專利名稱:進(jìn)氣道動態(tài)壓力采集與尾錐控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
實(shí)用新型涉及一種進(jìn)氣道動態(tài)壓力采集與尾錐控制裝置,屬于進(jìn)氣道流量動態(tài)壓力數(shù)據(jù)采集和尾椎控制領(lǐng)域,更準(zhǔn)確地說屬于進(jìn)氣道風(fēng)洞試驗(yàn)中對動態(tài)壓力數(shù)據(jù)的采集和 對錐位的精確控制,用于風(fēng)洞試驗(yàn)和各種需要測量動態(tài)壓力數(shù)據(jù)的系統(tǒng)的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù):
飛機(jī)進(jìn)氣道流量是與飛機(jī)發(fā)動機(jī)匹配的重要指標(biāo),因此正確測定進(jìn)氣道流量是十 分重要。航空發(fā)動機(jī)通常是在高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速和高負(fù)荷等極為苛刻的條件下工作的,為 了保證發(fā)動機(jī)及其系統(tǒng)的可靠工作,必須進(jìn)行多種嚴(yán)格的試驗(yàn)。在試驗(yàn)過程中,應(yīng)將發(fā)動機(jī) 實(shí)際工作中可能遇到的所有復(fù)雜情況都考慮進(jìn)去,以滿足研制出工作可靠、技術(shù)先進(jìn)的航 空發(fā)動機(jī)的要求。然而,大量試驗(yàn)積累的經(jīng)驗(yàn)與數(shù)據(jù)是改進(jìn)設(shè)計(jì)和計(jì)算方法的重要基礎(chǔ),需 要應(yīng)用多種方法進(jìn)行發(fā)動機(jī)性能測試。其中,發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣道進(jìn)氣流量對發(fā)動機(jī)的燃燒效 率起著關(guān)鍵性作用,故在發(fā)動機(jī)性能試驗(yàn)中往往需要對發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣量做出精確控制以及 測量。在發(fā)動機(jī)進(jìn)氣量的精確控制和測量方法中,最簡單易行的是改變進(jìn)氣時氣流的流通 橫截面積。通常的做法是在風(fēng)洞設(shè)備的進(jìn)氣道中設(shè)置一個錐形活塞,通過精確控制錐形活 塞的行程來改變進(jìn)氣道的流通面積。風(fēng)洞是進(jìn)行空氣動力學(xué)實(shí)驗(yàn)的一種主要設(shè)備,幾乎絕大多數(shù)的空氣動力學(xué)實(shí)驗(yàn)都 在各種類型的風(fēng)洞中進(jìn)行。風(fēng)洞是使用動力裝置在一個專門設(shè)計(jì)的管道內(nèi)驅(qū)動一股可控氣 流,使其流過安置在實(shí)驗(yàn)段的靜止模型,模擬實(shí)物在靜止空氣中的運(yùn)動。測量作用在模型上 的空氣動力,觀測模型表面及周圍的流動現(xiàn)象。根據(jù)相似理論將實(shí)驗(yàn)結(jié)果整理成可用于實(shí) 物的相似準(zhǔn)數(shù)。實(shí)驗(yàn)段是風(fēng)洞的中心部件,實(shí)驗(yàn)段流場應(yīng)模擬真實(shí)流場,其氣流品質(zhì)如均勻 度、穩(wěn)定度(指參數(shù)隨時間變化的情況)、湍流度等,應(yīng)達(dá)到一定指標(biāo)。風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的主要項(xiàng)目 有測力實(shí)驗(yàn)、測壓實(shí)驗(yàn)、傳熱實(shí)驗(yàn)、動態(tài)模型實(shí)驗(yàn)和流態(tài)觀測實(shí)驗(yàn)等。測力和測壓實(shí)驗(yàn)是測 定作用于模型或模型部件(如飛行器模型中的一個機(jī)翼等)的氣動力及表面壓強(qiáng)分布,多 用于為飛行器設(shè)計(jì)提供氣動特性數(shù)據(jù)。