（流体力学专业论文）风洞天平采集校准系统.pdf

西北工业大学硕士论文 摘要 风洞天平校准是一项颇费时间和精力的工作，有必要为天平校准开发相应的 软件用以缩短校准时间，节约人力物力。 基于虚拟仪器理论，本论文开发了一套天平校准软件，这套软件有以下特点： 1 可以用于单元校准和多元校准，计算校准系数，进行数据采集及初步的数据 处理。 2 在任何情况下，图形用户界面都是一致的，也就是说，相同种类控件( 按钮、 表格等) 的作用相同，以简化操作。 3 软件具有一定的自由配置能力，支持用户进行缺省值输入，并且使控件在某 些情况下不能被激活。 4 可以保存校准所用参数，测量参数自动装载。 5 使用国家仪器公司的l a b w i n d o w s c v i 软件包编写有关图形用户界面和数 据采集模块等任务的程序。 关键词：风洞天平校准软件 虚拟仪器数据采集 西北工业大学硕士论文 a b s t r c t c a l i b r a t i o no fw i n dt u n n e lb a l a n c e si st i m ec o n s u m i n ga n ds 仃e n u o u s t h e r ea l e m a n yp e o p l et h a td oh a v ean e e dt od e v e l o pt h e i ro w l lc a l i b r a t i o ns o f t w a r et h a t s h o g e nt h et i m ea n d m a n p o w e r n e e d e df o rac a l i b r a t i o no f b a l a n c e b a s e do nt h et h e o r yo fv i r t u a li n s t r u m e n t ，t h i sp a p e rp r e s e n t sas o f t w a r ef o r b a l a n c ec a l i b r a t i o nt h a ti n c l u d e st h e f o l l o w i n g f e a t u r e s ： 1 t h i s p r o g r a m i s d e v e l o p e d f o r s i n g l e - c o m p o n e n t c a l i b r a t i o na n d m u l t i c o m p o n e n tc a l i b r a t i o n 谢t l lc o m p u t i n go fc a l i b r a t i o n c o e f f i c i e n t s d a t a a c q u i s i t i o na n d b a s i cd a t aa n a l y s i s 2 i na n yc a s et h eg r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e ( g u i ) i sc o n s i s t e n to ne v e r yl e v e l ，i e w h e r e v e rp o s s i b l et h es a m et a p e so fc o n t r o l s ( b u t t o n s ，t a b l e se t c ) h a v eb e e n u s e df o rs i m i l a rt a s k st om a k eo r i e n t a t i o ne a s i e r 3 t h ep r o g r a ms u p p o r t st h eu s e rb yo f f e r i n gd e f a u l tv a l u e sf o ri n p u t sa n db y d i s a b l i n gc o n t r o l st h a ta r eu n r e a s o n a b l ei nt h a tc i r c u m s t a n c ew h i l em a i n t a i n i n g c o n f i g u r a t i o n f r e e d o ma tac e r t a i nd e g r e e 4 p a r a m e t e r se n t e r e df o rac a l i b r a t i o nc a l lb es a v e da n da u t o m a t i c a l l yr e l o a d e d u p o n t h en e x t p r o g r a m s t a r t 5 f o re a s i e rp r o g r a m m i n ge s p e c i a l l yo f t h eg r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e ( g u i ) a n dt h e d a t a a c q u i s i t i o n t a s kw eu s e da p a c k a g eb y n a t i o n a li n s t r u m e n tc a l l e d l a b w i n d o w s c v i k e y w o r d s w i n dt u n n e lb a l a n c e sc a l i b r a t i o ns o f t w a r e , v i r t u a li n s t r u m e n t , d a t a a c q u i s i t i o n 西北e 业大学硕士论文 第一章绪论 1 1 设计背景 风洞是迸行空气动力学研究与飞行器研制的最基本的实验设备。测力实验是 风洞实验中最基本的实验项目。风洞天平是测力实验中最重要的测量装置，用 于测量作用在模型上的空气动力载荷( 力与力矩) 的大小、方向与作用点。 风洞天平是随着风洞的发展而发展的。航空技术的不断进步促使世界各国从 2 0 世纪3 0 年代开始相继建造大型风洞。这时，机械天平得到了相应的发展。而 亚、跨、超音速风洞的发展，促进了应变片测量技术在风洞天平中的应用，发 展了应变天平。从2 0 世纪6 0 年代中期开始，风洞天平技术得到了全面发展， 主要表现在：应变天平在低速风洞中被广泛应用i 压电天平、磁悬挂天平、应 力波天平技术得到发展；应变天平形成系列化、标准化与小型化；应变片技术、 天平校准技术与天平加工技术迅速发展；有限元方法与优化设计方法在风洞天 平设计中的应用等。 风洞天平按测量空气动力载荷分量的数目可分为单分量天平与多分量天平， 一般在风洞天平中使用六分量天平。 风洞天平按工作原理可分为机械天平、应变天平、压电天平与磁悬挂天平等。 这次所开发的软件是应用于应变天平的。应变天平是通过天平上的弹性元件表 面的应变，用应变计组成的惠斯顿电桥来测量作用在模型上的空气动力载荷的 测力装置。 与风洞实验的其他测量设备相比，空气动力天平与风洞实验技术的关系更为 密切。风洞实验除要求空气动力天平有足够的测量精度和准度外，还要求它对 风洞流场具有尽可能小的空气动力干扰和不影响模型的空气动力外形模拟。此 西北工业大学硕士论文 外，还要求空气动力天平具有良好的动态特性，以适应特种实验快速测量的需 要。与机械天平相比较，应变天平具有结构简单、体积小、动态性能好、应用 范围广、成本低等优点。因此，国内各类型的风洞都广泛使用这类天平。 目前，风洞应变天平逐步向结构型式典型化、量程范围系列化、几何尺寸小 型化和元件布局内式化的方向发展。随着天平设计、加工工艺、应变片质量、 检测仪表性能的不断提高，以及天平校准设备和校准方法的不断改进和完善， 风洞应变天平的测量精度和准度也将会不断提高。 1 2 风洞天平静校概述 风洞中应变天平的研制过程，包括设计、加工、贴片、静校及动校五个阶段。 静校的目的，就是通过对天平的标准模拟载荷q ，测出天平应变电桥输出电压 信号，通过计算求得具有一定精度的载荷和信号之间的函数关系，即天平使 用公式： q = f ( u ) 有了使用公式，在风洞中做模拟测力实验时，只要测得天平输出电压号，就 可以通过天平使用公式计算出天平上所受的载荷大小，此载荷就是飞行器模型 在风洞实验中所受的气动载荷。 1 2 1 校准设备 六分量天平可用来测量气流作用在模型上的沿垂直坐标分解的三个力和三 个力矩分量在天平设计时，力求使得在某一分量作用下，该分量的电桥输出电 压信号最大，而其他分量的输出电压信号尽可能小，最好为零可是在实际中，由 于天平的加工误差、应变片电性能的分散、粘片不对称、特别是天平受载荷变 形的影响，天平各分量之间的干扰还是有的，有时甚至比较大，而且还有非线性 的二次干扰和交叉干扰因此，要找出具有足够精度的函数关系，是一项十分繁 重的工作为此，国内外在天平静校方面，进行了大量的研究工作，采用了各种各 西北= ：业大学硕士论文 样的校准设备和方法 3 1 以校正系分，有天平轴系和模型体轴系两种 校正时，天平受载产生变形，造成加载方向有一定误差，但如果校正装置比较 精密，且加载线又较长，就可以忽略天平受载变形而引起的加载轴系变化的影 响，不作任何修正，把校正得出的天平使用公式近似看作是相对天平轴系的。 此方法较简便，适合于外式天平，早期使用较多。 由于内式天平的广泛应用，校正设备的不断改进。体轴校正逐渐被使用。这 种方法是：当天平受载变形后，调整加载装置或天平的位置，使加载轴系始终 保持在模型体轴系的状态。用这种校正方法得到的天平使用公式是相对于模型 体轴系的。此种方法使用的校正设备比较复杂，要作多个自由度的转动和移 动，工作量大，周期比较长。用这种方法校正，系统误差可以减小。为了提高 效率。减轻劳动强度，需用微机控制、自动加载、自动校正的设备。 1 2 2 校准措施 天平静校时，按加载方式与数据处理的方法不同，可分为单元校准法与多元 校准法。 单元校时，对天平一个分量一个分量的校正，得出各分量的主系数和各分量 之间的一次干扰系数。然后根据天平的特点，对某两个分量同时加载，得到交 叉干扰系数。