一种三分量光纤天平的输出信号组合方法

摘要

本发明公开了一种三分量光纤天平的输出信号组合方法，三分量光纤天平包括：依次设置的模型连接端、第一单柱梁、轴向力元件、第二单柱梁、支杆和支架连接端，轴向力元件的测量梁、第一单柱梁、第二单柱梁上均设置有一个光纤应变计；第一单柱梁和第二单柱梁共同组成法向力/俯仰力矩组合元件；其中，三分量光纤天平法向力分量的信号输出值为：第一单柱梁上的光纤应变计的输出值与第二单柱梁上的光纤应变计的输出值之和；三分量光纤天平俯仰力矩分量的信号输出值为：第一单柱梁上的光纤应变计的输出值与第二单柱梁上的光纤应变计的输出值之和；三分量光纤天平轴向力分量的信号输出值为：轴向力元件上的光纤应变计的输出值。

说明书

技术领域

本发明属于航空航天测力试验技术领域，具体涉及一种三分量光纤天平的输出信号组合方法。

背景技术

光纤应变计具有抗电磁干扰、耐腐蚀、测量灵敏度高、实时性好、稳定可靠、结构简单等诸多优点，为风洞应变天平研制提供了一种新的技术途径。现阶段，光纤天平的研究仍处于风洞试验应用的可行性验证阶段，主要开展了光纤应变计选型，天平结构优化设计等方面的工作，而光纤天平的信号处理方法研究偏少。目前，对光纤天平信号的处理方法仍采用类似于电阻天平的惠斯通电桥法，即在对称位置安装光纤应变计后，对各光纤应变计的输出信号进行组合计算。这种惠斯通电桥的组合方式需要较多光纤应变计，如三分量天平至少需要8支光纤应变计，6分量天平至少需要16支光纤应变计，传统的三分量光纤天平需安装8支光纤应变计，光纤应变计的安装位置见图3。法向力/俯仰力矩组合元件上安装4支应变计，应变计21、应变计22、应变计23和应变计24分别对称安装在单柱梁2和单柱梁4两侧；轴向力元件上安装4支应变计，应变计25、应变计26、应变计27和应变计28分别安装在测量梁对称位置；在法向力、俯仰力矩和轴向力载荷作用下，天平测量元件发生形变，不同光纤应变计安装位置的应变结果见表1。

表1：各分量载荷作用下光纤应变计安装位置的应变

天平分量2122232425262728法向力Fy(+)-ε_Fy+ε_Fy-ε_Fy+ε_Fy俯仰力矩Mz(+)+ε_Mz-ε_Mz-ε_Mz+ε_Mz轴向力Fx(+)+ε_Fx+ε_Fx-ε_Fx-ε_Fx

因而，传统三分量光纤天平各分量组合公式为：

U_Fy＝(-U₂₁+U₂₂)+(-U₂₃+U₂₄)

U_Mz＝(U₂₁-U₂₂)+(-U₂₃+U₂₄)

U_Fx＝(U₂₅-U₂₇)+(U₂₆-U₂₈)

由于每支光纤应变计的输出信号都至少与天平的一个或多个分量载荷相关，因此需要至少3支光纤应变计就可满足三分量天平的测量要求。

电阻天平上的电阻应变计通常安装在测量元件的对称位置，通过将四片或八片应变计组成惠斯通电桥，获取电桥的电压信号与天平测量元件的应变之间的关系。而光纤应变计可直接得到波长、相位等光信号，不需要组成惠斯通电桥，就可建立波长、相位等光信号与天平测量元件应变之间的关系。因此，要实现天平的测量，光纤天平所需光纤应变计数量少于电阻天平所需的电阻应变计数量。

在光纤天平光纤应变计的安装过程中，应变计使用越多，则成本越高，安装周期越长。因此，减少光纤天平中光纤应变计的使用数量有着重要意义。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种三分量光纤天平的输出信号组合方法，其特征在于，所述三分量光纤天平包括：依次设置的模型连接端、第一单柱梁、轴向力元件、第二单柱梁、支杆和支架连接端，所述轴向力元件的测量梁、第一单柱梁、第二单柱梁上均设置有一个光纤应变计；所述第一单柱梁和第二单柱梁共同组成法向力/俯仰力矩组合元件；

