導讀

風洞測試中對機翼翼型的二維測量，是眾多空氣動力學應用中模型預測的關鍵技術。這類測試中，一般需要測量翼型在不同的受風角度下的受力和俯仰力矩，受風角度（攻角）的細微變化能夠造成力和力矩的大幅變動，因此，對攻角的精確測量是這類測試中的主要技術需求。本研究在風洞中采用了多個激光位移傳感器，通過測量風洞壁與機翼之間的距離來精確計算模型的位置。測量結果表明了該技術能夠測得以往無法得到的模型變形和偏轉，從而提供更加精確的攻角測量。

背景

風洞測試結果通常用來驗證數值模型，測得的力、扭矩二維系數能夠進一步推導得到發動機或者機翼的力和力矩?？諝鈩恿W中常提到的力和力矩對模型的幾何形狀和攻角參數非常敏感，1°的攻角的變化會造成升力系數11%的變化，這也就意味著在機翼風洞模型的測量中，攻角精確測量的重要性。

典型的測量方案采用的是機翼舵轉臺貼裝磁性編碼器，磁性編碼器的分辨力較低，例如本研究中模型達到6000N的升力和500Nm的俯仰力矩后形成的攻角偏置量，無法被磁性編碼器分辨。并且由于扭曲和彎曲造成的翼展方向的非線性偏轉，也會對測量造成影響，無法判斷具體的空氣動力學狀態。

在風洞模型中引入加速度傳感器能夠解決這個問題，加速度傳感器輸出量的積分反映了模型的位移量和方向。引入多個加速度傳感器并且持續記錄，則可以跟蹤模型中多個點的位移量和方向。除此之外，還有相機跟蹤標志點后處理得到模型偏轉變形的測量技術，以及激光干涉儀跟蹤模型位置的方案，但是這兩個技術都存在復雜、成本較高的弊端。

創新

本文工作采用激光三角法位移傳感器實現模型和風洞墻壁之間距離的測量，這個方案采用商用產品，具有高精度的絕對距離測量能力，并且不會和其他風洞測量設備產生干涉。

技術

本文中的風洞測試段是7.3m長，橫截面為1.85m*1.85m的長方體區域，風洞墻壁由實心鋁板組成，機翼采用0.8m長的DU96-W-180機翼，機翼的舵轉臺角度采用Renishaw LM10直線磁性編碼器進行測量。典型的試驗方案是，轉動舵轉臺到特定角度后進行鎖定，開啟風洞3-4秒，然后安裝與90個點位的氣壓傳感器進行氣壓測量，氣壓數據綜合可以得到機翼的升力系數和轉矩系數。四路激光位移傳感器安裝在風洞的獨立位置處，如圖1所示。

圖1. 風洞模型中機翼和激光位移傳感器的安裝圖

使用過程中，激光位移傳感器的溫漂誤差通過線性回歸來進行補償，見圖2所示。同時，在關閉風洞進風情況下，機翼在攻角±16°之間步進旋轉，通過記錄角度數據和四路激光器的數據完成校準，如圖3，思路激光測量得到的位移量和轉動的角度之間存在映射關系，圖的下方同樣給出了映射的不確定度。

圖2. 激光位移傳感器的溫漂曲線

圖3. 激光位移傳感器和轉角之間的校準曲線

接下來便是開啟風洞進行實際的實驗測量環節，激光位移傳感器得到的數據和舵轉臺轉角之間的不一致代表了機翼產生的偏轉和變形，具體分析內容請見原文。總結來看，這種基于激光位移傳感器的測量方案能夠測得機翼模型<0.15°的偏轉量，以及<2mm的變形量，相較于其他的測量方案具有較高的實用性和可操作性。

關鍵詞：激光位移傳感器；風洞測試；CMOS線陣相機