此种校正只能对少数干扰量大的项进行校正，最后达到联合校正， 计算误差控制在一定范围内，就算可以了。用这种方法不能把所有的干扰量都 找出来，否则工作量就太大了。 多元校就是给天平同时加上各个分量，加若干组载荷，然后将数据通过计 算机按照最小二乘法原则，求解天平使用公式，使此公式适合于所加的这些载 荷组和天平输出电压信号的函数关系式，而且误差最小。 多元校的方法，近来被广泛地应用于天平校正。实验证明这是一种比较 好的校正方法【“。 6 一 西北工业大学硕士论文 表卜l 比较了两种校正方法的优缺点。从比较中可看出，多元校优于单元校。 泌 单元校 多元校 模拟天平受载情况单个加载，作用叠加，近似模拟。多分量同时加载，符合实际。 天平公式十扰项二次干扰项不全。一次、二次项齐全 系统误差只满足一定的要求( 0 5 )误差较小( 0 2 ) 校正加载工作量大不大 校正计算工作量 大用微机计算。十分方便 校正周期( 六分量) 1 4 天2 天 天平公式标准化 不标准标准 函数关系直观性好，容易检查隐性。校正时不知函数关系 表l 一1单元校与多元校的比较 1 3 风洞应变天平校准技术的发展 1 3 1 校准设备 在体轴校准装置中，分为补偿型和非补偿型两种。新建风洞天平校准装置大 多都是体轴系的，而其中非补偿型又占大多数。校准载荷源都不采用传统的砝 码。 非补偿型体轴校准装置采用了双天平校准技术。 德国为e t w 风洞配备的天平校准装置，法向力量程为2 5 k n ，采用气 压式力发生器产生载荷，总精度为0 0 2 t ”。 英国防务研究局( d r a ) 的天平校准装置，法向力量程为3 3k n ，采用 气压式力发生器。 瑞典f f a 的m k l 5 天平校准装置，本为地轴系的，采用气压式力发生 西北丁i 业大学硕士论文 器。但加装了台参考天平后，采用双天平校准技术，成为非补偿型体 轴系校准装置。在这之后，又设计了一台新的参考天平，尝试将加载头 和被校天平深入参考天平中，使加载中心和被校天平中心尽量接近。 以色列飞机工业的a b c s 为地轴校准装置，法向力量程为1 5 七，采用 液压式力发生器，配备多个位移传感器监测天平受载后的变形，总精度 为0 1 。 1 3 2 校准措施 1 校准公式现状 多数是单元较( 美、英、法、德、以) ，6 2 7 矩阵，也有6 x 3 3 矩阵的，后 者的理由是，只有这样才能体现出天平自身的对称特征。 2 校准规范化 针对当前各国间，甚至一国的不同研究单位间在天平校准和数据处理方面互 不相同的情况，在美国宇航协会( a i a a ) 地面试验技术委员会( g t t c ) 支持下。 于1 9 9 4 年6 月成立了内式天平工作组【”。 成立工作组的目的是： 交流信息，经验共享： 推荐一个各成员均能使用的校准矩阵格式； 对所选的天平型式和所需校准范围制定通则，以满足各成员风洞的实验 任务； 制定符合现有不确定度标准( a g a r da r - 3 0 4 和a i a as - 0 7 1 1 9 9 5 ) 的推 荐性天平校准不确定度计算方法： 制定各成员都能接受的计算皮重调整的方法； 研究内式天平设计、连接和校准的新方法： 制定和公布包括天平热效应调整方法在内的内式应变天平推荐性操作 文件。 西北工业大学硕士论文 1 4 虚拟仪器概述 虚拟仪器的概念是由美国n i ( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ) 公司最先提出来的、基 于可编程仪器的一种综合测试技术。所谓虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ，简称 v i ) ，就是在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义，具有虚拟面 板，测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。 v i 的实质是利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面板，以 多种形式表达输出检测结果，利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、 分析和处理，利用i o 接口设备完成信号的采集、测量与调整，从而完成各种 测试功能的一种计算机仪器系统。 l a b w i n d o w s c v i 是n i 公司为测试控制技术的软件人员开发的基于c 语言 的软件开发平台。它以a n s ic 为核心，将功能强大、使用灵活的c 语言平 台与用于数据采集、分析和表达的测控专业工具有机的结合起来。它的集成化 开发平台、交互式编程方法、丰富的面板功能和库函数大大增强了c 语言的功 能，为熟悉c 语言的开发人员建立自动测试、自动控制、测试仪器通信、测试 硬件控制和信号分析处理等系统( 尤其是大型、复杂的测试系统) 提供了一个 理想的软件开发环境。使用l a b w i n d o w s c v l 开发可以获得优良的测试性能。 