傳熱實(shí)驗(yàn)主要用于研究超聲速或高超聲速飛行器上 的氣動加熱現(xiàn)象。動態(tài)模型實(shí)驗(yàn)包括顫振、抖振和動穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)等,要求模型除滿足幾何相 似外還能模擬實(shí)物的結(jié)構(gòu)剛度、質(zhì)量分布和變形。流態(tài)觀測實(shí)驗(yàn)廣泛用于研究流動的基本 現(xiàn)象和機(jī)理。由于風(fēng)洞試驗(yàn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)需要準(zhǔn)確度高,現(xiàn)有的技術(shù)無法滿足一些高精度的 風(fēng)洞試驗(yàn),該裝置能夠測量高精度的壓力和能夠進(jìn)行自動的測量,方便試驗(yàn)的進(jìn)行。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型目的是針對現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷提供一種進(jìn)氣道動態(tài)壓力采集與尾 錐控制裝置。本實(shí)用新型的另一目的在于提供一種利用上述系統(tǒng)來進(jìn)行各種需要對電機(jī)的控 制和對各種需要動態(tài)壓力數(shù)據(jù)的試驗(yàn)提供可行的測量裝置。本實(shí)用新型為實(shí)現(xiàn)上述目的,采用如下技術(shù)方案[0007]本實(shí)用新型進(jìn)氣道動態(tài)壓力采集與尾錐控制裝置,其特征在于包括微處理器、執(zhí) 行器、顯示電路、鍵盤電路、JTAG接口調(diào)試電路、數(shù)據(jù)存儲電路、鍵盤顯示驅(qū)動芯片、進(jìn)程存 儲電路、位移信號采集電路、串口通信電路、二個接近開關(guān)、電源、電機(jī)驅(qū)動電路和數(shù)據(jù)采集 模塊,其中執(zhí)行器由步進(jìn)電機(jī)通過絲桿與錐形活塞固定連接構(gòu)成;數(shù)據(jù)采集模塊和錐形活 塞都設(shè)置于進(jìn)氣道內(nèi),錐形活塞的行程前后各相對設(shè)置一個接近開關(guān),位移信號采集電路 與錐形活塞相對設(shè)置,微處理器通過電機(jī)驅(qū)動電路接步進(jìn)電機(jī)的控制端,鍵盤電路、電源、 JTAG接口調(diào)試電路、接近開關(guān)、位移信號采集電路和數(shù)據(jù)采集模塊的輸出端分別接微處理 器的輸入端,鍵盤顯示驅(qū)動芯片、數(shù)據(jù)存儲電路和進(jìn)程存儲電路分別與微處理器雙向連接, 位移信號采集電路的輸出端分別接微處理器和顯示電路的輸入端,鍵盤顯示驅(qū)動芯片的輸 出端分別接顯示電路和鍵盤電路得輸入端,微處理器通過串口通信電路與上位機(jī)通信。本實(shí)用新型具有如下的優(yōu)點(diǎn)(1)設(shè)計(jì)中無論是硬件還是軟件系統(tǒng)中都采用模塊化的設(shè)計(jì)方法。這使得系統(tǒng)擴(kuò) 展起來比較方便,系統(tǒng)可移植性高,增加了系統(tǒng)的靈活性和可靠性,具有廣泛的適應(yīng)性。(2)位移傳感器實(shí)時測量步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行距離,并通過數(shù)碼管顯示,能夠?qū)崟r判斷 系統(tǒng)是否正常運(yùn)行。(3)具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、成本低廉等特點(diǎn)。(4)系統(tǒng)達(dá)到千分之一的精度。(5)多種操作模式,滿足不同的試驗(yàn)需求,不但使用于航空領(lǐng)域,同樣也適用于汽 車等領(lǐng)域。(6)能夠精確的測量動態(tài)壓力數(shù)據(jù),可以運(yùn)用到各種需要動態(tài)壓力的各種裝置。(7)對錐位的控制可以通過鍵盤和上位機(jī)兩種模式操作,使得操作簡單方便,可以 適應(yīng)各種場合的試驗(yàn)。