黃 輝,熊 健,劉光遠(yuǎn),苗 磊

(中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 高速空氣動(dòng)力研究所，四川 綿陽 621000)

0 引言

風(fēng)洞測(cè)量系統(tǒng)由信號(hào)調(diào)理及數(shù)采設(shè)備組成，包括濾波、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)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(hào)[1]。由于風(fēng)洞內(nèi)部環(huán)境復(fù)雜，風(fēng)洞測(cè)量系統(tǒng)一般安裝于風(fēng)洞外部，模型天平及分布于風(fēng)洞各部段的各類傳感器需要通過雙絞屏蔽線將信號(hào)輸入到測(cè)量系統(tǒng)。對(duì)于傳感器測(cè)點(diǎn)較為分散的大型風(fēng)洞，信號(hào)長(zhǎng)距離傳輸會(huì)導(dǎo)致信號(hào)衰減，同時(shí)由于風(fēng)洞現(xiàn)場(chǎng)大功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備較多，如天平輸出的小信號(hào)傳輸過程中易受空間電磁干擾，這些均會(huì)對(duì)測(cè)量精度產(chǎn)生影響。對(duì)于無法布置信號(hào)線的應(yīng)用場(chǎng)合，比如壓氣機(jī)及旋轉(zhuǎn)葉柵中的旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)件、直升機(jī)旋翼上的傳感器信號(hào)采集，現(xiàn)有風(fēng)洞測(cè)量系統(tǒng)也不再適用。

隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展，數(shù)字化、小型化的測(cè)量設(shè)備不斷涌現(xiàn)[2-3]，為解決傳統(tǒng)風(fēng)洞測(cè)量系統(tǒng)在應(yīng)用中存在的問題提供了技術(shù)手段。國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)針對(duì)不同試驗(yàn)需求開展了相關(guān)研究工作，美國(guó)NASA蘭利中心將微型測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于TDT跨聲速風(fēng)洞模型測(cè)力試驗(yàn)、模型姿態(tài)角、模型表面壓力與溫度測(cè)量[4]。美國(guó)國(guó)家航空航天局NASA實(shí)施了風(fēng)洞測(cè)力能力戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃[5]，為進(jìn)一步提升NASA風(fēng)洞測(cè)力試驗(yàn)?zāi)芰?，滿足未來航空航天飛行器型號(hào)研制需要，開始發(fā)展數(shù)字天平與無線天平。俄羅斯中央流體動(dòng)力學(xué)研究院(TsAGI)利用微型測(cè)量技術(shù)，研發(fā)了MKTM系列微型測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)應(yīng)變天平、角度、溫度的測(cè)量，外形尺寸為60 mm×34.5 mm×17 mm，采用RS485接口傳輸數(shù)據(jù)，電阻應(yīng)變計(jì)信號(hào)測(cè)量精度可以達(dá)到0.01%。中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心應(yīng)用無線測(cè)量模塊實(shí)現(xiàn)了某風(fēng)洞動(dòng)壓的測(cè)量[6]，測(cè)量結(jié)果與常規(guī)測(cè)量系統(tǒng)吻合較好，靜態(tài)校準(zhǔn)表面壓力測(cè)量精度優(yōu)于0.05%。中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心將微型數(shù)據(jù)采集設(shè)備安裝于風(fēng)洞流校裝置[7]，縮短了測(cè)壓管路，實(shí)現(xiàn)了五孔探針壓力的測(cè)量，提高了流場(chǎng)校測(cè)效率。上述國(guó)內(nèi)研究成果應(yīng)用于低速風(fēng)洞，且性能指標(biāo)無法滿足高速風(fēng)洞測(cè)力試驗(yàn)需求。針對(duì)集中式測(cè)量系統(tǒng)在高速風(fēng)洞試驗(yàn)中存在的問題，本文研制了一種微型測(cè)量系統(tǒng)，通過靜態(tài)校準(zhǔn)驗(yàn)證了系統(tǒng)性能指標(biāo)，并開展了風(fēng)洞測(cè)力試驗(yàn)，對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行了檢驗(yàn)。