l a b w i n d o w s c v i 具有以下功能： 标准a n s ic 程序的编辑、编译、连接和调试： 工程文件的管理： 包含全面的数据获取、分析和绘图现实的工具包； 可以通过函数面板自动生成并调试软件包中相应功能函数，实现代码的 自动生成： 便利的用户界面生成工具，各种用户晃面资源的配置和管理： 对外部模块广泛的支持能力； 丰富的在线帮助。 l a b w i n d o w s c v i 提供了对网络编程、公共数据交换和c o m 组件编程的支 一9 西北工业大学硕士论文 持能力，包括以下部分： 动态数据交换( d d e ) ； t c p 函数库； a c t i v e x 自动化支持库。 从软件开发角度来看，l a b w i n d o w s ，c v i 具有如下一些特点： 基于a n s ic 语言，易于学习和掌握； 可视化、交互式的开发工具，标准w i n d o w s 风格的操作界面： 程序自动生成的能力，减轻软件开发过程中代码编写的工作量 功能齐全的软件工具包。 1 。5 本文的工作 在天平校测中，人工记录采集数据，容易造成计数误差和浪费时间：而且当 计算天平公式时，需向计算机中输入大量的测量数据，既费时费力，又容易出 错。所以，可以设计一套自动采集系统，实现计算机采集，直接进行数据存入、 数据调换和数据计算，这样便可改变上述缺点。 使用l a b w i n d o w s c v i 开发“风洞天平采集校准系统”，就是为了跟随风洞 测控技术的发展，满足实验人员更高的要求，使新采集校准系统有如下特点： 系统具有先进的测试能力和先进的技术指标。 系统具有很好的自动化，能在加载后，直接把数据调入计算程序，进行 天平参数计算。 能实时显示采集数据。 数据边采集边存进计算机硬盘，加载结束后可以打印出来。 更加友好的人机界面。 一1 0 西北工业大学硕士论文 第二章风洞天平静态校准的理论与方法 2 。1 天平的静态校准准备 天平的静态校准就是标定天平的实际工作状态，对天平进行静态标定，同时 检查天平的质量，鉴定天平的性能 3 1 。 2 1 1 静校的目的 天平的静校是在实验室内模拟天平使用时的受力状态，对天平施加静态载 荷，通过静校达到下述目的： 求出天平使用公式。 求出天平静校精度和准度。 2 1 2 静校设备 本文所述相关静校设备主要包括：校准台、加载装置、砝码，检测仪表和数 据处理设备等。 1 校准台 校准台的主要功能是保证被校准天平的正确安装，定位和调整。该校准台由 多自由度调整机构及对天平施加载荷所用的滑轮和钢带系统组成。为了保证天 平静校的精度和准度，要求静校台的刚度大，无振动，远离电磁场，该校准台 采用地轴系校准，它的多自由度调整机构非常便于天平的安装调整和固定。 2 加载装置和砝码 加载装置是模拟天平的工作状态，对天平旋加载荷的装置。为了保证准确的 加载位置，对加载装置有如下要求： 西= | l - e 业大学硕士论文 与天平的连接牢固可靠，安装位置可以调节。 有足够的刚度。 各加载位置要准确，调整要方便。 对天平所施加的六个分量的校准载荷为： 升力： y = g i 一( g 4 + g + g 8 ) 阻力：x = g 6 + g 3 一g 9 侧向力： z = g 2 - g 7 滚转力矩：m ，= ( g 4 一g 7 ) x 厶，2 偏转力矩：m ，= ( g 6 一g 3 ) 厶2 俯仰力矩：m ：= ( g 4 + g 5 一g 8 ) 厶2 砝码是对天平施加校准载荷的具体依据，它以本身的重力来加载，为保证准 确加载，要求砝码必须具有o 0 1 d a 上精度。实验所采用的砝码规格为：2 0 k g 、 1 0 k g 、5k g 、2k g 、1k g ，均具有可靠的精度，检测仪表及数据处理设备。 天平校准的检测仪表，是用来测量和记录天平在校准时的输出信号的，为了 保证校准精度，要求用于天平校准的检测仪表具有比用于风洞实验时的检测仪 表更高的测量精度。 西北工业大学硕士论文 3r a n g e k e y s 5d l s p l a yk e y s 7o p e r a t l 0 nk e y s 9i n p u t s 4 h a n d l e ( n o ts h o w n ) 6p o w e r 8l n p u tc o n n e c t i o n s 1 0c a l 图2 - - 12 0 0 1 数罕襄前面板 实验所用的稳压电源，j w j h 系列，永胜8 5 c 1 ，具有三个输出档( 1 0 v 、1 l v 、 1 2 v ) 本次用1 0 v 档；数字电压表k e i t h e l y 2 0 0 1 m u l t i m e t e r ( 见图2 1 ) 具有采集，多次扫描。1 0 通道等功能，测量精度达到万分之一毫伏，具有相当 高的精度。计算机为l e g e n d 奔腾1 1 3 0 0 ，打印机为e p s o nl q l 6 0 0 k 。 2 1 3 天平的安装和调整 将天平安装在静校台上，用水准仪经纬仪进行测量和调整，使天平的轴线和 静校架的轴线一致，其偏差不能超过3 ，然后用吊锤来确定天平的校准中心， 通过调节自由度调整机构，并保证天平轴线与静校架的轴线一致，并用砝码平 衡静校架的重量，来减少由于静校架所引起的干扰输出，然后将静校台与天平 的位黄固定，在实验的过程中，不得松动。 