本實(shí)用新型精確控制錐形活塞的行程通過步進(jìn)電機(jī)帶動絲桿傳動系統(tǒng),做出精確 位移來實(shí)現(xiàn)。精確地控制電機(jī)行程就能夠?qū)崿F(xiàn)對進(jìn)氣道流量的控制。該系統(tǒng)在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用極大地提高了實(shí)驗(yàn)的自動化、高效率和高精度的水 平,能夠準(zhǔn)確的測量動態(tài)壓力和精確的控制錐位。該系統(tǒng)在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用極大地提高了實(shí)驗(yàn)的自動化、高效率和高精度的水 平,能夠準(zhǔn)確的測量動態(tài)壓力和精確的控制錐位。
圖1 本實(shí)用新型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。圖2 本實(shí)用新型系統(tǒng)控制流程圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對實(shí)用新型的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明如圖1所示,本實(shí)用新型的目的是要設(shè)計(jì)和研制一種在進(jìn)氣道進(jìn)行吹風(fēng)試驗(yàn)中能 夠精確的控制錐位和準(zhǔn)確的測量動態(tài)壓力的8通道數(shù)據(jù)采集和尾錐控制系統(tǒng)。通過對步進(jìn) 電機(jī)的控制實(shí)現(xiàn)精確的錐位控制,通過按鍵能夠?qū)崿F(xiàn)對電機(jī)的單步前進(jìn)、單步后退、連續(xù)前進(jìn)、連續(xù)后退、聯(lián)機(jī)五種運(yùn)行模式的設(shè)置,同時可以實(shí)現(xiàn)復(fù)位功能、對電機(jī)運(yùn)行速度的快慢的調(diào)整、運(yùn)行工況的設(shè)置,如果輸入的行程錯誤可以清零后重新輸入,在連續(xù)模式下連續(xù)輸 入幾個工況后運(yùn)行完成后,如果需要運(yùn)行相同的工況無需重新輸入,只需要調(diào)出上次輸入 的數(shù)據(jù)通過運(yùn)行鍵就可以運(yùn)行,使得操作簡單方便,通過NI的數(shù)據(jù)采集卡能夠?qū)崟r的測量 需要的動態(tài)壓力數(shù)據(jù)。以上所有的功能也可以通過上位機(jī)界面實(shí)現(xiàn),通過上位機(jī)實(shí)現(xiàn)對各 種壓力數(shù)據(jù)的實(shí)時采集。本實(shí)用新型是采取以下的技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的對發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣量做出精確的控制和測量,最簡單易行的方法就是改變進(jìn)氣時氣 流的流通的橫截面積,通過在進(jìn)氣道中設(shè)置一錐形活塞,精確控制錐形活塞的行程來改變 進(jìn)氣道流通面積。而精確控制錐形活塞的行程通過步進(jìn)電機(jī)帶動絲桿傳動系統(tǒng),做出精確 位移來實(shí)現(xiàn)。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載 的情況下,電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位移只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù),而不受負(fù)載變化的 影響,即給電機(jī)加一個脈沖信號,電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個步距角。這一線性關(guān)系的存在,加上步進(jìn) 電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差等特點(diǎn)。使得在速度、位移等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來 控制變的非常的簡單。