的觸發(fā)采集方式，即當(dāng)活塞運(yùn)行后導(dǎo)致壓力傳感器P1有階躍信號(hào)產(chǎn)生后，系統(tǒng)自動(dòng)采集1 s，并將所有通道信號(hào)上傳至主控計(jì)算機(jī)保存。

3 測(cè)試試驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 測(cè)試試驗(yàn)設(shè)計(jì)

按照第2章所述搭建活塞測(cè)速系統(tǒng)，按照?qǐng)D4進(jìn)行傳感器布置，在高焓激波風(fēng)洞進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)。將壓縮管末端密封，則活塞發(fā)射后先加速，在壓縮管末端附近達(dá)到最高速度，隨后速度減少至零并反向加速。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)條件中，理論計(jì)算活塞運(yùn)動(dòng)最大運(yùn)動(dòng)速度約為200 m/s，且距離壓縮管末端2.2 m 處反彈。

3.2 光纖傳感器點(diǎn)測(cè)量

3.2.1光纖傳感器信號(hào)定性分析

為了能夠更加精確地測(cè)量活塞速度(分辨出更多的活塞結(jié)構(gòu))，通過事先設(shè)置閾值，使得測(cè)量數(shù)據(jù)能夠分辨出活塞的結(jié)構(gòu)。如圖6所示，即為該次試驗(yàn)中光電傳感器G14記錄的活塞通過過程。從圖中可以明顯看出通過過程中有3段高電平，即從左至右為摩擦環(huán)、聚四氟1、聚四氟2。因此，從定性的角度可以確認(rèn)該方法能夠測(cè)量活塞通過過程。

圖6 光纖傳感器測(cè)速結(jié)果

3.2.2光纖傳感器信號(hào)定量分析

通過圖3所示活塞結(jié)構(gòu)及圖6中的光電信號(hào)對(duì)比即可得出活塞通過的平均速度。由摩擦環(huán)起始位置至聚四氟2起始位置的平均速度為182.3 m/s，由摩擦環(huán)起始位置至聚四氟2結(jié)束位置的平均速度為187.6 m/s，二者間誤差小于3%。經(jīng)分析認(rèn)為，由于光纖傳感器光斑直徑為2 mm 左右，且活塞凸起部分有一定倒角，會(huì)在過渡段引入一定誤差，因而取活塞整個(gè)結(jié)構(gòu)平均速度較為合適，其余結(jié)構(gòu)可作為該測(cè)量方式的合理參照。

因此，判定該次試驗(yàn)G14測(cè)點(diǎn)測(cè)得的活塞速度為182.3 m/s。依此類推，可獲取所布置的8個(gè)光纖傳感器測(cè)點(diǎn)的速度值。

3.3 激光測(cè)距傳感器連續(xù)測(cè)量

3.3.1測(cè)距傳感器信號(hào)定性分析

如圖7所示為激光傳感器的位置測(cè)試結(jié)果?？芍钊诰嗉す鈧鞲衅骷s2.2 m 位置發(fā)生反彈，并未撞擊到止停機(jī)構(gòu)，證明激光傳感器獲取的數(shù)據(jù)真實(shí)有效，可以此為根據(jù)進(jìn)行速度換算。

圖7 激光傳感器位置測(cè)量結(jié)果

3.3.2測(cè)距傳感器信號(hào)定量分析

測(cè)距傳感器的采樣頻率為100 kHz，輸出量程為0～10 V，對(duì)應(yīng)距離為0～5 m。對(duì)圖7所獲取的位置數(shù)據(jù)進(jìn)行微分后如圖8所示，活塞在監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)處于不斷減速過程，從最高的175 m/s逐漸減速至0，然后反向加速至157 m/s并脫離監(jiān)測(cè)區(qū)域。

圖8 激光傳感器測(cè)得速度結(jié)果

3.4 多傳感器信息融合定性分析

圖9為該次試驗(yàn)獲取的活塞運(yùn)行結(jié)果。由于采用了多通道同步采集，因此各信號(hào)輸出間的相對(duì)時(shí)刻是準(zhǔn)確的，可以進(jìn)行對(duì)比分析。