1 總體方案

微型測(cè)量系統(tǒng)基于LAN總線，包括常規(guī)測(cè)量系統(tǒng)的放大、濾波及模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，關(guān)鍵性能指標(biāo)與風(fēng)洞常規(guī)測(cè)量系統(tǒng)相當(dāng)，具備數(shù)據(jù)在線處理與分析能力，兼容無線數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，具備一定防護(hù)和防震等級(jí)。微型測(cè)量系統(tǒng)可通過以太網(wǎng)組網(wǎng)，基于IEEE 1588協(xié)議實(shí)現(xiàn)多微型測(cè)量系統(tǒng)的同步采集。系統(tǒng)采用微型化及防震設(shè)計(jì)，滿足特殊安裝環(huán)境需求，可安裝于模型支撐機(jī)構(gòu)或模型內(nèi)部用于天平、溫度、壓力傳感器、傾角傳感器等信號(hào)采集，也可安裝于無法走線的旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)件及其它需要考慮高沖擊及強(qiáng)震動(dòng)的場(chǎng)合。可加裝無線傳輸模塊，完成本地采集及預(yù)處理后，通過網(wǎng)絡(luò)方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)向上位機(jī)傳輸。

圖1為微型測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(cè)量系統(tǒng)工作原理：輸入信號(hào)通過模擬電壓信號(hào)輸入端子接入，并通過增益控制模塊實(shí)現(xiàn)信號(hào)的放大，經(jīng)過放大的模擬信號(hào)中包含一定的噪聲和混疊信號(hào)；經(jīng)過低通濾波模塊，濾除模擬信號(hào)的噪聲和混疊信號(hào)；在同步采集開關(guān)的作用下，經(jīng)過濾波處理的模擬信號(hào)輪詢進(jìn)入A/D中進(jìn)行采集，完成模/數(shù)轉(zhuǎn)換；之后數(shù)字信號(hào)進(jìn)入到主控模塊中，主控模塊中的固件模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行修正處理，并進(jìn)行緩存和存儲(chǔ)；當(dāng)接收到上位機(jī)的數(shù)據(jù)讀取命令時(shí)，將緩存的數(shù)據(jù)上傳。

2 微型測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

微型測(cè)量系統(tǒng)實(shí)物如圖2所示。系統(tǒng)防護(hù)等級(jí)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(zhǎng)×寬×高)，輸入信號(hào)范圍為-10～10 V。下面根據(jù)信號(hào)及數(shù)據(jù)流向，對(duì)系統(tǒng)各模塊進(jìn)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(hào)輸入通道，具備電流過載保護(hù)和電壓過載保護(hù)雙重保護(hù)功能，支持共地差分/單端信號(hào)、浮地差分信號(hào)接入；后面板包括12 V直流電源輸入接口，百兆以太網(wǎng)口，外部觸發(fā)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(shí)現(xiàn)電壓輸入信號(hào)的增益放大，每通道增益可獨(dú)立設(shè)置，增益分別為：×1，×100，×200，×500，滿足不同量級(jí)信號(hào)的放大需求。

2.3 低通濾波模塊

每個(gè)模擬輸入通道單獨(dú)設(shè)計(jì)了獨(dú)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(hào)。巴特沃斯濾波器最大的特點(diǎn)是通頻帶內(nèi)的頻率響應(yīng)曲線最平坦，沒有起伏，而在阻頻帶下降速率較緩慢。根據(jù)風(fēng)洞穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)信號(hào)特點(diǎn)，常規(guī)測(cè)量系統(tǒng)低通濾波截止頻率一般設(shè)置為1 Hz，為降低低通濾波模塊電路復(fù)雜度，減少電路板尺寸，只設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)多通道采集功能，多路模擬信號(hào)通過與采集同步的開關(guān)切換依次輪詢進(jìn)入A/D中進(jìn)行采集。掃描采集設(shè)計(jì)中，A/D的轉(zhuǎn)換時(shí)機(jī)與模擬開關(guān)的切換時(shí)機(jī)要十分嚴(yán)格地進(jìn)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(hào)，實(shí)際采集時(shí)通道的接入通過通道號(hào)選擇，通道號(hào)存放順序可靈活設(shè)置。模數(shù)轉(zhuǎn)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(qū)動(dòng)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，F(xiàn)PGA為前端模擬電路與后端數(shù)字接口之間的橋梁，ARM處理器支持多種標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，具備計(jì)算能力。主控芯片支持多種總線接口以及多種存儲(chǔ)器接口，具有較強(qiáng)的可擴(kuò)展能力，同時(shí)具有低功耗和體積小的優(yōu)點(diǎn)。