2 2 风洞天平的校准公式 2 2 1 引言 风洞天平校准公式是用来描述作用在天平上的载荷与天平输出信号之间的 关系式。天平公式有校准通式与工作公式两种。校准通式是天平校准时，求天 平校准系数用的公式，工作公式是风洞实验时，求空气动力系数用的公式。 一台六分量天平，在天平校准公式中，天平校准系数包括主系数1 项，一次 干扰系数5 项，二次平方项干扰系数6 项，二次交叉项干扰系数1 5 项，三次立 方项干扰系数6 项，一次非对称干扰系数6 项，二次非对称干扰系数5 1 项，三 次非对称6 项( 美国a i a a 地面实验技术委员会提出的在天平实验使用9 6 项系数 一1 3 西北工业大学硕士论文 的数学模型) 。目前，在天平校准公式中，一般不考虑非对称性，使用2 7 项或 3 3 项( 考虑三次立方干扰系数) 校准系数，如再考虑一次非对称干扰系数时， 则使用3 9 项校准系数。 2 。2 2 天平的校准通式 天平校准通式有显式和隐式两种。一般六分量天平，校准通式的显式为： 66666 r = f m + 掣巧+ 纠l 巧i + c ? u + x a a v ； j = i ，；l，；lj ；l ，i ( j = 1 ，2 k ，6 ) 校准通式的隐式为： 或 ( 2 一1 ) f ：f o , + a ；a v , + 圭c + 圭纠i | + 圭塞c ；，巧+ 6 口，f = l 。，i = lj ；ij 。ll = l ( j = 1 ，2 k ，6 ) 6666 a v , = a v 0 。+ e i i + c ”c 巧+ x o f ； j = i- ij t l- i ( 2 2 ) ( j = l ，2 k ，6 ) ( 2 3 ) 当不考虑一次非对称干扰项与三次立方干扰项时，则显式为： 666 f = e ，+ n 纶_ + c a v a v , ( j = l ，2 k ，6 ) 隐式为： 666 f = f 0 ，+ 卅+ a f , + c ，c e i = 1产lt = l ，j 或 ( j = 1 ，2 k ，6 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 西北【业大学硕士论文 666 = ，+ a c + q 。f 巧 皇 ”“ ( = 1 ，2 k ，6 ) ( 2 6 ) 式( 2 一1 ) 至( 2 6 ) 中f 为施加的标准载荷：为a v 输出信号值增量 口九彳? 为一次系数，y = i 时，称为主系数；j i 时，称为分量对f 分量的一 次干扰系数； 6 凡b ? 为，分量对f 分量的一次非对称干扰系数 c 7 、e “为_ ，分量与，分量对f 分量的二次干扰系数，= i 时，称为二次平方 项干扰系数：j i 时，称为二次交叉项干扰系数； d ? 、口7 分量对i 分量的三次立方项干扰系数。 为了便于计算，可将天平校准通式( 2 3 ) 写成矩阵的形式，即： 【 。= ，】。+ 。 。+ 纠 。0 i 。+ g “ 。 巧 。， + 研l 6 x l ( 2 7 ) 天平校准时，采用那一种天平校准通式可根据天平需要与校准条件来取舍， 从提高天平校准精度与准度来考虑，在天平校准通式中，应考虑三次干扰项、 二次非对称项与三次非对称项。以色列飞机工业有限公司( i a i ) 工业试验中心 用6 6 ，6 2 7 ，6 3 3 。6 8 4 ，6 x 9 6 等五种校准矩阵，对同一台天平进行校 准，校准结果表明：用6 9 6 校准矩阵进行校准时，天平各分量的标准误差可减 少5 0 平均误差接近零。 应变天平一般变形较大，各分量之间的相互干扰难以通过调整加以消除或控 制。单元校准时，一般采用隐式校准通式。多元校准时，两者均可。机械天平 没有这种限制。 2 2 3 天平工作公式 与天平校准公式相对应，天平工作公式也有显式与隐式两种。当采用天平校 西北工业大学硕士论文 准公式( 2 1 ) 、( 2 - - 2 ) 、( 2 4 ) 时，天平工作公式与天平校准公式相同，天 平校准系数不需要转换，当采用公式( 2 3 ) 时，则需对天平校准系数作相应的 转换，才能获得天平工作公式。与天平校准通式( 2 3 ) 对应的天平工作公式： 66666 f = ，+ a ，一+ 彰j a r 盯 ( 3 一i ) 则y k 为坏值，应加以剔除。式中允y k 的估值，盯是标准误差，t 是一个取决 于测量次数”与置信度p 的系数( 采用格拉布斯准则时，p 一般取0 9 5 ，当可 靠性要求较高时，则取0 9 9 ) ，t 的取值可查表。 逐点判别时，先计算每个加载点测量值的标准误差吼与残差 o k 。 雁n k 莆- - 2 ( k = 1 ，2 ，l ，) ( 3 - - 2 ) k ：垒匕兰监：1 ，2 ，l ，体； ：1 ，2 ，l ，) ( 3 3 ) 吼 根据置信度p ( 通常取9 5 ) 与测量次数仇，查表得到对应的丁值。若 t ，则剔除第女加载点的第疗次重复加载的数据，否则保留。 