基于LabVIEW的風(fēng)洞數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)

The Challenge:

開發(fā)一個(gè)可用于飛機(jī)配置與組件的動(dòng)靜力測量、可用于電源設(shè)備的進(jìn)氣測試（即進(jìn)氣兼容性研究）、可用于穩(wěn)定性導(dǎo)數(shù)評估的微震蕩測試，也可用于模擬飛機(jī)失速與尾旋形成的高震蕩與旋轉(zhuǎn)導(dǎo)數(shù)的功能全面的、靈活可靠的測試系統(tǒng)。

The Solution:

利用NI的PXI與SCXI平臺以及LabVIEW實(shí)時(shí)軟件，開發(fā)一個(gè)可靠且高度精確的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)。

NI LabVIEW幫助我們實(shí)現(xiàn)了高達(dá)2 kHz的ESP端口切換速率，并通過縮短風(fēng)洞的整個(gè)操作周期為客戶節(jié)省費(fèi)用。我們在壓力測量中實(shí)現(xiàn)0.01% FS的精度。

風(fēng)洞是一種空氣動(dòng)力學(xué)測試設(shè)備，它用于研究物體周圍的氣流模式并測量作用其上的空氣動(dòng)力。一個(gè)典型的風(fēng)洞包含一個(gè)安置飛機(jī)模型的測試部分、一個(gè)位于該測試部分之前的壓縮部分與穩(wěn)定部分和一個(gè)位于該測試部分之后的擴(kuò)散部分。位于該擴(kuò)散部分的風(fēng)扇提供所需的氣流。這樣的配置準(zhǔn)確地模擬了飛機(jī)與氣流間的相對運(yùn)動(dòng)。

風(fēng)洞測試中的測量系統(tǒng)通常包含動(dòng)靜力測量、壓力分布測量和用于依風(fēng)向確定模型方向的位置測量。

系統(tǒng)配置

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是一個(gè)包含有NI SCXI-1125模塊的基于PXI的系統(tǒng)，用于接收來自壓力掃描儀的壓力測量結(jié)果。掃描儀中的壓力端口的切換通過NI PXI-6527 完成，同時(shí)它也負(fù)責(zé)切換與監(jiān)測系統(tǒng)中隔離閥、蝴蝶閥和球形閥的狀態(tài)。

SCXI-1125用于采集壓力傳感器的輸出以計(jì)算馬赫數(shù)。該系統(tǒng)利用NI SCXI-1520 的六個(gè)通道采集來自六個(gè)張力測量裝置的作用力數(shù)值。一個(gè)NI PXI-7344 運(yùn)動(dòng)控制器板卡控制與運(yùn)動(dòng)控制板卡接口的模型與漸增編碼器的方向，然后將方向信息回傳至系統(tǒng)。PXI-4472也用于振動(dòng)與聲壓測量。

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)軟件基本分成兩個(gè)模塊，校準(zhǔn)模塊與采集模塊。

校準(zhǔn)模塊――軟件利用五點(diǎn)校準(zhǔn)法校準(zhǔn)壓力傳感器、ESP（電子壓力掃描儀）和張力測量裝置平衡。通過軟件完成作用力平衡的端到端校準(zhǔn)，以創(chuàng)建校準(zhǔn)矩陣。NI LabVIEW 用于方便校準(zhǔn)的執(zhí)行，并提供非常準(zhǔn)確的結(jié)果。該系統(tǒng)還可以驗(yàn)證校準(zhǔn)的效果。

在創(chuàng)建新的校準(zhǔn)并通過壓力檢驗(yàn)驗(yàn)證校準(zhǔn)效果時(shí)所使用的GUI屏幕顯示如圖1 和圖2 所示。

圖1.ESP 校準(zhǔn)屏幕顯示

圖2.經(jīng)過校準(zhǔn)的壓力值的驗(yàn)證

采集模塊――前面所提及的研究涉及兩個(gè)基本的測量，壓力測量和作用力測量。這兩個(gè)測量都通過兩階段完成：一階段采集壓力與張力測量裝置平衡的偏移量，另一階段完成實(shí)際測量。偏移量將從第二階段的測量中抽取，然后映射至對應(yīng)的工程數(shù)值。