固件模塊主要包括FPGA邏輯(PL)和ARM程序(PS)兩部分。固件設(shè)計(jì)的功能框圖如圖3，包括：全局時(shí)鐘及復(fù)位生成模塊，生成各模塊需要的時(shí)鐘頻率及相應(yīng)頻率的同步復(fù)位信號(hào)；PL-PS接口模塊，實(shí)現(xiàn)PS對(duì)PL接口的寄存器讀寫和DMA數(shù)據(jù)讀寫；時(shí)鐘控制模塊，實(shí)現(xiàn)高分辨率的時(shí)鐘頻率，作為A/D芯片的采樣時(shí)鐘；觸發(fā)與時(shí)鐘處理模塊，模塊功能包括A/D采樣時(shí)鐘選擇、外部觸發(fā)信號(hào)選擇；A/D數(shù)據(jù)采集模塊，實(shí)時(shí)讀取A/D芯片的采樣數(shù)據(jù)，并將16路串行數(shù)據(jù)組幀傳輸給A/D數(shù)據(jù)修正模塊；A/D數(shù)據(jù)修正模塊，根據(jù)校準(zhǔn)系數(shù)完成數(shù)據(jù)修正處理，并寫入緩存；A/D數(shù)據(jù)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(fù)荷，可實(shí)時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取；數(shù)據(jù)處理與分析模塊，該模塊可編程，實(shí)現(xiàn)不同應(yīng)用需求，在控制計(jì)算復(fù)雜度的前提下保障數(shù)據(jù)處理與分析的實(shí)時(shí)性。

圖3 微型測(cè)量系統(tǒng)固件功能框圖

驅(qū)動(dòng)模塊：為保證微型測(cè)量系統(tǒng)工作穩(wěn)定性和兼容性，采用基于以太網(wǎng)的LXI總線通訊協(xié)議VXI-11；不同微型測(cè)量系統(tǒng)間的時(shí)鐘同步使用基于互聯(lián)網(wǎng)的IEEE 1588協(xié)議，實(shí)現(xiàn)不同測(cè)量系統(tǒng)之間的同步；系統(tǒng)訪問使用VISA標(biāo)準(zhǔn)的接口，同時(shí)兼容NI-VISA和Keysight VISA。驅(qū)動(dòng)程序接口為L(zhǎng)abVIEW編程環(huán)境下的vi函數(shù)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(tǒng)自檢、讀取檢測(cè)結(jié)果、狀態(tài)查詢；連接模塊包括連接、同步測(cè)試、斷開連接；采集模塊包括采集初始化、單次采集、有限點(diǎn)采集、連續(xù)采集開始、連續(xù)采集停止、讀取存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)、清空存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)；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(wǎng)作為傳輸總線，接入風(fēng)洞測(cè)控網(wǎng)絡(luò)即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸，同時(shí)可基于IEEE1588協(xié)議實(shí)現(xiàn)多個(gè)微型測(cè)量系統(tǒng)的同步。

3 微型測(cè)量系統(tǒng)靜態(tài)校準(zhǔn)

通過靜態(tài)校準(zhǔn)的方式標(biāo)定微型測(cè)量系統(tǒng)關(guān)鍵性能指標(biāo)，包括各通道線性度及誤差限，確定系統(tǒng)是否滿足風(fēng)洞試驗(yàn)需求；并對(duì)低通濾波器頻響進(jìn)行評(píng)估，確定濾波器設(shè)計(jì)是否滿足設(shè)計(jì)要求；開展天平靜態(tài)加載測(cè)試，驗(yàn)證系統(tǒng)測(cè)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(cè)試

按照“GJB5224—2004風(fēng)洞測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)及檢定準(zhǔn)則”對(duì)微型測(cè)量系統(tǒng)各通道的線性度、誤差限進(jìn)行檢定[8]。