圖9 壓力傳感器、光纖傳感器與激光測(cè)距傳感器信息融合

弧形曲線為末端激光測(cè)距傳感器的信號(hào)輸出，其安裝在止停機(jī)構(gòu)上。可以看出活塞與激光測(cè)距裝置的距離由遠(yuǎn)變近，在曲線最低點(diǎn)處發(fā)生反彈，活塞漸漸遠(yuǎn)離?；⌒吻€最低點(diǎn)位置約為2.2 m。

波浪形曲線為G14光纖傳感器對(duì)應(yīng)位置布置的壓力傳感器P14的輸出信號(hào)。可以看出活塞通過后壓力值變小，在反彈后壓力上升。由此可確認(rèn)光電信號(hào)有效，并非干擾(實(shí)際試驗(yàn)過程中，存在煙霧、粉塵等原因?qū)е碌墓怆娦盘?hào)跳動(dòng)，可依照壓力傳感器信號(hào)進(jìn)行排除修正)。

矩形曲線為G14光纖傳感器的信號(hào)輸出，其不但檢測(cè)到活塞運(yùn)行與反彈的時(shí)刻，還與激光測(cè)距傳感器的有效工作范圍一致，因此可以通過二者計(jì)算的活塞速度進(jìn)行相互印證。

3.5 活塞運(yùn)行規(guī)律獲取定量計(jì)算

表1為點(diǎn)測(cè)量和連續(xù)測(cè)量速度計(jì)算值對(duì)比情況。由表1可以看出，光纖傳感器與激光傳測(cè)距感器測(cè)得速度較為接近，最大誤差小于3%。由此可以判定該測(cè)量方法準(zhǔn)確可靠，能夠反映活塞運(yùn)行情況。

表1 點(diǎn)測(cè)量和連續(xù)測(cè)量速度計(jì)算值對(duì)比

如圖10所示，計(jì)算所有光纖傳感器測(cè)點(diǎn)速度數(shù)據(jù)，對(duì)比測(cè)得的活塞運(yùn)行位置與經(jīng)由激光測(cè)距傳感器測(cè)得的活塞位置時(shí)刻基本吻合，表明該測(cè)試系統(tǒng)對(duì)活塞運(yùn)行情況的監(jiān)測(cè)取得成功，該系統(tǒng)對(duì)活塞速度和位置的測(cè)量結(jié)果可信。

圖10 光纖傳感器與激光測(cè)距傳感器位置對(duì)比結(jié)果

因此，圖10即可作為該次活塞運(yùn)行規(guī)律供試驗(yàn)理論計(jì)算進(jìn)行修正。

4 結(jié)論

對(duì)于風(fēng)洞自由活塞速度獲取的問題，目前普遍采用單一傳感器信息獲取的方法，數(shù)據(jù)獲取數(shù)量少且易有壞點(diǎn)，不能滿足高焓激波風(fēng)洞調(diào)試的需要。本文設(shè)計(jì)并完成了一套多傳感器信息融合的速度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)際速度測(cè)量誤差小于3%。結(jié)論如下：

1)采用光纖傳感器，能較為準(zhǔn)確地獲取活塞運(yùn)行單點(diǎn)平均速度，但測(cè)點(diǎn)稀疏且易受環(huán)境干擾，導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯(cuò)誤；

2)采用壓力傳感器測(cè)速并與光纖傳感器相互印證，可有效排除傳感器故障導(dǎo)致的測(cè)試問題；

3)激光測(cè)距傳感器的引入豐富了活塞末端運(yùn)行位置及速度信息，并可與光纖傳感器結(jié)果對(duì)比，測(cè)速誤差小于3%。

4)該系統(tǒng)不但適用于高焓激波風(fēng)洞的活塞速度獲取，還應(yīng)用于中國航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院的FD20A 等風(fēng)洞，取得了良好的應(yīng)用效果。

由于風(fēng)洞運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)高溫高壓，傳感器會(huì)面臨運(yùn)行一定時(shí)間后發(fā)生損壞的風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而導(dǎo)致數(shù)據(jù)獲取錯(cuò)誤。因此，在后續(xù)工作中可以加大對(duì)傳感器密封防護(hù)等方面的研究。