【行业应用】智能传感 | 基于激光位移传感器的风洞模型位置测量

导读

风洞测试中对机翼翼型的二维测量，是众多空气动力学应用中模型预测的关键技术。这类测试中，一般需要测量翼型在不同的受风角度下的受力和俯仰力矩，受风角度（攻角）的细微变化能够造成力和力矩的大幅变动，因此，对攻角的精确测量是这类测试中的主要技术需求。本研究在风洞中采用了多个激光位移传感器，通过测量风洞壁与机翼之间的距离来精确计算模型的位置。测量结果表明了该技术能够测得以往无法得到的模型变形和偏转，从而提供更加精确的攻角测量。

背景

风洞测试结果通常用来验证数值模型，测得的力、扭矩二维系数能够进一步推导得到发动机或者机翼的力和力矩。空气动力学中常提到的力和力矩对模型的几何形状和攻角参数非常敏感，1°的攻角的变化会造成升力系数11%的变化，这也就意味着在机翼风洞模型的测量中，攻角精确测量的重要性。

典型的测量方案采用的是机翼舵转台贴装磁性编码器，磁性编码器的分辨力较低，例如本研究中模型达到6000N的升力和500Nm的俯仰力矩后形成的攻角偏置量，无法被磁性编码器分辨。并且由于扭曲和弯曲造成的翼展方向的非线性偏转，也会对测量造成影响，无法判断具体的空气动力学状态。

在风洞模型中引入加速度传感器能够解决这个问题，加速度传感器输出量的积分反映了模型的位移量和方向。引入多个加速度传感器并且持续记录，则可以跟踪模型中多个点的位移量和方向。除此之外，还有相机跟踪标志点后处理得到模型偏转变形的测量技术，以及激光干涉仪跟踪模型位置的方案，但是这两个技术都存在复杂、成本较高的弊端。

创新

本文工作采用激光三角法位移传感器实现模型和风洞墙壁之间距离的测量，这个方案采用商用产品，具有高精度的绝对距离测量能力，并且不会和其他风洞测量设备产生干涉。

技术

本文中的风洞测试段是7.3m长，横截面为1.85m*1.85m的长方体区域，风洞墙壁由实心铝板组成，机翼采用0.8m长的DU96-W-180机翼，机翼的舵转台角度采用Renishaw LM10直线磁性编码器进行测量。典型的试验方案是，转动舵转台到特定角度后进行锁定，开启风洞3-4秒，然后安装与90个点位的气压传感器进行气压测量，气压数据综合可以得到机翼的升力系数和转矩系数。四路激光位移传感器安装在风洞的独立位置处，如图1所示。

图1. 风洞模型中机翼和激光位移传感器的安装图

使用过程中，激光位移传感器的温漂误差通过线性回归来进行补偿，见图2所示。同时，在关闭风洞进风情况下，机翼在攻角±16°之间步进旋转，通过记录角度数据和四路激光器的数据完成校准，如图3，思路激光测量得到的位移量和转动的角度之间存在映射关系，图的下方同样给出了映射的不确定度。

图2. 激光位移传感器的温漂曲线

图3. 激光位移传感器和转角之间的校准曲线

接下来便是开启风洞进行实际的实验测量环节，激光位移传感器得到的数据和舵转台转角之间的不一致代表了机翼产生的偏转和变形，具体分析内容请见原文。总结来看，这种基于激光位移传感器的测量方案能够测得机翼模型<0.15°的偏转量，以及<2mm的变形量，相较于其他的测量方案具有较高的实用性和可操作性。

关键词：激光位移传感器；风洞测试；CMOS线阵相机

参考资料：

Kuester M, Intaratep N, Borgoltz A.LaserDisplacement Sensors for Wind Tunnel Model Position Measurements.Sensors(Basel). 2018 Nov 22;18(12):4085. doi: 10.3390/s18124085. PMID:30469493;PMCID: PMC6308610.