校準(zhǔn)信號(hào)源為FLUKE 5520，測(cè)試前對(duì)測(cè)量系統(tǒng)及標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源通電預(yù)熱30分鐘以上。信號(hào)源電壓調(diào)整并穩(wěn)定3秒后開始采集，連續(xù)采集5次，采集間隔1秒，每次采集結(jié)果為200點(diǎn)平均，A/D采樣率為2 000 Hz。線性度及誤差限計(jì)算結(jié)果如圖4所示，在1、100、200倍時(shí)，大部分通道的線性度和誤差限小于0.02%，而500倍時(shí)，線性度和誤差限有所增大，但控制在0.03%以內(nèi)。綜上所述，微型測(cè)量系統(tǒng)各通道線性度及誤差限指標(biāo)滿足風(fēng)洞試驗(yàn)小于0.03%的要求。

圖4 靜態(tài)校準(zhǔn)結(jié)果

3.2 低通濾波器頻率響應(yīng)測(cè)試

使用Agilent33522A信號(hào)發(fā)生器生成不同頻率的正弦信號(hào)，微型測(cè)量系統(tǒng)開啟連續(xù)采集模式，對(duì)信號(hào)衰減情況進(jìn)行記錄。結(jié)果如圖5所示，3 dB截止頻率為1 Hz，濾波窗口內(nèi)響應(yīng)較為平坦，2 Hz衰減約為12.3 dB，滿足二階低通濾波器設(shè)計(jì)指標(biāo)。

圖5 微型測(cè)量系統(tǒng)低通濾波器幅頻圖

3.3 天平加載測(cè)試

在模型地面準(zhǔn)備平臺(tái)進(jìn)行天平加載測(cè)試，天平為六分量應(yīng)變天平，包括3個(gè)方向的力(X、Y、Z)和對(duì)應(yīng)的力矩(Mx、My、Mz)，輸出信號(hào)為電壓信號(hào)，以差分接線方式接入微型測(cè)量系統(tǒng)。受地面準(zhǔn)備平臺(tái)的限制，僅對(duì)X元、Y元、Z元進(jìn)行加載，加載砝碼為40 kg。Y元、Z元的測(cè)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(zhǔn)備平臺(tái)可調(diào)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(duì)較小，輸出信號(hào)的細(xì)微波動(dòng)就有可能產(chǎn)生較大的相對(duì)誤差，使用60 kg砝碼后有所改善。

4 動(dòng)態(tài)調(diào)試試驗(yàn)結(jié)果與分析

動(dòng)態(tài)調(diào)試試驗(yàn)在中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心2.4米跨聲速風(fēng)洞全模試驗(yàn)段中進(jìn)行，包括標(biāo)模測(cè)力試驗(yàn)對(duì)比以及測(cè)量精度試驗(yàn)兩部分，試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑槟炒笳瓜冶葮?biāo)模。微型測(cè)量系統(tǒng)放大倍率設(shè)置為200倍，濾波截止頻率為1 Hz。

無量綱的氣動(dòng)系數(shù)為測(cè)力試驗(yàn)的最終結(jié)果，計(jì)算公式如式(2)所示[9]。式中Ci為氣動(dòng)系數(shù)，包括：風(fēng)軸系升力系數(shù)CL，體軸系俯仰力矩系數(shù)Cm，風(fēng)軸系阻力系數(shù)CD，體軸系橫向力系數(shù)CY，體軸系偏航力矩系數(shù)Cn，體軸系滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù)Cl。F為相應(yīng)的氣動(dòng)載荷；q為動(dòng)壓，與流場(chǎng)參數(shù)中的馬赫數(shù)、總壓與總溫有關(guān)；S為氣動(dòng)系數(shù)參考面積，Li為氣動(dòng)系數(shù)參考長(zhǎng)度，均為模型參數(shù)。

(2)

