风洞实验压力探针校准测试系统平台

苗雪冬

[摘    要 ]叶轮机械流场的准确测量对于提高叶轮机械的效率、减少流动损失等起到重要作用。在目前流场测量工具中，压力探针成本低廉、结构简单。压力探针在用于测量流场前需要对其进行校准，由于测试效率低，测量精度不高，因此开发了基于LabVIEW的压力探针校准测试软件。建立五孔压力探针校准平台，不仅节约人力物力，还可以提高测量精度和效率。采用风洞实验获得五孔探针校准数据，根据曲线网图中的数据分布均匀程度，从5个探针中选择3个适合俯仰角和偏转角±30°测量的探针。

[关键词]压力探针;校准;LabVIEW;测试平台

[中图分类号]TP274.4 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）06–0–03

[Abstract]Accurate measurement of the flow field of impeller machinery plays an important role in improving the efficiency of impeller machinery and reducing flow loss. Among the current flow field measurement tools， the pressure probe has low cost and simple structure. The pressure probe needs to be calibrated before it is used to measure the flow field. Due to the low test efficiency and low measurement accuracy， a pressure probe calibration test software based on LabVIEW has been developed. The establishment of a five-hole pressure probe calibration platform not only saves manpower and material resources， but also improves measurement accuracy and efficiency. The five-hole probe calibration data is obtained by wind tunnel experiment. According to the uniformity of the data distribution in the curve network diagram， three probes suitable for the measurement of pitch angle and deflection angle ±30° are selected from the five probes.

[Keywords]pressure probe; calibration; LabVIEW; test platform

目前，實验研究和数值计算是研究叶轮机械的主要方法。鉴于以上两种方法的优缺点，研究人员一般先通过数值计算选择比较好的方案，然后通过实验的方法对这些方案进行验证，进而分析真实流场。气动压力测试技术在实验验证方面具有重要作用。因此，改善现有的低速风洞压力探针校准测试系统，以实现对低速风洞实验测试平台的完善，具有重要意义。

在叶轮机械的流场测量中，三维大角度流动情况经常出现，通常用以下几种工具来测量流场中的速度、压力分布：三孔压力探针，四孔压力探针、五孔压力探针、七孔压力探针和热线探头等。气动探针工作可靠，结构简单，制作成本低廉，因而被广泛应用于流体机械的测量之中。但五孔探针的校准工作非常繁琐，特别是对高马赫数流动问题的研究。为此，需要开发五孔探针自动校准系统，以达到高精度、高效率、节约能源的目标。

1 五孔探针的校准和测量

三孔探针用来测量二维流动的总压、静压与方向。传统的三孔探针用于稳态测量校准范围在±18°左右，文献中用新的方法使角质范围扩展到±50°，棱锥五孔探针、球头五孔探针的研制使三维流动的校准范围扩展到±30°。

五孔探针也是用来测量空间流场三维流动的总压、静压与流向。五孔探针的工作原理与三孔探针相同，它是相当于2只三孔探针组合在2个相互垂直的平面内。它有3种使用方法：对向法、半对向法和非对向法，目前主要用非对向法。测量时，对五孔探针的实测值应用以前做好的校准曲线进行插值，就能得到总压、静压、速度大小和方向。

2 五孔探针校准的实验设备

2.1 校准系统硬件

校准系统硬件设备主要包括机械运动机构和数据采集测量两部分。五孔探针校准机械结构主要由蜗轮蜗杆、步进电机以及探针夹持机构等部分组成。探针固定在探针夹持轴上，由步进电机1控制其作偏转运动。步进电机2控制探针作俯仰运动。探针放在探针夹持机构上，校准风洞的气流对准探针，通过电机的转动改变探针的来流角度，测量出各孔的压力，通过计算算出校准系数，画出校准曲线。实际测量时的数据用插值拟合就可以算出来流的总压、静压和来流方向角度。

2.2 测量系统硬件

图1为五孔探针的测试系统硬件结构，探针的机械运动机构与校准部分不同。非对向测量时，电机运动主要是直线运动的三维坐标架进行。

3 基于LabVIEW的五孔探针校准软件系统

3.1 开发软件LabVIEW简介

LabVIEW是图形化程序编译平台，早期是用于仪器自动控制，现在已经成为一种成熟的高级编程语言。LabVIEW提供的库包含信号截取、信号分析、数据存储、数值运算、机器视觉、声音振动分析、逻辑运算等，目前广泛地被应用于工业自动化领域上。LabVIEW默认以多线程运行程序。此外LabVIEW通信接口方面支持：USB、GPIB、IEEE1394、并发端口、MODBUS、串行接口、NET、TCP、IrDA、UDP、Bluetooth、ActiveX、SMTP等接口。

3.2 校准软件构成和基本组成模块

在校准采集界面，设置初始俯仰角度和偏转角度，设置俯仰角和偏转角步数，设置间隔。之后就可以按下采集按钮，直至完成采集按下退出键。

本程序是要实现按钮控制功能模块：例如点击采集按钮，电机开始运转，多通道压力传感器开始工作并把数据传给电脑并储存。本程序的编写采用了循环结构（Loop Structure）、事件结构（Event Structure）、和选择结构（Case Structure），并且嵌套使用。