3 2 对加载记录数据进行处理，计算天平校准系数 风洞天平校准公式是用来描述作用在天平上的载荷值与天平输出信号值之 西北工业大学硕士论文 1 日j 的关糸式。大半梭准公式葡校准通式与工作公式两种。校准通式是天平校准 时，求天平校准系数用的公式，工作公式是风洞试验时，求空气动力系数用的 公式。 本软件所适用的六分量天平，在天平校准公式中，天平校准系数应包括1 项主系数，5 项一次干扰系数，6 项二次平方项干扰项系数以及1 5 项二次交叉 项干扰系数。 3 2 1 i 分量主系数与二次平方项干扰系数计算 设在i 分量的校准载荷内，等间距分布个加载点，在每一个加载点k 上重 复1 , l k 次加载，则对第k 个加载点可写成： = 吮一e i k ( f = 1 ，2 ，l ，6 ；k = l ，2 ，l ，j ) ( 3 4 ) 式中，吃= z x v o + 卅矗+ c l f 2 ( 3 5 ) = 击薹c 。( 3 - - 6 ) 将上式变换成个平均值的离差的形式，即： = 卅最+ c l 。( ) + ( 3 - - 7 ) 式中，鹾= 霉一矗；霉= 专矗 v k - l ( 露) = 专著n 露一露 e = a 牙一；巧= 专喜 i 分量的主系数与二次平方项干扰系数的最佳估值应使其残差的平方和 q = 善n = 砉 瑶 卅+ q i s ( 2 - i) ) 2 c ，一s ， q = = 瑶卅+ q ( ) 。l ( 3 8 i = l = lllj j 为最小，根据最小二乘法原理，可得 酲北工业大学硕士论文 羔( 层) ：2 - 兰s ( 2 s2 ) 兰最( 瑶) ( 层) ：i ( ) i l 最( 瑶) i k = ik i 。- i= i i - ik ；1l- i 善n ( 层) 2 善 ( 露) 2 一 善 ( 露) 2 ( f _ 1 ，2 ，l ，6 ) ( f _ i ，2 ，l ，6 ) ( 3 9 ) ( 3 1 0 ) 求出i 分量主系数4 与二次平方项干扰系数c l f 后，则截距项f o 。为 ，= 矿一纠亏一c ? ( 专喜瑶 ( 3 1 1 ) 3 2 2 i 分量对其他分量的一次干扰系数与二次平方项干扰系数计算 在对f 分量进行加载时，i 分量对_ ，分量产生干扰，在每个加载点k 上重复仇 次加载，这时，分量输出信号增量的平均值为霞。由于干扰载荷一般较小 因此，截距项可不考虑，则 龋l k = 硝| + c ? k 2 + e t ( i = 1 ，2 ，l ，6 ；k = l ，2 ，l ，n ) 式中，略：妻( 吆) 。 g t kn = l ( 3 1 2 ) 求解i 分量对，分量的一次干扰系数4 与二次平方项干扰系数c ? 时与( 3 7 ) 式形式完全一样，则 瑶一 露一b 榭一 薹i | 弘。丛丁 广一 抛一湖 确一假 呱一。 忪一 。丛 西北工业大学硕士论文 善露砉- i 砉露 2 露露i i 。l= 1i = i ( f ；i = 1 ，2 ，l ，6 ) ( 啄瑶) 联一( 哌矗) 露 c ”= 点生生苎l 虹l _ = ：l | nn rn、t 鹾露一| 露i ( ，i ；i = l ，2 ，l ，6 ) 3 2 3 二分量组合加载时校准系数计算 ( 3 一1 3 ) ( 3 1 4 ) 二分量组合加载时，可求出两个分量，z ( ，) 对其他分量f 的二次交叉系数 掣。对第个加载点组重复n k 次加载，这时i 分量输出信号增量的平均值为 露，由于干扰载荷一般较小，因此，截距项k 。可不考虑，则 西i = a 4 f 七f 。+ c ? f j k f ，+ c 略+ c ：畦+ e k ( f = 1 ，2 ，l ，6 ；k = 1 ，2 ，l ，) ( 3 1 5 ) 式中，犁= 去善( 卅) 二分量组合加载是在单分量加载后进行的，因此，在上式中除二次交叉干扰 系数c “( ，f ) 未知外，其余系数项都是已知的。通过移项，上式可改写为回归 方程形式，即 武中，b ? = c ；x k = t k r 一2 2 ( 3 1 6 ) k允呐吁以 西北_ ：| ：= 业大学硕士论文 p k = a 矿i l a | f | k + a lf l k + c f j + c ：、 ( i = 1 ，2 ，l ，6 ；k = 1 ，2 ，l ，n ) 将上式变换成与测量值的平均值离差的形式，再根据最小二乘法原理可得 ( 歹一) ( i 一) 扣掣2 万2 f 一 、 一、 。， 式中， i ：专兰 ；歹：吉兰儿 j v 女= l v i ，l 3 3 输出天平校准公式 ( 3 1 7 ) 由于应变天平一般变形较大，各分量之间的相互干扰难以通过调整加以消除 或控制，所以，单元校准时，一般采用隐式校准通式。 = 。+ a c + q 。鼻 2 1 j 5 “4 。 ( 3 1 8 ) 其中，4 为一次系数，i = j 时，为主系数；i j 时，为j 分量对f 分量的一 次干扰系数： c ；，为，分量对f 分量的二次干扰系数，f = _ ，时，为二次平方项干扰系数；f ， 时，为二次交叉干扰系数。 