0   引言

风洞试验是先进飞行器研制与发展过程中十分重要的研究手段，试验时需遵循一系列的相似准则，其中马赫数和雷诺数是最主要的2个相似参数。目前，常规风洞已能实现对马赫数的精确模拟，但雷诺数的模拟能力则存在明显不足，极大制约了对以粘性力为主导的复杂流动现象的研究^[1-2]。自法国著名学者Margoulis于1920年首先提出通过冷却试验气体来增加雷诺数的建议^[3]，到1971年世界上第一座以液氮为试验介质的低温风洞在美国兰利研究中心改建成功^[3-4]，低温风洞实现了从理论概念到有形实体的跨越。其所具有的几近真实的雷诺数模拟能力，为复现飞行器的飞行状态，获取更为精准的相关数据，提供了必要的地面试验设施。特别是美国国家跨声速设备(NTF)和欧洲跨声速风洞(ETW)这2座大型跨声速低温风洞，在包括波音系列、空客系列、超声速飞机和翼身融合体飞机等多种军民用先进飞行器的研制过程中，都发挥了极其重要的作用^[5-8]。

尽管低温风洞具有明显的技术优势，但其恶劣的运行环境和独特的运行方式，也对相关试验技术的运用提出了挑战。尤其是作为最基础风洞试验项目--测力试验中的核心测量装置，内式应变天平受低温风洞气流温度低、温度变化大的影响，在测量的精准度方面产生了一系列的问题：一是在低温环境下，天平体材料和应变片材料的特性发生变化，常规天平体材料的可用性和试验时天平的安全性受到直接影响；二是风洞温度发生变化，使应变天平产生温度效应，天平各测量元的惠斯通电桥零点输出和灵敏度系数发生改变，天平的零点温度补偿和灵敏度温度补偿难度加大；三是通过天平校准对天平温度梯度影响进行修正这一过程变得更为复杂；四是需对应变片的粘贴牢固性、电气防潮性等应用性问题加以特殊处理。这都需要对原有天平的设计理念、材料选取、制造方式、应变片粘贴、校准装置和算法等多个环节加以改进。为此，美国、欧洲在开展低温风洞建设之初，就针对低温天平应用的特殊要求，开展了大量的基础性研究和实验测试^[9-10]，经过三、四十年的努力，成功突破了低温天平研制的核心技术，使低温天平的测量精准度达到了0.1%的常温天平水平，有效解决了低温风洞试验中模型气动力的精确测量问题。

1   国外低温天平的发展

NASA兰利研究中心作为世界顶尖的空气动力研究机构之一，早在20世纪70年代初就开始了对低温天平的研究，并于1982年为NTF制造了第一台低温天平^[11]。在其最初的引导风洞研究中，通过使用水套或电阻加热器，使常规风洞天平在低温环境下保持正常的温度，从而实现了常温天平的低温应用。但这种加热式天平因增加了加热、控温和隔热等装置，使得天平结构复杂、体积增大、可靠性下降^[12]。因此，不加热低温天平概念开始出现，并逐渐成为低温天平研制的主流方向。当时在内式天平研制方面最有经验的2个团队--兰利的Alice T.(Judy) Ferris团队和Tom Moore团队，就提出通过利用常规的天平设计方式、特殊的应变片和创新性的“应变片匹配技术”来制造低温天平，并结合应变桥路温度补偿和温度因素参与下的天平校准等多种途径，解决低温天平7在特殊环境下的精准度问题。此后，经过长期探索和持续研究，兰利在天平结构设计、应变片选用与粘贴、天平校准加载以及校准数据处理等方面都取得了突破性进展，实现了低温天平的工程化应用，并在总结相关经验的基础上，形成了一系列的规范性文件^[13-15]。

而在欧洲，随着科隆低温风洞(KKK)和ETW项目的相继启动，几个主要的空气动力学研究机构也先后开展了低温天平的研究工作。

荷兰国家航空航天研究室(NLR)的低温天平研究开始于1978年，并于1980年专门制造了1台常规设计的三分量天平--NLR 771(见图 1)，在英国皇家航空航天研究院(RAE)的低温测试平台和兰利的0.3m低温风洞(TCT)中，开展了低温环境下的天平性能测试。通过研究发现，低温天平存在的最主要问题是温度梯度带来的测量误差。在完成了NLR 771天平测试后，NLR的研究工作在20世纪80年代中期中断了^[16-18]。

