[发明专利]一种高精度水洞阻力测量天平

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于流体阻力测量的装置，具体地说，涉及一种高精度水洞阻力测量天平。

背景技术

目前，流体动力实验中所用的常规方法是使用天平测量，按其工作原理可分为机械式天平和应变式天平。

机械式天平是由模型支撑系统、模型姿态机构、力与力矩分解机构、传力系统、平衡测量元件、架车与天平测量控制系统组成。它是通过天平上的机械构件进行力的分解与传递，用机械平衡元件或力传感器来测量作用在模型上的流体动力载荷。机械式天平有较宽的载荷测量范围，同时能够将模型上的流体动力进行分解，由每个测量元件进行独立测量。其缺点是结构复杂、精度不够高，存在各个流体动力分量之间的干扰。

应变式天平是由天平弹性元件、应变计与测量电桥组成。在实验当中，应变式天平承受着作用在模型上的流体动力载荷，并且把该载荷传递到支撑系统上。天平弹性元件在流体动力载荷作用下产生变形，其应变与外力大小成正比。粘贴在天平表面的应变计同时也产生变形，使其电阻发生变化，该变化由应变计组成的惠斯顿电桥来测量，并通过处理得到作用在模型上的流体动力载荷。应变式天平具有质量轻、响应快、设计加工简单等优点，但是这种天平对温度、湿度等环境因素要求较高，在水洞实验中其精度受环境温度、湿度影响较大。

现有的水洞流体阻力实验中，通常采用四分力天平，该测力天平虽然具有较宽的载荷测量范围，而且可以同时测量几个分力，但是由于受环境影响，其精度达不到要求。而在阻力测量实验中，通常关心的只是阻力的大小，即一个方向上的力，并且时常需要进行阻力对比实验，所对比的阻力值相差也不是很大，这就要求天平在所测阻力的一个很小的范围内有很高的精度，而对量程没有太大的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适合于水洞流体实验环境的高精度阻力测量天平。该水洞流体阻力测量天平是在不改变实验模型的现有姿态情况下，通过长杆几何放大作用把微小变形量放大，然后测量放大后的位移量并相应得到所测的阻力。高精度水洞阻力测量天平是安装在水洞盖板上，所有部件均不与水流直接接触，因此测量元器件的精度受实验环境的影响非常小，其静校准度能够达到0.02％。

本发明所述的高精度水洞阻力测量天平主要由天平支架、弹性变形梁、刚性连接支架、非磁性横梁、磁致伸缩位移传感器、水洞盖板、磁针、传感器支架等部分组成。高精度水洞阻力测量天平通过非磁性横梁的放大作用，把弹性变形梁的变形从几何意义上放大，同时不造成天平变形，通过测量镶嵌在非磁性横梁左端部的小磁针位移量来达到测量弹性变形梁变形量的目的。由于有了非磁性横梁的几何放大作用，弹性变形梁不再需要很大的变形量。较常规天平而言，弹性变形梁的应变量与所测的力具有更好的线性关系，相对应小磁针的位移量与所测的力之间也具有更好的线性关系，因此天平的精度更高。在阻力实验之前，该天平需要进行静校实验，静校的方法是在刚性联接支架上a处(如图1示)施加一系列一定大小的水平方向的力，并测量小磁针的位移量，得到位移量和力的对应点，通过线性拟合得到这两者的线性关系。实验时，通过模型联接杆将模型连接到刚性连接支架左下角的法兰盘上，通过测量小磁针的位移量，并根据静校数据对应得到实验模型所受力的大小。由于实验模型受自身重力及水的浮力作用，使整个天平系统会有一个微小的偏转，因此，在给水洞加大水流速前还应该把这个静态数据测量出来，通过实验值减去静态数据即可得到实验模型所受到的阻力。

该阻力测量天平适用于水洞阻力的测量，静校准度能够达到0.02％，并且其机构简单、成本低，有利于在水洞阻力测量对比实验及其减阻实验中广泛使用。

下面结合附图和实施方式对本发明高精度水洞阻力测量天平作进一步详细的说明。

附图说明

1-天平支架  2-弹性变形梁  3-刚性连接支架  4-非磁性横梁

5-磁致伸缩位移传感器  6-水洞盖板  7-小磁针  8-传感器支架

图1为本发明高精度水洞阻力测量天平系统示意图。

图2为本发明高精度水洞阻力测量天平的弹性变形梁局部放大图。

图3为本发明高精度水洞阻力测量天平的非磁性横梁左端部局部放大图。

图4为本发明高精度水洞阻力测量天平的天平支架示意图。

图5为本发明高精度水洞阻力测量天平的弹性变形梁示意图。

图6为本发明高精度水洞阻力测量天平的刚性连接支架示意图。

具体实施方式