初始值设定，默认为零。在初始值设定时，利用直接输入的方式。通过步进电机的转动，调节探针的位置。把板卡驱动与控制电机的运转信号连接起来，通过脉冲信号使电机转动，把电机转动与坐标轴的涡轮蜗杆传动系数结合设置控制X、Y的运动距离。由于测量时的零漂，需要对传感器进行初始化，使传感器校零， 为实现采集功能的程序框图，压力传感器数据通过TCP协议传输给计算机，并把数据存储为文件保存下来。在存储时需要设置延迟时间。设置俯仰角和偏转角的步数，俯仰角走一步，偏转角从-30°走到+30°，如图2所示。

在LabVIEW环境下，数据变量分为控制型与指示型，它们分别实现数据输入和数据显示输出，这些数据变量在程序框图中程序运行中数据变量值改变，相应的前面板中数据变量的数值也会同时变化。时间延迟设置，让测量有一个间隔时间，使数据稳定下来。通过循环框图，TCP传输的数据输入计算机，让测量的数据取10次作为平均，导入电子表格中。随后俯仰角进行归位。图3 所示为俯仰角测量框图。

通过控制PCI1020运动控制卡控制探针运动，采集相应的压力传感器相应的数据。结束采集后退出程序，有时需要紧急停止程序的运转，可以按下停止键。运行此程序进行探针对心的时候需要另外一个试验员在实验间观察探针走向。

4 五孔探针校准实验

4.1 实验设备

实验是在叶栅风洞上进行。风洞出口直径为100 mm，调节时让探针在风洞中心处，距离出口为30 mm。

本次实验校准5根探针：1探针是头部较短的楔形探针，2探针是头部伸出较长的探针，3、4、5探针为弯头型探针，属于同种型号的3个探针。这5个探针中，从表面看，3、4、5加工的比较精密，1和2为比较旧的探针。2、3、4、5均为圆锥头的五孔探针。因其加工精度不同，需要对每根探针进行校准。

如图4所示，为实验装置，将探针放在探针支架上，保证探针正对来流方向，同时保证探针支架与蜗杆1、2在一个平面内，并与水平面平行。通过调节电机1控制探针的偏转角，电机2控制探针的俯仰角。本次实验校准的角度为-30°～30°，通过调节电机1、2使探针的初始俯仰角和偏转角都为-30°。每隔3°测量一次五孔探针压力，总共测441个点。

4.2 实验步骤

共分为6个步骤：准备实验设备、调整支架、压力传感器初始化、对气流、连接设备、运行软件和硬件设备。

在计算机上通过基于LabVIEW7.1软件改变探针的俯仰角和偏转角，每隔3°测量一个数据，直到测完所有数据。所有数据采集完毕后，把原始数据导入处理程序后，绘制俯仰角和偏轉角系数曲线，把数据整理成用于插值计算的格式，五孔探针校准完成。校准结果用曲线网形式给出，用校准处理软件对曲线网中的凹四边形进行处理为凸四边形，保存处理后的结果。进行处理数据时则用到线性插值的方法。

4.3 实验数据处理

五孔压力值和来流总压，这些是相对参考大气压的。用实验的数据按公式求出校准系数，再通过调节凹四边形的方法得到实际气流对探针的偏转角和俯仰角。

实验测试了5根探针得到了原始数据图。在原始图中有的地方出现了凹四边形，这是由于出现一些错误的数据，因此需要挑出这些凹四边形。由于凹四边形的存在是由错误的数据引起的，因此需要修改凹四边形为凸四边形。原则是不产生新的凹四边形，并且保证不引起周边数据改变。图5为修改后的数据图。

在图5a中，大的正向俯仰角时，数据变化较剧烈，因此在以后用探针1测量时尽量让来流角在变化剧烈的下面，不适合偏转角和俯仰角±30°的测量。图5b所示，在正向偏转角和俯仰角较大时出现数据的剧烈增加，因此在用探针2测量时让来流角远离这部分，不适合偏转角和俯仰角±30°的测量。图5c中，数据比较均匀，变化不大，因此探针3可以用于偏转角和俯仰角±30°的测量。图5d中，在偏转角和俯仰角为±30°时出现数据点异常，总体数据比较均匀，变化不大，因此也可以用于偏转角和俯仰角±30°的测量。图5e中数据比较均匀，变化不大，因此探针3可以用于偏转角和俯仰角±30°的测量。

通过分析探针1、2不适合偏转角和俯仰角±30°的测量，但是可以用于来流角度较小的测量，这些偏差主要是由于探针的制造引起的。探针3、4和5比较适合偏转角和俯仰角±30°的测量。

5 结束语

文章对低速风洞流场测试工具进行研究，从适用范围、操作性等方面对气动压力探针进行对比分析。最后在考虑实验室需要以及五孔探针的普遍性下，选择对五孔探针进行校准，包括实验设备的设计、基于LabVIEW的软件设计和五孔探针实验校准。得到了以下结论。

（1）校准系统采用高精度的涡轮蜗杆机构，由步进电机控制其俯仰和偏转运动，有利于实现高精度流体流场的测量。

（2）该系统软件操作方便。软件开发中充分考虑了使用中的探针运动问题，确保了校准测量精度，系统稳定性好，测试效率高。

（3）探针校准可以测试探针的好坏，为后续的流场测量提供支持，通过数据的对比可以找出合适的探针。

（4）曲线网图中的数据变化不大、分布均匀时，此五孔探针适用于偏转角和俯仰角±30°的测量，否则不适用。

参考文献

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