图  1  NLR 771天平^[18]

Fig.  1  NLR balance 771^[18]

下载: 全尺寸图片 幻灯片

英国的飞行器研究协会(ARA)在利用NLR 771天平进行了温度梯度对天平轴向力的影响研究之后，研制出了一种由3个弹片构成的轴向测力元件(见图 2)。通过测试发现，3个弹片因温度引入的信号是由元件内部受热变形引起的，且天平刚度的非对称分布会导致信号的非对称分布，误差信号主要与安装在天平上的模型相关，这也就意味着温度梯度引起的热致误差信号与模型材料和天平的几何形状有着密切的关系^[18]。

图  2  温度梯度作用下RAE被测天平的信号变化^[18]

Fig.  2  Signals of RAE-test balance due to temperature gradients^[18]

下载: 全尺寸图片 幻灯片

法国的航空航天研究院(ONERA)则在1963~1982年间，开展了对低温天平的一系列基础性研究工作。在低温环境下，第一次对可选用天平材料的机械特性进行了检测，其后又对应变片和天平材料进行组合测试，以达到最佳的匹配效果，同时还研发了多种“硬”补偿方法，力争使天平的零点漂移和灵敏度系数变化降到最低。为了解决温度梯度效应这一难题，还提出了1种在平行四边形测力系统的前、后弹片上，增设1组测量桥路的解决方案(见图 3)^[19]。

图  3  温度梯度效应解决方案^[19]

Fig.  3  Solution for temperature gradient effect^[19]

下载: 全尺寸图片 幻灯片

而在德国，为了研发用于KKK风洞和ETW风洞的内式应变天平及其校准技术，德国技术研究部于20世纪80年代前后启动了“低温天平项目”，资助达姆斯塔特工业大学(TUD)与德国空客公司合作开展低温风洞测力试验技术的研究，取得了众多的研究成果：通过对金属弹性材料的基础性研究，在材料的选取和处理方面有了全新的认识；利用有限元分析方法，对天平的原理性设计进行了优化；引入电子束焊接技术，在力求天平各分量间相互干扰最小的同时，解决了天平内部结构复杂、难以加工的问题；提出了三阶近似天平校准算法，为提升天平校准精度提供了新的思路；针对受温度影响最大的轴向分量，引入了在天平的支撑片处设置串联的测量元件这种特殊的布局方式……以此项目为基础，TUD在低温天平及其相关技术方面积累了大量的实践经验，先后设计制造了12台低温天平，并完成了ETW第一代和第二代全自动天平校准装置的研制，始终保持了其在低温天平基础理论和操作技能方面的领先性^[18-20]。

2   低温天平关键技术

2.1   天平设计及优化

低温天平设计时，除轴向力外的其它测量元一般相对简单，受温度变化的影响并不显著。而轴向力在热致应力作用下会产生较大的变形，如果采用常规的轴向力弯曲梁中央分布方式，产生的误差信号将是悬臂梁上随机分布的温度的函数，难以进行补偿修正。因此，设计时采用了“轴向力测量元串联”概念，将轴向力测量元件整合到轴向力的前后支撑片上，这样温度梯度在前后弯曲梁测量元件上产生的误差信号就具有相同的量值及相反的符号。通过前后测量元信号的相加，就可以消除因温度梯度产生的虚假信号。该设计理念在低温天平中取得了明显的应用效果，以ETW的W618天平为例，沿天平长度方向5℃的温度梯度，在轴向力信号上产生的误差(未经数学修正)仅为1μV/V^[18-19]。

为了补偿结构设计无法完全消除的残余误差，通常还需在各测量元贴片位置附近预留出适当的空间，设置多个热电偶或Pt100铂电阻温度传感器，进行天平体温度分布情况的测量。再通过事先测试得到的温度与天平输出之间的函数关系，对天平输出信号进行数学“软”修正。

另外，考虑到低温风洞运行时，一旦需要进入风洞内部进行天平的检查和更换，势必明显降低风洞的生产效率，造成风洞运行能耗的增加。因此，NTF风洞所使用的大多数天平，都采用了冗余桥路设计方式：为每个分量设置2组电桥，且2组电桥的电气电路彼此隔离并单独供电。通过备份测量桥路，显著降低天平失效发生的概率^[21]，满足了低温风洞运行的可靠性需求。

