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汽車尾流速度測量的虛擬儀器系統(tǒng)

作者： 時間：2013-08-05 來源：網(wǎng)絡(luò) 收藏
1 前言

隨著高速公路的蓬勃發(fā)展，汽車車速不斷提高，汽車氣動阻力對燃油消耗的影響日益凸現(xiàn)出來。氣動阻力的85%是壓差阻力，同時壓差阻力91%來自汽車尾部（其值隨車身長短不同而異）；而汽車尾流結(jié)構(gòu)對汽車空氣動力特性具有決定性影響。為此，進行汽車尾流速度測量，搞清尾流結(jié)構(gòu)進而改善汽車空氣動力特性對開發(fā)低阻力汽車，降低汽車燃油消耗有重要意義[1]。

在進行尾流試驗研究過程中，我們發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的測試儀器是功能固定且封裝好的，專用于某項具體試驗或任務(wù)，且價格昂貴。開發(fā)測試系統(tǒng)時，對設(shè)計人員的要求非常高：要求掌握測試儀器底層硬件知識，必須有廣泛的計算機編程知識，并能編寫硬件的驅(qū)動程序。從而導(dǎo)致了傳統(tǒng)測試系統(tǒng)開發(fā)周期長、靈活性很差。為了縮短速度測試系統(tǒng)開發(fā)時間，并方便以后用戶對其進行維護、擴展和升級，在熱線風速計的基礎(chǔ)上，我們引入虛擬儀器的概念，為汽車尾流速度測量開發(fā)出專用的虛擬儀器系統(tǒng)。

2 熱線風速計

熱線風速計的出現(xiàn)是流體力學試驗技術(shù)進步的新突破。它使汽車空氣動力學試驗研究獲得了研究非定常流特別是湍流的有力工具。盡管20 世紀60 年代出現(xiàn)了激光測速技術(shù)，試驗研究發(fā)現(xiàn)測量湍流參量時，激光測速常因丟失粒子信號而導(dǎo)致測量結(jié)果不可靠[2]，并且由于激光測速儀價格和維持費用昂貴，在湍流場研究的應(yīng)用范圍上遠不如熱線技術(shù)廣泛。今后熱線技術(shù)仍將是汽車湍流，特別是汽車尾流場速度測量的主要手段。

對不可壓縮氣流強迫對流傳熱而言，Nu 數(shù)僅與雷諾數(shù)和熱線的物理和工作狀態(tài)有關(guān)[3]。為了方便起見，用熱線風速計測量風速U 時我們通常采用如下公式：

n 值隨Re 的變化而變化，試驗測得的指數(shù)n = 0.45~0.51。式中， Rw 、Rg 是熱線工作電阻和氣流電阻常數(shù)，I 是熱線電流。系數(shù)A 和B 由試驗確定。

在熱線恒溫工作時，熱線的熱電阻Rw =常數(shù)。因 IRw = e，故可把（1）式改寫成

式中, e 為與風速U 相對應(yīng)的熱線電路輸出電壓值。

3 虛擬儀器的概念

LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一種圖形化編程語言，利用功能圖標來創(chuàng)建應(yīng)用程序，也即創(chuàng)建虛擬儀器（VI，Virtual Instrument）。虛擬儀器即是其操作和外觀均仿照示波器或萬用表等物理儀器并實現(xiàn)同樣功能的程序軟件。在基于文本語句的編程語言中指令語句決定了程序執(zhí)行；在LabVIEW 中由數(shù)據(jù)流決定程序的執(zhí)行，編程時根據(jù)數(shù)據(jù)流進行編程。

論文在LabVIEW 平臺上開發(fā)了汽車尾流速度測量虛擬儀器系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括測速校準和測速兩個子系統(tǒng)。

4 熱線測速校準子系統(tǒng)

汽車外流場屬于不可壓的連續(xù)流動，熱線測速的靜態(tài)校準方程的表達式采用式（2）。在熱線測速校準子系統(tǒng)中，我們將n 作為變量對待，因而也就不必用專門的線化器硬件來線性化熱線的輸出電壓。我們直接通過軟件編程來實現(xiàn)：連續(xù)變換n 的值進行不同的指數(shù)擬合，并用擬合曲線與試驗數(shù)據(jù)之間的均方誤差（mse）大小來判斷擬合質(zhì)量的優(yōu)劣。這也體現(xiàn)了虛擬儀器的優(yōu)越性：開發(fā)過程簡便，節(jié)省時間和開支。

4.1 子系統(tǒng)硬件構(gòu)成

熱線測速校準子系統(tǒng)的硬件構(gòu)成如圖1，由圖可知，硬件結(jié)構(gòu)為兩部分：一部分是熱線風速計電路， 產(chǎn)生熱線電路輸出電壓e；另一部分是皮托管部分，產(chǎn)生相應(yīng)的壓差（動壓）的電信號Ep。


圖1 熱線測速校準子系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

本文熱線測速時采用恒溫式熱線風速計（CTA）基本電路，電路形式為反饋電路。當整個系統(tǒng)連接完畢，并接通電源后，惠斯通電橋達到平衡。當氣流速度加大時，熱線與周圍流體的熱交換增加，熱線就會變冷，結(jié)果電阻減小。根據(jù)前面論述的恒溫式熱線風速計的工作原理，輸出電壓將增加。反之，輸出電壓將減小。輸出電壓數(shù)時間的變化波形通過示波器顯示，而具體數(shù)值通過數(shù)字萬用表顯示。同時，通過A/D 板將此輸出電壓e 模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號再經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡讀入VI 系統(tǒng)。另外，靜壓皮托管的壓差電信號Ep 也同時被采集卡讀入VI 系統(tǒng)。數(shù)據(jù)的采集完全由虛擬儀器軟件控制。

4.2 子系統(tǒng)虛擬儀器構(gòu)成

熱線風速計測速校準子系統(tǒng)的軟件構(gòu)成和用戶界面分別如圖2、3。


圖2 熱線風速計測速校準系統(tǒng)虛擬儀器結(jié)構(gòu)圖 圖3 熱線風速計測速校準系統(tǒng)虛擬儀器用戶界面

該測速校準系統(tǒng)能完成以下功能：

（1）進行數(shù)據(jù)采集參數(shù)設(shè)置，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可設(shè)置信號增益放大倍數(shù)、采樣頻率、信號掃描次數(shù)、以及被測量信號的上限與下限等。在計算機不溢出的條件下可任意改變測量虛擬儀器的測量信號的范圍，這點是傳統(tǒng)測試儀器望塵莫及的。

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