通過單片機(jī)的驅(qū)動程序來控制步進(jìn)電機(jī)的各種運(yùn)行動作,以實(shí)現(xiàn)調(diào) 節(jié)閥對進(jìn)氣流量的控制。主要包括以下功能構(gòu)筑一個控制系統(tǒng),完成對步進(jìn)電機(jī)的精確控 制,通過在控制面板上輸入使步進(jìn)電機(jī)完成包括單步前進(jìn)、單步后退、連續(xù)前進(jìn)、連續(xù)后退、 聯(lián)機(jī)五種運(yùn)行方式。同時可實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)方向控制和速度控制,以及使控制系統(tǒng)具有手動 存儲數(shù)據(jù),斷電自動存儲數(shù)據(jù),同時可以直接調(diào)用存儲數(shù)據(jù)功能。位移傳感器可以實(shí)時測量 電機(jī)的位移,限位開關(guān)用來顯示電機(jī)是否運(yùn)行到錐位的起點(diǎn)和終點(diǎn),方便用戶的測量和操 作。同時對風(fēng)洞中的動態(tài)壓力進(jìn)行采集,使用NI的8通道的數(shù)據(jù)采集卡,實(shí)時采集動態(tài)壓 力傳感器的數(shù)據(jù)。通過單片機(jī)的驅(qū)動程序來控制步進(jìn)電機(jī)的各種運(yùn)行動作,以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)閥 對進(jìn)氣流量的控制。主要包括以下功能構(gòu)筑一個控制系統(tǒng),完成對步進(jìn)電機(jī)的精確控制, 通過在控制面板上輸入使步進(jìn)電機(jī)完成包括單步前進(jìn)、單步后退、連續(xù)前進(jìn)、連續(xù)后退、聯(lián) 機(jī)五種運(yùn)行方式。同時可實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)方向控制和速度控制,以及使控制系統(tǒng)具有手動存 儲數(shù)據(jù),斷電自動存儲數(shù)據(jù),同時可以直接調(diào)用存儲數(shù)據(jù)功能。采用C8051F021單片機(jī)對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制,通過I/O 口輸出的具有時序的方波 作為步進(jìn)電機(jī)的控制信號,信號經(jīng)過芯片74LS244驅(qū)動步進(jìn)電機(jī);同時用5*4的鍵盤來對 電機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行控制,用數(shù)碼管顯示輸入的行程以及系統(tǒng)的運(yùn)行工況以及位移傳感器的測 量值,在鍵盤和數(shù)碼管控制方面采用CH451作為外圍芯片控制,CH451芯片是一個整合了數(shù) 碼管驅(qū)動和鍵盤掃描控制以及μ P監(jiān)控的多功能外圍芯片??梢则?qū)動8位數(shù)碼管或64位 LED,具有BCD譯碼、閃爍、移位等功能;同時可以進(jìn)行64鍵的鍵盤掃描;CH451實(shí)現(xiàn)對鍵盤 的控制和數(shù)碼管的驅(qū)動。采用AT24C32芯片作為存儲芯片實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的存儲功能;同時系統(tǒng) 設(shè)置了串口通信,通過MAX232接口電路實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)通信??梢酝ㄟ^上位 機(jī)對整個系統(tǒng)的各種運(yùn)行模式進(jìn)行操作,也可以通過按鍵實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)行模式的操作,方便 用戶選擇,即使在沒有計(jì)算機(jī)的條件下也可以進(jìn)行操作。并且設(shè)計(jì)了為傳感器和數(shù)據(jù)采集卡提供穩(wěn)定電源的電源箱,電源箱包括蓄電池、 充電器、各種接插件、電壓表、繼電器,電壓表能夠?qū)崟r的顯示蓄電池的電壓,一旦電壓達(dá)不 到系統(tǒng)的工作電壓,啟動充電器對蓄電池進(jìn)行充電,保證系統(tǒng)一直能夠穩(wěn)定的工作。