基于运动控制器板卡实现风洞测量系统的设计

The Challenge：

开发一个可用于飞机配置与组件的动静力测量、可用于电源设备的进气测试（即进气兼容性研究）、可用于稳定性导数评估的微震荡测试，也可用于模拟飞机失速与尾旋形成的高震荡与旋转导数的功能全面的、灵活可靠的测试系统。

The Solution：

利用NI的PXI与SCXI平台以及LabVIEW实时软件，开发一个可靠且高度精确的数据采集与控制系统。

“NI LabVIEW帮助我们实现了高达2 kHz的ESP端口切换速率，并通过缩短风洞的整个操作周期为客户节省费用。我们在压力测量中实现0.01% FS的精度。”

风洞是一种空气动力学测试设备，它用于研究物体周围的气流模式并测量作用其上的空气动力。一个典型的风洞包含一个安置飞机模型的测试部分、一个位于该测试部分之前的压缩部分与稳定部分和一个位于该测试部分之后的扩散部分。位于该扩散部分的风扇提供所需的气流。这样的配置准确地模拟了飞机与气流间的相对运动。

风洞测试中的测量系统通常包含动静力测量、压力分布测量和用于依风向确定模型方向的位置测量。

系统配置

数据采集系统是一个包含有NI SCXI-1125模块的基于PXI的系统，用于接收来自压力扫描仪的压力测量结果。扫描仪中的压力端口的切换通过NI PXI-6527 完成，同时它也负责切换与监测系统中隔离阀、蝴蝶阀和球形阀的状态。

SCXI-1125用于采集压力传感器的输出以计算马赫数。该系统利用NI SCXI-1520 的六个通道采集来自六个张力测量装置的作用力数值。一个NI PXI-7344 运动控制器板卡控制与运动控制板卡接口的模型与渐增编码器的方向，然后将方向信息回传至系统。PXI-4472也用于振动与声压测量。

系统实现

系统软件基本分成两个模块，校准模块与采集模块。

校准模块——软件利用五点校准法校准压力传感器、ESP（电子压力扫描仪）和张力测量装置平衡。通过软件完成作用力平衡的端到端校准，以创建校准矩阵。NI LabVIEW 用于方便校准的执行，并提供非常准确的结果。该系统还可以验证校准的效果。

在创建新的校准并通过压力检验验证校准效果时所使用的GUI屏幕显示如图1 和图2 所示。

图1.ESP 校准屏幕显示

图2.经过校准的压力值的验证

采集模块——前面所提及的研究涉及两个基本的测量，压力测量和作用力测量。这两个测量都通过两阶段完成：一阶段采集压力与张力测量装置平衡的偏移量，另一阶段完成实际测量。偏移量将从第二阶段的测量中抽取，然后映射至对应的工程数值。

压力测量

飞机模型中的速率分布是通过采集来自模型上固定点的压力测量值所得。这项工作是通过端口与模型中一些固定点相连的电子压力扫描仪完成的。

在实际采集开始前，软件控制着维护流速及将模型引入气流所需的序列。用户仅须输入马赫数，该软件便可以控制整个风洞。在压力测量过程中，运动控制板卡用于让模型指向预设位置。

NI LabVIEW 帮助我们实现了高达2 kHz 的ESP 端口切换速率，并通过缩短风洞的整个操作周期为客户节省费用。我们在压力测量中实现0.01% FS 的精度。图3 展示了压力测量窗口。

图3.数据采集——压力测量

作用力测量

一个风洞涉及两种类型的作用力测量，静力测量和动力测量。静力测量要求将模型保持在预先设定的位置，而动力测量则要求在预先设定的曲线上移动模型并采集作用力的数值。

作用力测量首先涉及模型的偏移量的采集——使模型始终处于预设位置或者在预设的曲线上移动模型，并采集数据。接着，启动实际序列——顺序打开隔离阀、球形阀、蝴蝶阀和压力调节阀，并通过NI DIO 模块监测其状态。然后软件检验所设置的马赫数。

一旦达到了所设定的马赫数，软件将模型推入空气流中。在静力测量情况下，模型移动至某个特定的位置，进行作用力数据采集；然后，模型移动至另一个位置，再次进行作用力数据采集；如此反复。对于动力测量，在模型引入气流中后，启动第一次采集。

然后，模型旋转至与气流相同的曲线，并减小阀门。

挑战在于控制模型的位置并同步采集作用力数据和位置数据。如果没有NI运动控制板卡和PXI，这项工作将不可能通过单个处理器完成。运动控制器中的DSP 处理器帮助我们毫不复杂地完成了这项工作，并使得这两项操作相互独立且同步。

振动与声压测量

加速计与PXI-4472 相连，用于测量模型在特定马赫数情况下的振动。还通过所连接的麦克风采集飞机模型上的声压水平，供震荡研究使用。

结论

所开发的系统为前述空气动力学研究提供了极高的灵活性与可靠性。我们能够将风洞控制、模型调整控制和数据集成在一个系统，免除了三个系统及其繁杂同步的必要。

责任编辑：gt