3 4 天平静校精度与天平静校准度 假定在第k 加载点( k = l ，2 ，l ，) 进行第，1 次重复加载( 打= l ，2 ，l ，怫) ，载荷 值为吒，该分量相应的信号输出为增l - a ，则其平均值为 上n k 妻n = l 民 一2 3 ( 3 1 9 ) 西北工业大学硕士论文 晔去善 ( 3 2 0 ) 用各分量的 丘，坟 求解天平校准系数，并用所求的天平工作公式计算出 与k 。，露相对应的瓦与丘，则相应标准误差为 笔耋 ( r 一或) 一( 矗一丘) 2 女= ln ；l 。 。 - n 用砝码加载时，则 兰艺( 匕一只) 2 = ln = i n 怫- n ；l 相对准度为 s ，= 1 1 0 0 r 。 。- 1 1 0 0 ( 3 2 1 ) ( 3 2 2 ) 。_ 1 1 0 0 ( 3 - - 2 3 ) 。 拟合加载时，式中m 为天平工作公式中校准系数的项数，检验加载时，式 中所为零。 3 5 计算天平弹性角系数 风洞实验时，作用于模型上的空气动力载荷使天平及其支撑机构产生弹性变 形，因此，模型的实际姿态角与风洞变角机构指示的角度不一致，需要进行弹 性角修正。为此，要在天平静校时，测量弹性角随载荷的变化关系，即弹性角 修正系数。假设不同分量载荷引起的弹性角可线性叠加，则对于六分量天平， 其弹性角计算公式为 醇北1 二业大学硕士论文 o c = k ? f m + k ：* mm 8 = k ；“m m k ；h f 。b y = k ? 。m 女 ( 3 2 4 ) 式中，砖，础”，矽“，k “，酚为弹性角修正系数，表示单位载荷所引起 的弹性角变化。民，m 。，m 。，兄，虬为作用在模型上的空气动力与力矩。 西北工业大学硕士论文 4 1 引言 第四章虚拟仪器及其应用 本章主要详细介绍虚拟仪器系统的概念以及如何通过其应用平台 l a b w i n d o w s c v i 的集成开发环境实现仪器的功能。 4 2 虚拟仪器系统的概念 4 2 1 概念的提出 现代科技技术的进步以计算机技术的进步为代表。不断革新的计算机技术， 从各个层面上影响着、引导着各行各业的技术更新。基于计算机技术的虚拟仪 器系统技术正以不可逆转的力量推动着测控技术的革命j 。 虚拟仪器系统的概念不仅推进了以仪器为基础的测控系统的改造，同时也 影响了以数据采集为主的测控系统的传统构造方法的进化。过去独立分散、互 不相干的许多领域，在虚拟仪器系统的概念之下，正在逐渐靠拢、相互影响， 并形成新的技术方法和技术规范。 虚拟仪器系统的概念是测控系统的抽象。不管是传统的还是虚拟的仪器， 它们的功能都是相同的：采集数据，对采集来的数据进行分析处理，然后显示 处理的结果。它们之间的不同主要体现在灵活性方面。虚拟仪器由用户自己定 义，这意味着用户可以自由地组合计算机平台、硬件、软件、以及各种完成应 用系统所需要的附件。而这种灵活性在由供应商定义、功能固定、独立的传统 仪器上是达不到的。常用的数字万用表、示波器、信号发生器、数据记录仪， 以及温度和压力监控器就是传统仪器的代表。从传统仪器向虚拟仪器的转变， 西北工业大学硕士论文 为用户带来更多实际的利益。 虚拟仪器系统技术得益于现代计算机技术的进步。所有p c 机主流技术的最 新进展，不管是c p u 的更新换代还是便携式计算机的进一步实用化，不管是操 作系统平台的提升还是网络乃至i n t e r n e t 的应用拓展，都能够为虚拟仪器系统 技术带来新的活力和好处。以p c 技术为基础的虚拟仪器系统的普及，也进一步 坚定了用户抛弃旧的传统仪器，向崭新的虚拟仪器系统进发的决心。现代计算 机性能价格比的不断提高也使得越来越多的用户认可并接受虚拟仪器系统。正 是这些用户，过去由于传统仪器的不灵活，只能用价格不菲的单台仪器完成单 一的工作或固定的项目。应用虚拟仪器系统技术，用户可以用较少的资金、较 少的系统丌发和维护费用，用比过去更少的时间开发出功能更强、质量更可靠 的产品和系统。 虚拟仪器系统并不是一种哲学，它是工业的一个基本的渐变方法，并具有 明确的结果。由于虚拟仪器系统技术的强有力支持，科学家和工程师们可以建 立适合自己需要的测控系统，再也不必将自己封闭在固定传统仪器的狭窄天地 中。 p c 机和台式工作站已经成为检测系统的标准控制平台。应用软件包，以及 用户接口库、仪器驱动程序、检测程序和分析库正在被广泛地应用着，并极大 地减少了开发的时间。g p i b 已经成为被广泛地接受的世界性标准。i e e e4 8 8 2 和h s 4 8 8 标准协议则为开发基于g p i b 的检测系统的用户开创了新的天地。此外， v x i 可以为开发与使用者提供更高的性能、更小的尺寸、标准的软件结构和集 成的时钟及触发。基于高性能的c o m p a c t p c i 规范的p x i 则为用户提供类似v x i 的模块化检测系统。而a d 转换技术的发展，使得插卡式数据采集板成为基于 p c 机的仪器系统增长最快的选件。不管使用什么样的总线结构，如v x i 、p x i 、 p c i 、p c m c i a 、i s a 等，均可找到相应的多功能数据采集产品。图像技术的引入， 更为现代检测系统增添光彩。