其中，所述三分量光纤天平法向力分量的信号输出值为：第一单柱梁上的光纤应变计的输出值与第二单柱梁上的光纤应变计的输出值之和；

所述三分量光纤天平俯仰力矩分量的信号输出值为：第一单柱梁上的光纤应变计的输出值与第二单柱梁上的光纤应变计的输出值之和；

所述三分量光纤天平轴向力分量的信号输出值为：轴向力元件上的光纤应变计的输出值。

优选的是，当所述轴向力元件的测量梁上的光纤应变计位于测量梁的上端一侧，则轴向力元件的测量梁上的光纤应变计的感受正应变+ε_Fx，其输出值为U。

优选的是，当所述轴向力元件的测量梁上的光纤应变计位于测量梁的下端一侧，则轴向力元件的测量梁上的光纤应变计的感受负应变-ε_Fx，其输出值为-U。

优选的是，当所述第一单柱梁和第二单柱梁上的光纤应变计均位于同一侧时，其中，在法向载荷Fy作用下，所述第一单柱梁上的光纤应变计感受负应变-ε_Fy或正应变+ε_Fy，所述第二单柱梁上的光纤应变计感受正应变+ε_Fy或负应变-ε_Fy时，所述三分量光纤天平法向力分量的信号输出值为U_Fy＝-U₂₁+U₂₄或U_Fy＝U₂₂+(-U₂₃)；其中，-U₂₁为第一单柱梁上的光纤应变计感受负应变-ε_Fy时的输出值；U₂₄为第二单柱梁上的光纤应变计感受正应变+ε_Fy时的输出值；U₂₂为第一单柱梁上的光纤应变计感受正应变+ε_Fy时的输出值；-U₂₃为第二单柱梁上的光纤应变计感受负应变-ε_Fy时的输出值。

优选的是，当所述第一单柱梁和第二单柱梁上的光纤应变计均位于同一侧时，其中，在俯仰力矩Mz作用下，所述第一单柱梁上的光纤应变计感受正应变ε_Mz或负应变-ε_Mz，所述第二单柱梁上的光纤应变计感受负应变-ε_Mz或正应变ε_Mz时，所述三分量光纤天平俯仰力矩分量的信号输出值U_Mz＝U₂₁+U₂₄或U_Mz＝-U₂₂+(-U₂₃)；U₂₁为第一单柱梁上的光纤应变计感受正应变ε_Mz时的输出值；U₂₄为第二单柱梁上的光纤应变计感受正应变ε_Mz时的输出值；-U₂₂为第一单柱梁上的光纤应变计感受负应变-ε_Mz时的输出值；-U₂₃为第二单柱梁上的光纤应变计感受感受负应变-ε_Mz时的输出值。

优选的是，当所述第一单柱梁和第二单柱梁上的光纤应变计均位于不同侧时，其中，在法向载荷Fy作用下，所述第一单柱梁上的光纤应变计感受负应变-ε_Fy或正应变+ε_Fy，所述第二单柱梁上的光纤应变计感受正应变+ε_Fy或负应变-ε_Fy时，所述三分量光纤天平法向力分量的信号输出值为U_Fy＝-U₂₁+(-U₂₃)或U_Fy＝U₂₂+U₂₄；其中，-U₂₁为第一单柱梁上的光纤应变计感受负应变-ε_Fy时的输出值；U₂₄为第二单柱梁上的光纤应变计感受正应变+ε_Fy时的输出值；U₂₂为第一单柱梁上的光纤应变计感受正应变+ε_Fy时的输出值；-U₂₃为第二单柱梁上的光纤应变计感受负应变-ε_Fy时的输出值；

优选的是，当所述第一单柱梁和第二单柱梁上的光纤应变计均位于不同侧时，其中，在俯仰力矩Mz作用下，所述第一单柱梁上的光纤应变计感受正应变ε_Mz或负应变-ε_Mz，所述第二单柱梁上的光纤应变计感受负应变-ε_Mz或正应变ε_Mz时，所述三分量光纤天平俯仰力矩分量的信号输出值U_Mz＝U₂₁+(-U₂₃)或U_Mz＝-U₂₂+U₂₄)；U₂₁为第一单柱梁上的光纤应变计感受正应变ε_Mz时的输出值；U₂₄为第二单柱梁上的光纤应变计感受正应变ε_Mz时的输出值；-U₂₂为第一单柱梁上的光纤应变计感受负应变-ε_Mz时的输出值；-U₂₃为第二单柱梁上的光纤应变计感受感受负应变-ε_Mz时的输出值。

本发明至少包括以下有益效果：采用本发明的方法，通过三支光纤应变计实现了三分量天平载荷的准确测量，采用该组合方案可减少三分量光纤天平的光纤应变计使用数量，降低了成本，缩短了安装周期。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明：