在完成应变天平结构的初步设计后，还需对天平进行从外部尺寸到所需部件的综合分析，以进一步优化性能。在这一领域，早期的分析方法主要是基于实验测试和结构简化了的弯曲梁理论。实验法虽然有效，但由于花费巨大，不允许进行结构的多次调整；而弯曲梁理论则仅适用于预设计阶段，无法为问题的识别和结构的优化提供所需的全部信息。相较而言，有限元分析则非常适用于此类研究，可以实现对天平性能的快速精确预测。因此，尽管其在应变天平这类复杂结构的离散化处理方面还比较困难，但仍不失为一种对应变天平进行原理性优化的非常有价值的工具。TUD在为ETW研制低温天平的有限元分析过程中发现，利用有限元分析进行新天平结构的研发时，如果网格选择合适，天平设计的预测精度可以达到3%以上；而将其用于天平参数优化时，预测精度甚至可以提高到0.1%。同时有限元分析还能对加载变形引起的天平各测量元间的干扰量进行有效分析和计算，其中线性干扰主要由天平的几何形状和应变片的位置误差引起；非线性干扰则主要来源于天平的变形^[22]。基于此，目前国外的低温天平设计过程中，普遍采用了有限元分析对天平进行优化，着重计算存在温度梯度情况下，天平各元(特别是阻力元)的变形和应力情况。

2.2   天平的加工及制造

根据结构形式和加工方式的不同，目前的低温天平主要分为整体式天平和装配式天平2种。其中整体式天平由整块材料加工而成，具有结构紧凑、机械滞后小等优点。但其不足在于天平加工时电极需从天平体的外部伸入，对其内部进行切割，这样天平的结构设计就受到限制，无法实现天平刚度最大的设计原则；装配式天平则是将天平部件分体加工，再连接形成1台完整的天平。这种形式的天平设计较为自由，更容易消减天平各分量之间的相互干扰。其缺点在于天平装配时可能在连接处产生迟滞效应和零点漂移问题，影响天平性能^[23]。

因为作为主流的传统整体式天平的优势十分明显^[24]，且在长期的常规天平应用中，积累了丰富的实践经验，所以，兰利在为NTF设计制造低温天平时，也都选择了这种方式^[21]。但装配式天平并没有被完全摒弃，由于温度这一影响因素的加入，设计低温天平时需考虑的环节增多，天平的结构也变得更为复杂，为了给天平研制人员提供更大的设计空间，德国著名天平专家Ewald教授研发出了一种电子束焊接技术。先将天平加工成4个预制件，并按照天平的最终尺寸对各预制件的所有内表面进行预加工，然后用电子束将这4个预制件焊接到一起，最后再完成包括支撑片部分开口在内的所有外部加工(见图 4~6)^[25]。如果选取的材料合适，并在焊接后进行复杂的热处理，则焊接区域的材料强度都将恢复^[26]，最终得到的天平就是1台整体式天平(就强度和迟滞性而言，与整体式天平相同)。这种加工方式提升了低温天平的设计自由度，在低温天平的实际应用中获得了较好的应用效果，被TUD研制的大多数低温天平所采用^[19]。

图  4  天平预制部件^[25]

Fig.  4  Prefabricated parts of balance^[25]

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图  5  焊接后的天平体^[25]

Fig.  5  The body of balance after welding^[25]

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图  6  最终完成的天平^[25]

Fig.  6  The balance after external machining^[25]

下载: 全尺寸图片 幻灯片

另外，将以3D打印为代表的新型制造技术引入到天平制造中，已逐渐成为人们关注的重点。可以预见，随着这些新兴技术的发展与成熟，低温天平的加工方式将变得更为灵活多样，为天平性能的提升提供帮助。

2.3   天平材料的选择及热处理

NASA兰利在为NTF风洞制造低温天平时，选用了高品质的18Ni马氏体时效钢^[27]。而在ETW，由于采用了TUD的焊接天平概念，其低温天平材料通常选用马氏体时效钢250^[25]。