4.1 微型測(cè)量系統(tǒng)與VXI系統(tǒng)結(jié)果對(duì)比

分別使用微型測(cè)量系統(tǒng)和2.4米跨聲速風(fēng)洞VXI測(cè)量系統(tǒng)完成測(cè)力試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集，對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果，驗(yàn)證微型測(cè)量系統(tǒng)的可靠性。表1給出了相應(yīng)的縱向?qū)?系)數(shù)對(duì)比，其中α為模型攻角，兩系統(tǒng)升力線斜率和焦點(diǎn)位置的差異較小。M=0.40、0.78對(duì)應(yīng)的CLα差量分別為0.000 9、0.000 4，差異在1.0%以內(nèi)；M=0.85時(shí)CLα差量為0.002 0，接近絕對(duì)量值的2.0%，相對(duì)較大，主要原因是高馬赫數(shù)下CL-α曲線非線性特征明顯，斜率計(jì)算誤差較大。另外，3個(gè)馬赫數(shù)條件下CmCL差量分別為0.003 9、0.000 3和0.001 1，對(duì)應(yīng)焦點(diǎn)位置變化均小于0.5%氣動(dòng)弦長(zhǎng)。

表1 某標(biāo)?？v向?qū)?系)數(shù)對(duì)比(不同采集系統(tǒng))

4.2 微型測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)模結(jié)果精度分析

4.2.1 測(cè)力試驗(yàn)精度指標(biāo)

在M=0.78狀態(tài)下進(jìn)行了七次重復(fù)性精度測(cè)量試驗(yàn)，表2給出七次均方根偏差結(jié)果?？梢钥闯觯篊L、Cm的精度達(dá)到國(guó)軍標(biāo)合格指標(biāo)，小迎角范圍內(nèi)(-2°≤α≤2°)接近先進(jìn)指標(biāo)；CD的精度達(dá)到國(guó)軍標(biāo)合格指標(biāo)，小迎角范圍內(nèi)(-2°≤α≤2°)達(dá)到或接近先進(jìn)指標(biāo)[10]。重復(fù)性試驗(yàn)結(jié)果和測(cè)力精度試驗(yàn)結(jié)果表明試驗(yàn)中微型測(cè)量系統(tǒng)工作穩(wěn)定，試驗(yàn)數(shù)據(jù)精度較高，滿足測(cè)力試驗(yàn)要求。

表2 某標(biāo)模同期重復(fù)性精度

4.2.2 重復(fù)性精度對(duì)比

對(duì)比微型測(cè)量系統(tǒng)與VXI系統(tǒng)在M=0.78狀態(tài)下的重復(fù)性精度指標(biāo)，如圖6所示，可以看到微型測(cè)量系統(tǒng)與VXI系統(tǒng)重復(fù)性精度指標(biāo)相當(dāng)，兩系統(tǒng)絕大部分精度指標(biāo)均在合格指標(biāo)以內(nèi)，部分達(dá)到先進(jìn)指標(biāo)。

圖6 微型測(cè)量系統(tǒng)與VXI系統(tǒng)測(cè)量精度對(duì)比

基于標(biāo)模試驗(yàn)結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：動(dòng)態(tài)調(diào)試試驗(yàn)數(shù)據(jù)規(guī)律合理，量值可靠；微型測(cè)量系統(tǒng)結(jié)果與風(fēng)洞原VXI系統(tǒng)結(jié)果一致，數(shù)據(jù)準(zhǔn)度滿足試驗(yàn)要求；微型測(cè)量系統(tǒng)七次重復(fù)性精度滿足國(guó)軍標(biāo)要求，數(shù)據(jù)精度較高，滿足試驗(yàn)要求；微型測(cè)量系統(tǒng)與風(fēng)洞VXI系統(tǒng)七次重復(fù)性精度相當(dāng)。

5 結(jié)束語

微型測(cè)量系統(tǒng)具有體積小、智能化、功能全、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)洞常規(guī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的濾波、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換等功能。通過靜態(tài)調(diào)試及動(dòng)態(tài)調(diào)試試驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性及主要性能指標(biāo)，結(jié)果表明該系統(tǒng)性能指標(biāo)滿足風(fēng)洞試驗(yàn)要求，可應(yīng)用于常規(guī)信號(hào)數(shù)采，同時(shí)針對(duì)不便于布線、傳感器分散、小信號(hào)的應(yīng)用環(huán)境具有較高的應(yīng)用前景，可在保持現(xiàn)有軟硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對(duì)部分功能和接口進(jìn)行擴(kuò)展，即可滿足相應(yīng)的測(cè)量需求。