一种低速风洞内的超声精确测距系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及低速风洞试验领域，尤其是涉及一种低速风洞内的超声精确测距系 统。
【背景技术】
[0002] 低速风洞由洞体、模型支撑系统、数据测量处理系统和动力系统等组成，而模型位 置和姿态的测量是模型支撑系统和数据测量处理系统的主要组成部分，其精准度是保证风 洞试验数据准确性的重要环节。目前常用的模型位置和姿态测量方法包括间接测量和非接 触直接测量等，而空间距离的准确测量作为低速风洞试验模型位置和姿态测量的基础，其 测量的精准度对模型位置和姿态的测量精度至关重要。
[0003] 超声波是一种机械波，超声波又称超声，属于声波，是指频率高于20kHz的声波。 目前，超声在气体和流体中的传播理论比较成熟，应用主要包括检测超声、功率超声和医学 超声等。其中超声检测是利用超声的传播和信息载体特性，通过一定的手段提取出反映媒 质内部结构或者媒质本身特性的信息，达到检测内部结构或结构缺陷、测量物体几何尺寸 和媒质物理性能参数的目的。如超声探伤、超声测厚、超声测物位、超声测距等。超声测距 是通过测量超声波在媒质中某一空间传播的时间和该媒质中的声速来确定被测空间距离 的一种超声检测技术。超声测距方法包括相位检测法、声波幅值检测法和渡越时间法等，目 前超声测距一般使用渡越时间法。渡越时间法又包括直接测量法和反射测量法。这些测量 方法在使用过程中，一般都将声速作为常量处理。但实际上，声速会随着传播介质的密度、 温度、压力和湿度等条件的变化发生一定的变化，这样就会由于声速的变化导致测量结果 的误差，从而降低测量精度。另外由于在低速风洞中作为传播介质的空气有一定流速，声波 传播过程中的多普勒效应会对超声测距结果带来误差。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种低速风洞内的超声精确测距系统，避免低速风洞内气流 速度、密度、温度、压力和湿度等对超声测距的影响。
[0005] 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0006] -种低速风洞内的超声精确测距系统，包括控制器和五只超声传感器仇、B2、S、 Bp P,)，其中两只超声传感器（Bp B2)固定设置在风洞内壁上，另外一只超声传感器（S)为 移动端设置在风洞内，超声传感器（B^P,)各自固定设置在两个被测物体上，所述被测物体 置于风洞内，所述五只超声传感器均为收发一体式传感器，所述五只超声传感器的信号输 出端各自连接到控制器；
[0007] 所述系统采用测距方法由差距法和双向探测法两部分组成，如下：
[0008] 差距法，用于测得两只固定设置在风洞内壁上的超声传感器（BK B2)之间的距离 d，具体方法为：控制器采集超声波从超声传感器（S)发射到超声传感器（B1)的接收时长为 L，控制器采集超声波从超声传感器（B1)发射到超声传感器（S)的接收时长为t/ ;移动超 声传感器（S)距离d2，然后由控制器采集超声波从超声传感器（S)发射超声波到超声传感 器（B1)的接收时长为t2，制器采集超声波从超声传感器（B1)发射到超声传感器（S)的接收 时长为V ;控制器采集超声波从超声传感器（B2)发射到超声传感器（B1)的接收时长为 t，控制器采集超声波从超声传感器（B1)发射到超声传感器（B2)的接收时长为t';通过计 算可得到：
[0010] 实时声速C为：
[0012] 双向探测法，用于非接触精确测量低速风洞内两物体间的距离，具体方法为：设置 在被测物体上的超声传感器（B^Pj)相互发射超声波，控制器采集超声波由B1发射到P #妾 收的时长为，超声波由Pj发射到B i接收的时长为t jl2超声传感器B i和传感器P j间的距 离记为dp通过计算可得到：
[0014] 在上述技术方案中，所述超声传感器（S)移动距离(12是沿超声传感器（B i)和超声 传感器（S)连线的延长线上的直线移动距离。
[0015] 在上述技术方案中，所述超声传感器（B1)、超声传感器（S)和移动后的超声传感器 (S)在同一直线上。
[0016] 在上述技术方案中，所述每两个超声传感器之间的测量需分时测量，即不能同时 测量。
[0017] 在上述技术方案中，所述超声传感器发出的超声波具有一定宽度的等幅余弦波。
[0018] 在上述技术方案中，所述超声测距时超声波传播时长采样的周期为风洞低频脉动 的整周期。
[0019] 在上述技术方案中，超声测距时超声波传播时长采样的频率为工频的整数倍。
[0020] 综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
[0021] 声速容易受到环境条件如密度、温度、压力和湿度等的影响发生变化，而一般情况 下声速作为常量处理，这会引起相应的误差。本发明中，通过采用差距法实现低速风洞内声 速的实时测量，避免了将声速作为常数处理引起的误差；
[0022] 本发明中，利用双向探测法获得低速风洞内两物体的空间距离，避免了低速风洞 内空气流速（会产生多普勒效应）等对测距结果的影响，提高了测量的精度；
[0023] 本发明中，采用了非接触测量手段，避免了测量仪器对低速风洞内流场和试验环 境的影响，对提高试验效率和数据的准确性有益处。
【附图说明】
[0024] 本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
[0025] 图1是差距法原理图；
[0026] 图2是双向探测法原理图。
【具体实施方式】
[0027] 本发明由两部分内容组成：一是采用差距法获得低速风洞内的实时声速；二是利 用测量到的实时声速，采用双向探测法获得低速风洞内待测的两物体间的精确空间距离。 为了实现这两部分功能，需要在风洞内设置五只超声传感器（Bp B2、S、P,)，其中两只超 声传感器（BJ2)固定安装在低速风洞的内壁面上，另外一只超声传感器⑶为移动端设置 在风洞内可以在风洞内移动，超声传感器（B^P,)各自固定设置在两个被测物体上，所述被 测物体置于风洞内，两个被测物体之间存在一定距离，所述五只超声传感器均为收发一体 式传感器，本发明还包括一个控制器，控制器的作用是采集五只超声传感器相互之间超声 波传播的时长，因此控制器需要和超声传感器连接，并且控制器能通过采集到的数据进行 实时计算。
[0028] 在实际过程中，声速会随着介质的境况（如介质的密度、温度、压力和湿度等）发 生一定变化，如果将声速应用于测量，就应该实时获得当前条件下的声速。为了获得实时声 速，本文提出差距法。即对于风洞内当前环境下的声速c实时高精度测量问题，可采用差距 法获得，如图1所示，为差