今天，工业标准的计算机平台，揉合多种仪器与 设备，并充分利用仪器系统软件工具，已经成为降低系统造价，完善系统功能， 提高系统性能价格比的最重要的手段。 一2 7 西北，1 - 业大学硕士论文 工业自动化同样分享着现代计算机技术的不断进步。个人计算机的功能日 趋强化，价格却日渐低廉，已经成为组建工业自动化系统的基本平台，对于p l c 计算及h m i ( 人机接口) 更是首选平台。不管是通过d e v i c e n e t 、p r o f i b u s 、 f o u n d a t i o nf i e l d b u s 还是串行总线，与工业总线连接使用户可以存取各种设 备，各种r t u ，以及其它过程控制系统。a d 技术及信号调理部件的进步使得插 卡式数据采集( d a q ) 板得以广泛地应用于实际的工业控制系统。 4 2 。2 虚拟仪器的优点 我们知道，任何仪器都基本上分三部分组成，即数据采集与控制、数据处理 与分析、数据的显示1 。传统仪器是将这三部分放在一个仪表机箱内。而虚拟 仪器则是一种功能意义上的仪器。是具有仪器功能的软硬件组合。它并不强调 物理上的实现形式。虚拟仪器相对传统仪器的优势是显而易见的。概括起来有 以下几个方面： ( 1 ) 传统仪器功能由仪器厂商定义；虚拟仪器功能由用户自己定义。仪器制 造厂仅需提供基本的软硬件，如信号调节器、信号转换器等硬件和仪器应用软 件生成环境等软件，真正需要什么样的仪器功能则是用户自己的事情。 ( 2 ) 传统仪器与其它仪器设备的连接受限制；而虚拟仪器则是面向应用的系 统结构，可方便地与网络、外设及其它应用连接。 ( 3 ) 传统仪器图形界面小，人工读数，信息量少，虚拟仪器则展现图形界面， 计算机直接读数、分析处理。 ( 4 ) 硬件是传统仪器的关键部分：而虚拟仪器中硬件仅是为了解决信号的输 入输出，软件才是整个仪器的关键部分，其测试功能均由软件来实现。 ( 5 ) 传统仪器系统封闭，功能固定；虚拟仪器则是基于计算机技术的开放灵 活的功能模块，可构成多种仪器。 ( 6 ) 传统仪器扩展性差，数据无法编辑；虚拟仪器数据可编辑、存储、打印。 ( 7 ) 信号每经过一次硬件处理都会引起误差由于虚拟仪器减少了硬件的使 用，因而减少了测量误差。 西北工业大学硕士论文 ( 8 ) 传统仪器价格高，技术更新慢( 周期为5 1 0 年) ，开发和维护费用亦 高；虚拟仪器价格低( 是传统仪器的五至十分之一) ，而且可重复利用，技术更 新也快( 周期为1 2 年) ，基于软件的体系结构大大节省了开发和维护费用。 4 2 3 虚拟仪器的系统构成 虚拟仪器的基本框图如图4 一l 所示 = ：= = 刊烈像采粲、d 5 ；p 睁 测 c 二= 刊g p i b 接h 仪器 ：= = 爿g p i 秘蠹i = = ：i 卡障 l a b v i e w 。 控 l a b w i n d o w s c v l ， 錾 车d 零梅“仪器p l c 霹= c f 挪p n 玳e n tw n r k s 以殷其它欤竹 ：蔽订： 观明芯璃阻俞卜 1 虚拟仪器的硬件构成 图4 一l虚拟仪器构成的基本框图 由图4 一l 可知，虚拟仪器的硬件构成有多种方案，通常采用以下几种： ( 1 ) 基于通用接口总线g p i b 接口的仪器系统 g p i b ( g e n e r a lp u r p o s ei n t e r f a c eb u s ) 仪器系统的构成是迈向虚拟仪器的第 一步，即利用g p i b 接口卡将若干g p i b 仪器连接起来，用计算机增强传统仪器 的功能，组织大型柔性自动测试系统，技术易于升级维护方便，仪器功能和 面板自定义，开发和使用容易。它可以高效灵活地完成各种不同规模的测试测 西北： 业大学硕士论文 量任务。 利用g p i b 技术，可用计算机实现对仪器的操作和控制，替代传统的人工操 作方式，排除人为因素造成的测试测量误差。同时，由于可预先编制好测试程 序，实现自动测试，提高了测试效率。 ( 2 ) 基于数据采集的虚拟仪器系统 通过a d 变换将模拟、数字信号采集入计算机进行分析、处理、显示，并 可通过d a 转换实现反馈控制。根据需要还可加入信号调理和实时d s p 等硬件 模块。 ( 3 ) 利用v x i 总线仪器实现虚拟仪器系统 v x i ( v m eb u se x t e n s i o nf o ri n s t r u m e n t i o n ) 总线为虚拟仪器系统提供了一 个更为广阔的发展空间。v x i 总线是一种高速计算机总线一一v m e ( v e r s a m o d u l ee u r o c a r d ) 总线在仪器领域的扩展。由于其标准开放，传输速率高，数 据吞吐能力强，定时和同步精确，模块化设计，结构紧凑，使用方便灵活，已 越来越受人们的重视。它便于组织大规模、集成化系统，是仪器发展的一个方 向。 ( 4 ) 基于串行口或其它工业标准总线的系统 将某些串行口仪器和工业控制模块连接起来，组成实时监控系统。 2 虚拟仪器的软件构成 构成一个虚拟仪器系统，基本硬件确定以后，就可通过不同的软件实现不同 的功能。软件是虚拟仪器系统的关键。没有一个优秀的控制分析软件，