同时，在TUD完成的一项对弹性材料的全方位研究中发现，天平的迟滞特性随着合金中镍成分的增加而增加。因此，马氏体时效钢的迟滞特性并不是最佳的，这通常可以通过以下3种方式来加以优化：(1)为实现晶粒细化，进行多次热处理；(2)老化处理前进行深冷处理(温度77K，时间20h)；(3)如果最终的强度要求并不高，可以采取欠老化处理。

如果天平载荷允许选用比马氏体时效钢拉伸强度更低的材料的话，那么铜铍合金(2%的铍)将是一种非常有前途的低温天平材料。其迟滞特性非常小，用电子束焊接的性能也非常好。而且，铜铍合金优异的导热性能将明显减小低温天平温度梯度所带来的问题。

另外，钛合金TiAlMg4可能是制造低温天平的一种极好的材料，采用这种材料几乎没有任何滞后性。然而，在其电子束焊接和应变片使用等方面还需积累更为丰富的经验^[25]。

2.4   应变片的选用与匹配

尽管光纤应变片技术在最近十多年间发展迅速，但目前风洞天平所使用的应变片仍以电阻型应变片为主，是应变式天平的关键敏感元件。研究发现，由于镍铬改良型合金(如Karma合金)的电阻温度系数可以通过调整合金组分和热处理工艺来加以改变，便于制成适用于不同弹性材料的温度自补偿应变片，因而低温天平所用应变片通常选用以镍铬改良型合金为敏感栅的自补偿箔式应变片。同时考虑到低温天平一般以马氏体时效钢为材料，因此，选用的应变片温度自补偿系数(STC)通常为11~13。STC系数为11的应变片在低温风洞的整个运行温度范围内，在选取的基层材料上具有最小的输出特性温度漂移。若STC系数为13，则应变片因子的变化最接近于抵消其模量的变化，使得天平负载灵敏度随温度的变化达到最小²⁷。兰利和TUD的低温天平研制中，大多选用了由美国Micro Measurement公司专门为其制造的应变片，并经过了特殊的热处理。其中，兰利使用的典型低温应变片型号为C-891113-B^[13]。

同时，低温风洞中大跨度的温度变化，会放大各应变片之间与生俱来的输出特性差异，如果任意选取4个应变片来形成测力天平的1个四臂桥路，就会带来明显的输出误差。为此，兰利创新性地提出了“应变片匹配技术”，对准备组桥使用的应变片的输出示变曲线，提前进行精确测定与匹配，这样可以明显减小由温度变化引入的应变片误差信号，有助于测试精准度目标的最终实现。这种应变片的匹配，通过“临时性粘贴技术”以及完全自动化的应变片数据比较来完成。将多个应变片(NASA兰利通常为16个)临时粘贴于马氏体时效钢样品上(见图 7)，再将样品放入温控箱内，按照一定的温度间隔，对应变片进行从室温到低温，再从低温到室温的循环性能测定，经计算机对各应变片进行虚拟组桥配对，获得误差在允许公差范围内的一组4个应变片，编册登记后，准备粘贴到最终的低温天平上^[27-28]。尽管该过程费时费力，但对于改善天平的热响应特性，提升测量精准度具有非常明显的效果，在此后的低温天平研制过程中被普遍采用。

图  7  兰利使用的低温天平应变片匹配盘片^[13]

Fig.  7  Gage matching disc for LARC cryo-balances^[13]

下载: 全尺寸图片 幻灯片

2.5   应变片的粘贴

低温天平应用的特殊性，使得其应变片的粘贴与常温天平相比存在明显不同，涉及贴片、焊接、补偿、防护等多个环节。

贴片时最为重要的第一步就是选择合适的粘结剂。表 1给出了常见的几种低温用粘结剂^[29]，主要为热固型粘结剂，如聚酰亚胺、改性环氧-酚醛胶等。兰利的典型低温天平应用中，通常选取MM公司的粘结剂M-BOND 610^[13]，经过表面清洗、涂片粘贴、夹紧加压、升温固化和显微镜检查等一系列处理后，可以实现应变片与弹性体的可靠粘接。使用时应注意各步骤的操作都必须非常仔细、耐心，并严格按操作规程进行。

表  1  常见的低温用粘结剂^[29]

Table  1  Common adhesives for low temperature^[29]

