風洞數據采集與控制系統

Author(s):
Vijay. J，應用工程師 - Captronic Systems Pvt. Ltd, Bangalore, India
Mondeep Duarah 資深經理 - Captronic Systems Pvt. Ltd, Bangalore, India

Industry:
Aerospace/Avionics

Products:
Data Acquisition, Software, PXI/CompactPCI

The Challenge:
開發一個可用于飛機配置與組件的動靜力測量、可用于電源設備的進氣測試（即進氣兼容性研究）、可用于穩定性導數評估的微震蕩測試，也可用于模擬飛機失速與尾旋形成的高震蕩與旋轉導數的功能全面的、靈活可靠的測試系統。

The Solution:
利用NI的PXI與SCXI平臺以及LabVIEW實時軟件，開發一個可靠且高度精確的數據采集與控制系統。
風洞是一種空氣動力學測試設備，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力。一個典型的風洞包含一個安置飛機模型的測試部分、一個位于該測試部分之前的壓縮部分與穩定部分和一個位于該測試部分之后的擴散部分。位于該擴散部分的風扇提供所需的氣流。這樣的配置準確地模擬了飛機與氣流間的相對運動。

風洞測試中的測量系統通常包含動靜力測量、壓力分布測量和用于依風向確定模型方向的位置測量。

系統配置
數據采集系統是一個包含有NI SCXI-1125模塊的基于PXI的系統，用于接收來自壓力掃描儀的壓力測量結果。掃描儀中的壓力端口的切換通過NI PXI-6527 完成，同時它也負責切換與監測系統中隔離閥、蝴蝶閥和球形閥的狀態。

SCXI-1125用于采集壓力傳感器的輸出以計算馬赫數。該系統利用NI SCXI-1520 的六個通道采集來自六個張力測量裝置的作用力數值。一個NI PXI-7344 運動控制器板卡控制與運動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。PXI-4472也用于振動與聲壓測量。

系統實現
系統軟件基本分成兩個模塊，校準模塊與采集模塊。

校準模塊――軟件利用五點校準法校準壓力傳感器、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，以創建校準矩陣。NI LabVIEW 用于方便校準的執行，并提供非常準確的結果。該系統還可以驗證校準的效果。

在創建新的校準并通過壓力檢驗驗證校準效果時所使用的GUI屏幕顯示如圖1 和圖2 所示。

圖1.ESP 校準屏幕顯示

圖2.經過校準的壓力值的驗證

采集模塊――前面所提及的研究涉及兩個基本的測量，壓力測量和作用力測量。這兩個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，然后映射至對應的工程數值。

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

在實際采集開始前，軟件控制著維護流速及將模型引入氣流所需的序列。用戶僅須輸入馬赫數，該軟件便可以控制整個風洞。在壓力測量過程中，運動控制板卡用于讓模型指向預設位置。

NI LabVIEW 幫助我們實現了高達2 kHz 的ESP 端口切換速率，并通過縮短風洞的整個操作周期為客戶節省費用。我們在壓力測量中實現0.01% FS 的精度。圖3 展示了壓力測量窗口。

圖3.數據采集――壓力測量

作用力測量
一個風洞涉及兩種類型的作用力測量，靜力測量和動力測量。靜力測量要求將模型保持在預先設定的位置，而動力測量則要求在預先設定的曲線上移動模型并采集作用力的數值。

作用力測量首先涉及模型的偏移量的采集――使模型始終處于預設位置或者在預設的曲線上移動模型，并采集數據。接著，啟動實際序列――順序打開隔離閥、球形閥、蝴蝶閥和壓力調節閥，并通過NI DIO 模塊監測其狀態。然后軟件檢驗所設置的馬赫數。

一旦達到了所設定的馬赫數，軟件將模型推入空氣流中。在靜力測量情況下，模型移動至某個特定的位置，進行作用力數據采集；然后，模型移動至另一個位置，再次進行作用力數據采集；如此反復。對于動力測量，在模型引入氣流中后，啟動第一次采集。

然后，模型旋轉至與氣流相同的曲線，并減小閥門。

挑戰在于控制模型的位置并同步采集作用力數據和位置數據。如果沒有NI運動控制板卡和PXI，這項工作將不可能通過單個處理器完成。運動控制器中的DSP 處理器幫助我們毫不復雜地完成了這項工作，并使得這兩項操作相互獨立且同步。

振動與聲壓測量
加速計與PXI-4472 相連，用于測量模型在特定馬赫數情況下的振動。還通過所連接的麥克風采集飛機模型上的聲壓水平，供震蕩研究使用。

結論
所開發的系統為前述空氣動力學研究提供了極高的靈活性與可靠性。我們能夠將風洞控制、模型調整控制和數據集成在一個系統，免除了三個系統及其繁雜同步的必要。