图1为本发明三分量光纤天平的立体结构示意图；

图2为本发明三分量光纤天平的平面结构示意图；

图3为现有技术中三分量光纤天平的光纤应变计的安装结构示意图；

图4为本发明三分量光纤天平的光纤应变计的安装结构示意图；

图5为本发明三分量光纤天平的光纤应变计的另一种安装结构示意图；

图6为本发明三分量光纤天平的光纤应变计的另一种安装结构示意图；

图7为本发明三分量光纤天平的光纤应变计的另一种安装结构示意图；

图8为本发明三分量光纤天平的光纤应变计的另一种安装结构示意图；

图9为本发明三分量光纤天平的光纤应变计的另一种安装结构示意图；

图10为本发明三分量光纤天平的光纤应变计的另一种安装结构示意图；

图11为本发明三分量光纤天平的光纤应变计的另一种安装结构示意图；

图12为本发明三分量光纤天平的光纤应变计的另一种安装结构示意图；

图13为本发明三分量光纤天平的光纤应变计的另一种安装结构示意图；

图14为本发明三分量光纤天平的光纤应变计的另一种安装结构示意图；

图15为本发明三分量光纤天平的光纤应变计的另一种安装结构示意图；

图16为本发明三分量光纤天平的光纤应变计的另一种安装结构示意图；

图17为本发明三分量光纤天平的光纤应变计的另一种安装结构示意图；

图18为本发明三分量光纤天平的光纤应变计的另一种安装结构示意图；

图19为本发明三分量光纤天平的光纤应变计的另一种安装结构示意图；

图20为本发明具体实施方式中方案一、方案二和方案三的HB-2轴向力系数Ca；

图21为本发明具体实施方式中方案一、方案二和方案三的HB-2法向力系数Cn。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

本发明的一种三分量光纤天平的输出信号组合方法，如图1和2所示，所述三分量光纤天平包括：依次设置的模型连接端1、第一单柱梁2、轴向力元件3、第二单柱梁4、支杆5和支架连接端6，所述轴向力元件3的测量梁、第一单柱梁2、第二单柱梁4上均设置有一个光纤应变计(25、26、27、28中任意一个)、(21或22)、(23或24)；所述第一单柱梁2和第二单柱梁4共同组成法向力/俯仰力矩组合元件；

其中，所述三分量光纤天平法向力分量的信号输出值为：第一单柱梁上的光纤应变计的输出值与第二单柱梁上的光纤应变计的输出值之和；

所述三分量光纤天平俯仰力矩分量的信号输出值为：第一单柱梁上的光纤应变计的输出值与第二单柱梁上的光纤应变计的输出值之和；

所述三分量光纤天平轴向力分量的信号输出值为：轴向力元件上的光纤应变计的输出值。

在上述技术方案中，当所述轴向力元件的测量梁上的光纤应变计位于测量梁的上端一侧(如图4，5，6，9，12，13，16，17中的25，26所示)，则轴向力元件的测量梁上的光纤应变计的感受正应变+ε_Fx，其输出值为U₂₅或U₂₆。

在上述技术方案中，当所述轴向力元件的测量梁上的光纤应变计位于测量梁的下端一侧(如图7，8，10，11，14，15，18，19中的27，28所示)，则轴向力元件的测量梁上的光纤应变计的感受负应变-ε_Fx，其输出值为-U₂₇或-U₂₈。

在上述技术方案中，当所述第一单柱梁和第二单柱梁上的光纤应变计均位于同一侧时(如图4，9，10，11，12，13，14，15中的21和24，22和23所示)，其中，在法向载荷Fy作用下，所述第一单柱梁上的光纤应变计感受负应变-ε_Fy或正应变+ε_Fy，所述第二单柱梁上的光纤应变计感受正应变+ε_Fy或负应变-ε_Fy时，所述三分量光纤天平法向力分量的信号输出值为U_Fy＝-U₂₁+U₂₄或U_Fy＝U₂₂+(-U₂₃)；其中，-U₂₁为第一单柱梁上的光纤应变计感受负应变-ε_Fy时的输出值；U₂₄为第二单柱梁上的光纤应变计感受正应变+ε_Fy时的输出值；U₂₂为第一单柱梁上的光纤应变计感受正应变+ε_Fy时的输出值；-U₂₃为第二单柱梁上的光纤应变计感受负应变-ε_Fy时的输出值；