项目/ 型号	固化	成份	粘结 条件	使用温度 范围/℃	制造 单位
UC-27	常温	聚氨酯	室温， 加压24h	-269~室温	日本共和 公司
PC-6		酚醛	150℃， 加压24h	-269~250	日本共和 公司
EPY-500		环氧	93℃， 加压26h	-269~260	美国BLH 公司
PLD-700	加热	聚酰 亚胺	260℃， 加压2h	-269~399	美国BLH 公司
M-Bond 610		环氧- 酚醛	177℃， 加压1h	-269~260	美国MM 公司
M-Bond AE-15		环氧	65℃， 加压2h	-269~96	美国MM 公司

下载: 导出CSV 

| 显示表格

天平应变片的焊接是指将天平各测量元的应变片焊接组成测量用的惠斯通电桥。应变片制造商建议的用于低温条件的焊剂由93%的铅、5.2%的锡和1.8%的银构成，然而这种焊剂的熔点非常高(299℃)，使用起来十分困难。兰利在对常规天平所用焊剂的研究中发现，尽管低温下该焊剂有结晶的趋势，但锑的加入阻止了结晶过程。因此，兰利为NTF天平选择的焊剂是一种组分为63%的锡、36.65%的铅和0.35%的锑的商用焊剂，熔点为183℃^[27]。

低温天平在完成应变片组桥后，需作为一个整体对桥路单元进行温度补偿，以消除残余的温度效应。为此，兰利在NTF低温天平研制过程中，开展了大量的测试，也取得了重要的研究成果^[30-31]。NTF低温天平的桥路温度补偿主要分为非线性补偿、输出示变补偿和专门的轴向温度补偿3类，整个过程通过以下步骤来完成：首先在应变电桥的合适区域植入一段温敏导线，对天平零点输出的等温温度效应加以补偿。在完成等温补偿后，进入对轴向力的热梯度补偿过程。在主轴向力电桥上(NTF天平通常设置有2组轴向力电桥)，将按一定策略放置在轴向力测量元件周围的4个传感器(如温敏镍导线)与轴向力电桥相连，重复多次温度历程，对其所处位置和电阻进行反复调整后，可以实现对瞬时轴向部分热致输出的温度自动补偿。这种方式的缺点在于传感器被连接到应变片电桥内，任何损坏都可能导致轴向力测量的失败。而且传感器提供的补偿参数是在实验室中、没有安装试验模型的情况下调整优化得到的，与实际风洞试验情况存在较大差异。因此在辅助轴向力电桥上，取消了与桥路相连的传感器，而是安装了4个铂电阻温度探测器(PRTD)，通过一种数学算法，对温度梯度进行补偿。这不仅明显提升了天平的可靠性和牢固性，而且建立的数学模型可从装配有全套模型的风洞试验模拟环境下获得，更接近试验时的真实情况^{[21, 27, 32]}。

低温风洞温度的变化容易凝结水汽，对天平的性能产生明显的影响，因此防潮处理是低温天平最为重要的防护环节。处理时不仅要防止电路分流和腐蚀的发生，还应尽量使选用材料对天平的影响降到最小。兰利在对多种防潮材料及工艺进行测试后发现，性能最好的防潮材料是来自MM公司的粘合防潮剂M-Bond43(一种环氧化合物)，以及同样来自MM公司的M-coat B (一种腈纶橡胶成分)²⁷。使用时需确保涂层材料的纯度和天平的清洁，并在低湿、低温环境下进行涂覆操作(图 8为NASA兰利的防潮处理实验箱)。低湿有助于保证没有任何潮气侵入到涂层材料下方；低温则可减缓涂层的固化过程，使涂料在电气连接点的周围流动，同时减少涂层内气泡的产生。在完成涂覆操作后，还要进行加压处理，将天平放置于1个充满氮气的压力容器内，加压10~15h，以进一步增强涂层的密封性能，减小材料内部的气泡。然而这种方法仍会产生一些热致示变输出。在进一步的天平表面防腐研究中，兰利发现了另一种更好的防潮方案：将粘贴了应变片的整个天平浸润在一种特氟龙碳氟化干燥润滑剂中，用特氟龙(TFE)覆层喷涂，然后在93℃下硬化处理使其牢固。该特氟龙覆层不仅可以防止天平表面生锈，而且在阻止潮气渗透到应变桥路的非绝缘部分方面，具有令人满意的能力。同时在任何需要的时候，覆层都可以用溶剂清洗去除掉，便于进行天平的电气修理或表面检查工作^{[21, 24]}。