設(shè)計(jì)了上位機(jī)操作界面,可以通過上位機(jī)對整個系統(tǒng)的各種運(yùn)行模式進(jìn)行操作,也可以通過按鍵實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)行模式的操作,方便用戶選擇,即使在沒有計(jì)算機(jī)的條件下也 可以進(jìn)行操作。整個系統(tǒng)硬件部分包括微處理器、執(zhí)行器、顯示電路、鍵盤電路、JTAG接口調(diào)試電 路、數(shù)據(jù)存儲電路、位移信號采集電路、串口通信電路、接近開關(guān)電路、電機(jī)控制電路。單片 機(jī)選用低功耗、高性能、CMOS八位微處理器C8051F021,片內(nèi)有64K字節(jié)的可擦寫存儲器, 4352B的片內(nèi)RAM,4組I/O 口,以流水線處理指令。 設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)的原理圖,進(jìn)行了硬件電路的加工以及元器件的焊接、進(jìn)行了控 制的系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì),通過對系統(tǒng)的需求分析,設(shè)計(jì)了各個功能模塊分別進(jìn)行調(diào)試,調(diào)試完 成后進(jìn)行整個系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì),最后軟硬件進(jìn)行了聯(lián)機(jī)調(diào)試,調(diào)試完成后,進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn) 結(jié)果表明系統(tǒng)穩(wěn)定可能,達(dá)到了預(yù)期的性能指標(biāo)。設(shè)計(jì)和加工了一錐形活塞,通過精確控制 錐形活塞的行程來改變進(jìn)氣道流通面積。在尾錐控制系統(tǒng)中安裝了位移傳感器用來實(shí)時測 量電機(jī)的位置。該系統(tǒng)的控制功能通過上位機(jī)對電機(jī)控制和通過按鍵對電機(jī)控制兩種操作 模式實(shí)現(xiàn),滿足不同的試驗(yàn)需求。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了以下功能,單步前進(jìn)、單步后退、連續(xù)前進(jìn)、連 續(xù)后退、聯(lián)機(jī)運(yùn)行五種模式,連續(xù)運(yùn)行模式時可以連續(xù)運(yùn)行16個工況??梢哉{(diào)整電機(jī)的運(yùn) 行速度,修改輸入的行程,對輸入的錯誤數(shù)據(jù)進(jìn)行清除,對輸入的行程進(jìn)行存儲,可以進(jìn)行 電機(jī)進(jìn)行復(fù)位,使其其復(fù)位到起始位移。在連續(xù)模式下在輸入的各個行程輸入完畢后可以 進(jìn)行輸入行程的查詢以及修改,可以實(shí)現(xiàn)對某個行程的電機(jī)運(yùn)行速度的修改,實(shí)時顯示位 移傳感器的測量結(jié)果。并且通過在起點(diǎn)和終點(diǎn)安裝兩個接近開關(guān)檢測電機(jī)是否在起點(diǎn)或者 終點(diǎn)。開機(jī)后首先進(jìn)行C8051F021單片機(jī)的初始化,C8051F021初始化完成后首先進(jìn)行 位移傳感器的測量,并在數(shù)碼管上進(jìn)行顯示。然后判斷電機(jī)是否靠近接近開關(guān),如果靠近 前端的接近開關(guān)表示電機(jī)在起始位移,電機(jī)只能執(zhí)行單步前進(jìn)、連續(xù)前進(jìn),如果執(zhí)行單步后 退、連續(xù)后退,需要電機(jī)進(jìn)行復(fù)位到終點(diǎn)位移。如果靠近后端的接近開關(guān)表示電機(jī)在終點(diǎn)位 移,電機(jī)只能執(zhí)行單步后退、連續(xù)后退,如果執(zhí)行單步前進(jìn)、連續(xù)前進(jìn),需要電機(jī)進(jìn)行復(fù)位到 起點(diǎn)位移。