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应用于激波风洞的半导体应变天平技术研究

黄军 邱华诚 刘施然 赵荣娟 吕治国 杨彦广

黄军, 邱华诚, 刘施然, 等. 应用于激波风洞的半导体应变天平技术研究[J]. 实验流体力学, 2020, 34(6): 79-85. doi: 10.11729/syltlx20190122
引用本文: 黄军, 邱华诚, 刘施然, 等. 应用于激波风洞的半导体应变天平技术研究[J]. 实验流体力学, 2020, 34(6): 79-85. doi: 10.11729/syltlx20190122
HUANG Jun, QIU Huacheng, LIU Shiran, et al. Research on semiconductor strain gage balance technology applied in shock tunnel[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2020, 34(6): 79-85. doi: 10.11729/syltlx20190122
Citation: HUANG Jun, QIU Huacheng, LIU Shiran, et al. Research on semiconductor strain gage balance technology applied in shock tunnel[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2020, 34(6): 79-85. doi: 10.11729/syltlx20190122

应用于激波风洞的半导体应变天平技术研究

doi: 10.11729/syltlx20190122
基金项目: 

中国空气动力研究与发展中心风雷青年创新基金 KT-FLJJ-2019-016

详细信息
    作者简介:

    黄军(1989-), 男, 重庆万州人, 硕士, 助理工程师。研究方向:高超声速气动力试验技术研究。通信地址:绵阳二环路南段6号15信箱01分箱(621000)。E-mail:hjun_89@163.com

    通讯作者:

    杨彦广  E-mail: ynagyanguangA@cardc.cn

  • 中图分类号: V211.71

Research on semiconductor strain gage balance technology applied in shock tunnel

  • 摘要: 对于有效试验时间仅有十至几十毫秒的激波风洞,常规应变天平和压电天平无法满足高精度气动力测量要求。半导体应变计的应变灵敏度远大于常用的金属电阻应变计,但其温度系数比金属电阻应变计高出2个数量级。针对此问题,设计了温度自补偿的半导体应变计并应用于等强度梁试验,结果表明:温度自补偿能够有效改善半导体应变计的温度效应,可将温度漂移降低至0.2% FS。在此基础上,设计了一杆高频响六分量半导体应变天平,通过天平、支杆一体化等设计,将测力试验系统的一阶固有频率提升至100 Hz以上。天平静态校准结果表明:该天平的综合加载误差达到国军标合格指标,综合加载重复性达到国军标先进指标。激波风洞B-2标模测力验证试验结果表明:在有效试验时间内,该天平可获得一个周期以上的输出信号,风洞试验结果与气动手册参考值、CFD计算值吻合较好。
  • 图  1  常规半导体应变计加工工艺

    Figure  1.  Fabrication process of traditional semiconductor strain gage

    图  2  全桥半导体应变计结构

    Figure  2.  Example of full bridge type semiconductor strain gage

    图  3  测试装置

    Figure  3.  Measurement setup for test

    图  4  应变计输出与应变的关系

    Figure  4.  Response of strain gages under applied strain

    图  5  半导体应变计输出

    Figure  5.  Semiconductor strain gage output

    图  6  全桥半导体应变计输出

    Figure  6.  Full bridge type semiconductor strain gage output

    图  7  温度补偿原理图

    Figure  7.  Schematic diagram of temperature compensation

    图  8  温度补偿后的输出

    Figure  8.  Semiconductor strain gage output after temperature compensation

    图  9  半导体应变计加载输出

    Figure  9.  Response of semiconductor strain gage under applied forces

    图  10  天平结构

    Figure  10.  The structure of balance

    图  11  模态分析

    Figure  11.  Modal analysis

    图  12  FD-14激波风洞

    Figure  12.  FD-14 shock tunnel

    图  13  试验装置

    Figure  13.  System for test

    图  14  天平输出信号

    Figure  14.  Voltage signals of balance

    图  15  法向信号的频谱分析

    Figure  15.  Spectral analysis of normal signals

    图  16  试验结果对比(Ma≈10)

    Figure  16.  Comparison of the test results at Ma≈10

    表  1  应变计主要性能对比

    Table  1.   Characteristics of different strain gages

    应变计类型 金属电阻应变计 常规半导体应变计
    应变灵敏度系数 1.8~2.2 80~210
    电阻温度系数/(℃-1) 2.0×10-5 (70~700)×10-5
    温度范围/℃ -270~650 -30~150
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    表  2  天平设计载荷与设计应变

    Table  2.   The range and strain design of balance

    天平分量 轴向力分量A 法向力分量N 侧向力分量C 滚转力矩分量L 偏航力矩分量Nb 俯仰力矩分量M
    设计载荷/(N;N·m) 30 200 40 2 5 15
    设计应变/με 10~50 10~50 10~50 10~50 10~50 10~50
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    表  3  试验系统前六阶固有频率

    Table  3.   The first six mode frequencies of system

    模态 一阶 二阶 三阶 四阶 五阶 六阶
    频率/Hz 100 119 200 308 407 558
    振型 侧向 法向 侧向 法向 滚转 侧向
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    表  4  天平多元校准结果

    Table  4.   The results of multi-component calibration

    天平分量 轴向力分量A 法向力分量N 侧向力分量C 滚转力矩分量L 偏航力矩分量Nb 俯仰力矩分量M
    综合加载重复性/(% FS) 0.08 0.04 0.05 0.04 0.02 0.03
    综合加载误差/(% FS) 0.15 0.22 0.34 0.48 0.16 0.04
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    表  5  试验流场参数表

    Table  5.   Parameters of flow field

    流场参数 数值 单位
    来流马赫数Ma 10.5
    自由流动压q 13 747 Pa
    自由流单位雷诺数Re/L 5.97×106 m-1
    自由流静压p 174.56 Pa
    自由流静温T 46.73 K
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    表  6  试验结果重复性精度

    Table  6.   The repeatability accuracy of results

    天平分量 轴向力分量A 法向力分量N 俯仰力矩分量M 纵向压心系数Xcp
    半导体应变天平/% 0.92 0.88 0.85 0.16
    压电天平/% 4.01 1.51 1.60 0.58
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-09-27
  • 修回日期:  2019-12-27
  • 刊出日期:  2020-12-25

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    《实验流体力学》编辑部

    2021年8月13日