图  8  兰利防潮处理实验箱^[21]

Fig.  8  Laboratory chamber used for application of moisture resistant coating^[21]

下载: 全尺寸图片 幻灯片

而TUD采取的防潮处理方式则是通过化学蒸汽沉淀，将整个应变片(包括连接线)封装在金属遮盖物内。这种方法的缺点是价格非常昂贵，而且几乎每次机械性的接触都会对薄的金属覆层造成破坏^[18]。

2.6   天平校准方法

天平校准是通过对已有天平的实验性检验，建立模型所受载荷与天平输出之间的数学关系，从而获取风洞试验过程中作用在模型上的气动载荷。该数学模型的准确度，最终决定着所获数据的精准度。改进天平校准，则可能是提升天平技术水平最具潜力的领域之一。特别是对于低温天平来说，由于温度等相关因素的加入，天平校准变得更为复杂，为了达到天平的设计指标，必须对天平校准的各细微环节加以优化。为此TUD将常规天平校准普遍使用的二阶校准法，拓展到对天平性能进行三阶拟合(见式(1))。

进行三阶拟合有着物理方面的原因，这是因为应变天平测量元的线性特性中存在着非线性(见图 9中第一象限)，而应变天平是一种对称结构，几乎可以肯定的是，在第三象限，特征线的非线性将是第一象限的反向镜像(见图 9中实线)，而这种非线性在多项式中只能用1个三阶项来加以描述。在实际校准中将2种拟合方式进行比较后发现：三阶拟合时，三次项系数的量值相当大，而其二次项则比二阶拟合时的值要小，但仍不可省略。尽管也有专家质疑该方法与常规二阶校准相比具有的优势，但随着计算机性能的不断提升，高阶拟合在数学上已不再存在困难，使用三阶拟合在逻辑上是简单可行的。

图  9  天平校准的二阶/三阶拟合^[25]

Fig.  9  Second-and third-order descriptions of balance calibration^[25]

下载: 全尺寸图片 幻灯片

另外，因为低温风洞中天平温度的变化范围相当宽，而天平的平衡温度为完全随机变化的因子，因此，如果继续使用传统天平校准中通常采用的“一次一系数”(OFAT)的加载方法，天平校准所需的时间和花费常常是无法承担的。针对这一问题，美国的兰利、AEDC等机构都开始研究在天平的校准过程中引入现代试验设计方法(MDOE)，尝试将温度作为一个因子引入到天平校准模型中，应用统计方法进行数据的收集和分析，并在选定置信度和权重水平的条件下，得出所需的校准结论，从而显著提升天平的校准效率^[33]。

2.7   天平校准装置

早在20世纪40年代，兰利就开始使用砝码进行天平的手动加载校准，通过对加载、调平和数据采集等方面的持续改进，手动校准的准确性不断提高^[34]。NTF的低温天平校准同样采取了室温下进行天平的全校准，单分量加载则在低温环境下进行的手动加载方式。后来，为了精确复现低温天平的使用环境，兰利还研发出了一种具有全温度范围校准能力的可变温度校准台(其温度可在-250~150°F的范围内进行调节)(见图 10)。但进行一次全校准可能需要数月时间，这不仅明显增加了天平的成本，而且无法满足风洞试验的快速响应需求^[21]。因此，对自动化校准装置的需求日渐迫切。

图  10  NTF的变温校准台^[21]

Fig.  10  Variable temperature calibration stand of NTF^[21]

下载: 全尺寸图片 幻灯片

为此，20世纪90年代，在为ETW设计天平自动校准架时，TUD的Ewald教授提出了一种自动校准装置概念(见图 11)。该装置主要包括底座1、带有6个高精度加载单元3的测量架2、加载树4、通过连接杆与加载树相连的力发生器5和位于装置中部的低温箱6。与常规天平校准架固定天平支杆端及在模型端加载的方式不同，该校准架在使用时，天平模型端被夹紧到测量架上，支杆端与加载树相连，经力发生器施加校准载荷进行天平的校准，校准效率明显提升^[35-37]。