在上述技术方案中，当所述第一单柱梁和第二单柱梁上的光纤应变计均位于同一侧时(如图4，9，10，11，12，13，14，15中的21和24，22和23所示)，其中，在俯仰力矩Mz作用下，所述第一单柱梁上的光纤应变计感受正应变ε_Mz或负应变-ε_Mz，所述第二单柱梁上的光纤应变计感受负应变-ε_Mz或正应变ε_Mz时，所述三分量光纤天平俯仰力矩分量的信号输出值U_Mz＝U₂₁+U₂₄或U_Mz＝-U₂₂+(-U₂₃)；U₂₁为第一单柱梁上的光纤应变计感受正应变ε_Mz时的输出值；U₂₄为第二单柱梁上的光纤应变计感受正应变ε_Mz时的输出值；-U₂₂为第一单柱梁上的光纤应变计感受负应变-ε_Mz时的输出值；-U₂₃为第二单柱梁上的光纤应变计感受感受负应变-ε_Mz时的输出值。

在上述技术方案中，当所述第一单柱梁和第二单柱梁上的光纤应变计均位于不同侧时如图5，6，7，8，16，17，18，19中的22和24，21和23所示)，其中，在法向载荷Fy作用下，所述第一单柱梁上的光纤应变计感受负应变-ε_Fy或正应变+ε_Fy，所述第二单柱梁上的光纤应变计感受正应变+ε_Fy或负应变-ε_Fy时，所述三分量光纤天平法向力分量的信号输出值为U_Fy＝-U₂₁+(-U₂₃)或U_Fy＝U₂₂+U₂₄；其中，-U₂₁为第一单柱梁上的光纤应变计感受负应变-ε_Fy时的输出值；U₂₄为第二单柱梁上的光纤应变计感受正应变+ε_Fy时的输出值；U₂₂为第一单柱梁上的光纤应变计感受正应变+ε_Fy时的输出值；-U₂₃为第二单柱梁上的光纤应变计感受负应变-ε_Fy时的输出值；

在上述技术方案中，当所述第一单柱梁和第二单柱梁上的光纤应变计均位于不同侧时(如图5，6，7，8，16，17，18，19中的22和24，21和23所示)，其中，在俯仰力矩Mz作用下，所述第一单柱梁上的光纤应变计感受正应变ε_Mz或负应变-ε_Mz，所述第二单柱梁上的光纤应变计感受负应变-ε_Mz或正应变ε_Mz时，所述三分量光纤天平俯仰力矩分量的信号输出值U_Mz＝U₂₁+(-U₂₃)或U_Mz＝-U₂₂+U₂₄)；U₂₁为第一单柱梁上的光纤应变计感受正应变ε_Mz时的输出值；U₂₄为第二单柱梁上的光纤应变计感受正应变ε_Mz时的输出值；-U₂₂为第一单柱梁上的光纤应变计感受负应变-ε_Mz时的输出值；-U₂₃为第二单柱梁上的光纤应变计感受感受负应变-ε_Mz时的输出值。

以图4中方式为方案一，三分量光纤天平3支光纤应变计方案一的组合公式为：

U_Fy＝-U₂₁+U₂₄

U_Mz＝U₂₁+U₂₄

U_Fx＝U₂₆

以图5中的方式为方案二，三分量光纤天平3支光纤应变计方案二的组合公式为：

U_Fy＝-U₂₁-U₂₃

U_Mz＝U₂₁-U₂₃

U_Fx＝U₂₆

为了验证这两种方案的可行性，并对比采用8支光纤应变计组合和采用3支光纤应变计组合的天平性能，在该三分量光纤天平实物上安装了8光纤支应变计，进行了三分量天平静态校准和HB-2标模风洞试验，结果见表2、图20和图21。为了更明确地介绍，以下简称三分量光纤天平3支光纤应变计方案一为方案一，简称三分量光纤天平3支光纤应变计方案二为方案二，简称三分量光纤天平8支光纤应变计方案为方案三。

表2天平静态校准准度

法向力Fy俯仰力矩Mz(+)轴向力Fx(+)方案一0.27％0.28％0.27％方案二0.34％0.27％0.27％方案三0.21％0.14％0.23％

从测试结果(表2，图20和21)上看，方案一、方案二与方案三在天平校准准度和风洞试验气动力系数方面差异很小。即三支光纤应变计可实现三分量天平载荷的准确测量，采用该组合方案可减少三分量光纤天平的光纤应变计使用数量。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。