如果前后端接近開關(guān)都沒有靠近,可以進(jìn)行各種模式的操作。然后判斷是上位 機(jī)模式還是按鍵模式對電機(jī)進(jìn)行操作,如果是上位機(jī)模式,上位機(jī)通過串口發(fā)送試驗(yàn)數(shù)據(jù), 執(zhí)行串口中斷服務(wù)子程序,完成實(shí)驗(yàn)所需要的各種操作。如果執(zhí)行的是按鍵模式,首先進(jìn)行 CH451初始化、開中斷、開啟鍵盤掃描,調(diào)用顯示子程序,顯示輸入的鍵值和工況。調(diào)用按鍵 中斷服務(wù)子程序,當(dāng)有鍵值按下時執(zhí)行鍵值處理子程序,根據(jù)不同的鍵碼執(zhí)行相應(yīng)的程序, 然后按RUN運(yùn)行電機(jī),運(yùn)行完成后顯示位移傳感器測量的結(jié)果。通過上位機(jī)界面實(shí)現(xiàn)對8 通道的動態(tài)壓力數(shù)據(jù)的采集,已經(jīng)在中國航天空氣動力研究院和南京航空航天大學(xué)風(fēng)洞試 驗(yàn)中進(jìn)行使用,表明系統(tǒng)能夠長期穩(wěn)定的運(yùn)行,測量的動態(tài)壓力數(shù)據(jù)和通過理論計(jì)算的數(shù) 據(jù)一致,控制系統(tǒng)能夠精確的控制進(jìn)氣道的流量,節(jié)約了試驗(yàn)成本,提高了測量精度和節(jié)省 了試驗(yàn)時間,加快了工作效率。所述位移信號采集電路采用LXW精密拉線位移傳感器。
權(quán)利要求一種進(jìn)氣道動態(tài)壓力采集與尾錐控制裝置,其特征在于包括微處理器、執(zhí)行器、顯示電路、鍵盤電路、JTAG接口調(diào)試電路、數(shù)據(jù)存儲電路、鍵盤顯示驅(qū)動芯片、進(jìn)程存儲電路、位移信號采集電路、串口通信電路、二個接近開關(guān)、電源、電機(jī)驅(qū)動電路和數(shù)據(jù)采集模塊,其中執(zhí)行器由步進(jìn)電機(jī)通過絲桿與錐形活塞固定連接構(gòu)成;數(shù)據(jù)采集模塊和錐形活塞都設(shè)置于進(jìn)氣道內(nèi),錐形活塞的行程前后各相對設(shè)置一個接近開關(guān),位移信號采集電路與錐形活塞相對設(shè)置,微處理器通過電機(jī)驅(qū)動電路接步進(jìn)電機(jī)的控制端,鍵盤電路、電源、JTAG接口調(diào)試電路、接近開關(guān)、位移信號采集電路和數(shù)據(jù)采集模塊的輸出端分別接微處理器的輸入端,鍵盤顯示驅(qū)動芯片、數(shù)據(jù)存儲電路和進(jìn)程存儲電路分別與微處理器雙向連接,位移信號采集電路的輸出端分別接微處理器和顯示電路的輸入端,鍵盤顯示驅(qū)動芯片的輸出端分別接顯示電路和鍵盤電路的輸入端,微處理器通過串口通信電路與上位機(jī)通信。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的進(jìn)氣道動態(tài)壓力采集與尾錐控制裝置,其特征在于所述位移 信號采集電路采用LXW精密拉線位移傳感器。
專利摘要本實(shí)用新型公布了一種進(jìn)氣道動態(tài)壓力采集與尾錐控制裝置,包括微處理器、執(zhí)行器、顯示電路、鍵盤電路、JTAG接口調(diào)試電路、數(shù)據(jù)存儲電路、鍵盤顯示驅(qū)動芯片、進(jìn)程存儲電路、位移信號采集電路、串口通信電路、二個接近開關(guān)、電源、電機(jī)驅(qū)動電路和數(shù)據(jù)采集模塊,其中執(zhí)行器由步進(jìn)電機(jī)通過絲桿與錐形活塞固定連接構(gòu)成。本實(shí)用新型成本低廉、精度高。
文檔編號G01M15/02GK201594032SQ20092023534
公開日2010年9月29日 申請日期2009年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月19日
發(fā)明者何小明, 毛建國, 沈峘, 王宗超, 王志勝, 金智林, 顧筠 申請人:南京航空航天大學(xué)