图  11  天平自动校准装置^[37]

Fig.  11  Automatic calibration machine^[37]

下载: 全尺寸图片 幻灯片

以此为基础，ETW的第一代六分量内式天平校准架研制成功。整套系统按模块化方式设计，由多台计算机进行分层控制，在实现自动设置校准载荷和校准温度的同时，还具有一套完备的安全防护体系，防止因载荷发生器故障或编程错误引起天平过载受损。此后在总结力发生器的可维护性、测量架刚度、加载树质量和系统成本等经验教训的基础上，TUD于2007年又为ETW设计了第二代自动校准架，在保持了与第一代校准架相同的精准度和稳定性的同时，简化了数据采集和控制系统，增大了加载范围，缩短了校准时间，降低了系统造价^{[19-20, 38]}。

兰利在其自动天平校准系统的研制过程中发现，虽然全自动校准系统大大缩短了校准时间，但在校准质量上尚不能与手动砝码加载系统相匹敌，最佳的校准方式是将手动校准和全自动校准相结合。为此兰利将MDOE方法引入到手动校准中，创造性地研制出一种单矢量天平校准系统(SVS)(见图 12)，该系统集成了一种独特的单矢量载荷应用程序装置，用单一矢量完成六分量天平校准。与原有的天平校准系统相比，整套校准系统包含的机械组件较少，因此系统误差源较少，在显著缩减校准时间和成本的同时也提高了校准质量。同时该系统集成了一个温度调节系统，具有额外的环境校准能力^[39-41]。

图  12  NASA的单矢量天平校准系统^[40]

Fig.  12  Single-vector balance calibration system of NASA^[40]

下载: 全尺寸图片 幻灯片

3   未来的发展方向

通过数十年的潜心研究与不断探索，当前国外低温天平技术已基本成熟，能够满足大多数风洞试验的要求，关注的重点主要转向天平校准的质量、效率和费用，强调天平的稳定性、牢固性及其在特殊状态下的性能，未来可能存在的发展方向包括：

(1)简化天平测量环节，为天平(特别是低温天平)测量精准度的提升拓展空间。为此，TUD提出了“黑箱天平”理论，由天平制造商提供集成了天平信号调理、天平激励电源、天平校准矩阵、数据处理程序等功能的标准化智能天平，通过计算机的自动控制，实现天平数据的“一站式”自动采集和处理^[19]，从而最大程度地减少中间环节误差。

(2)加强对低温天平材料的特性研究，为低温天平整体性能的实现奠定基础。通过分析评估铜铍合金、钛合金等新型材料在低温环境下的性能特点，为天平设计人员提供更为广阔的材料选取范围，根据不同的试验需求，对低温天平进行针对性地设计加工，实现低温天平各项性能的最优化^{[19, 21]}。

(3)在提升天平静态性能的基础上，加强对天平动态性能的监测评估。通过内置可自动记录天平动态历程的机械装置等方式，将有关疲劳与断裂分析的最新技术，应用到低温天平的实际应用过程中，探索天平在高动压和非定常气动载荷等作用下的动态性能，确保低温风洞的安全可靠运行^[42]。

(4)不断创新天平制造工艺，提高天平设计的灵活性和便捷性。将3D打印等新兴的机械加工手段，拓展应用于天平的制造加工中，在缩减天平制造时间和金钱成本的同时，更可为低温天平的结构设计创造更大的自由度^[43]。

(5)通过优化有限元分析方法、设计天平与模型新型的机械连接形式、改进天平自动校准装置、选用光纤应变片等多种技术手段，进一步优化天平的结构设计、减小天平尺寸、简化天平校准流程、提升天平校准精度，促进低温天平整体性能的提高^[44-47]。

4   结束语

作为一项复杂的系统性工程，低温天平技术的显著提升，需要对天平设计理念、结构设计、材料选取、制造方法、应变片粘贴方法、校准装置和校准算法等众多细节进行长期地探索研究和实践测试，最终使天平的整体性能达到运输机构型试验时重复性小于一个阻力单位的测量目标。在这方面，国外的相关研究机构已开展了广泛研究，取得了大量的研究成果和宝贵经验，这对于我国尚处于起步阶段的低温天平研制工作而言，具有十分重要的参考借鉴价值。