壓力測量

飛機(jī)模型中的速率分布是通過采集來自模型上固定點(diǎn)的壓力測量值所得。這項(xiàng)工作是通過端口與模型中一些固定點(diǎn)相連的電子壓力掃描儀完成的。

在實(shí)際采集開始前，軟件控制著維護(hù)流速及將模型引入氣流所需的序列。用戶僅須輸入馬赫數(shù)，該軟件便可以控制整個(gè)風(fēng)洞。在壓力測量過程中，運(yùn)動(dòng)控制板卡用于讓模型指向預(yù)設(shè)位置。

NI LabVIEW 幫助我們實(shí)現(xiàn)了高達(dá)2 kHz 的ESP 端口切換速率，并通過縮短風(fēng)洞的整個(gè)操作周期為客戶節(jié)省費(fèi)用。我們在壓力測量中實(shí)現(xiàn)0.01% FS 的精度。圖3 展示了壓力測量窗口。

圖3.數(shù)據(jù)采集――壓力測量

作用力測量

一個(gè)風(fēng)洞涉及兩種類型的作用力測量，靜力測量和動(dòng)力測量。靜力測量要求將模型保持在預(yù)先設(shè)定的位置，而動(dòng)力測量則要求在預(yù)先設(shè)定的曲線上移動(dòng)模型并采集作用力的數(shù)值。

作用力測量首先涉及模型的偏移量的采集――使模型始終處于預(yù)設(shè)位置或者在預(yù)設(shè)的曲線上移動(dòng)模型，并采集數(shù)據(jù)。接著，啟動(dòng)實(shí)際序列――順序打開隔離閥、球形閥、蝴蝶閥和壓力調(diào)節(jié)閥，并通過NI DIO 模塊監(jiān)測其狀態(tài)。然后軟件檢驗(yàn)所設(shè)置的馬赫數(shù)。

一旦達(dá)到了所設(shè)定的馬赫數(shù)，軟件將模型推入空氣流中。在靜力測量情況下，模型移動(dòng)至某個(gè)特定的位置，進(jìn)行作用力數(shù)據(jù)采集；然后，模型移動(dòng)至另一個(gè)位置，再次進(jìn)行作用力數(shù)據(jù)采集；如此反復(fù)。對于動(dòng)力測量，在模型引入氣流中后，啟動(dòng)第一次采集。

然后，模型旋轉(zhuǎn)至與氣流相同的曲線，并減小閥門。

挑戰(zhàn)在于控制模型的位置并同步采集作用力數(shù)據(jù)和位置數(shù)據(jù)。如果沒有NI運(yùn)動(dòng)控制板卡和PXI，這項(xiàng)工作將不可能通過單個(gè)處理器完成。運(yùn)動(dòng)控制器中的DSP 處理器幫助我們毫不復(fù)雜地完成了這項(xiàng)工作，并使得這兩項(xiàng)操作相互獨(dú)立且同步。

振動(dòng)與聲壓測量

加速計(jì)與PXI-4472 相連，用于測量模型在特定馬赫數(shù)情況下的振動(dòng)。還通過所連接的麥克風(fēng)采集飛機(jī)模型上的聲壓水平，供震蕩研究使用。

結(jié)論

所開發(fā)的系統(tǒng)為前述空氣動(dòng)力學(xué)研究提供了極高的靈活性與可靠性。我們能夠?qū)L(fēng)洞控制、模型調(diào)整控制和數(shù)據(jù)集成在一個(gè)系統(tǒng)，免除了三個(gè)系統(tǒng)及其繁雜同步的必要。