跨音速动态风洞

解决方案-跨音速动态风洞

位于美国弗吉尼亚州汉普顿市美国宇航局（NASA）兰利研究中心的跨音速动态风洞是一座用于研究固定翼和旋转翼飞机的气动弹性力学的连续式跨音速风洞。跨音速动态风洞的测试区域截面积约为1.5平方米，长约2.5米。跨音速动态风洞被广泛运用于各种试验，包括推进系统测试、自由飞试验、颤振试验、抖振试验、空气声学试验，以及需要振颤抑制等实时主动控制的试验。自1960年以来，几乎所有美国建造的运载工具、高性能军用飞机和商业运输飞机都在跨音速动态风洞进行了测试。

跨音速动态风洞的测试需要进行256个通道静态和动态信号的实时采集和显示，要求同步进行数据的采集、显示、存储、分析，并传输数据给实时控制系统进行模型控制。该系统采用应变计、硅膜压力传感器、压阻式加速度计、热膜风速计等多种传感器来测量模型响应，并在需要时采用执行机构对模型进行控制。

传感器数据的时间相关性往往对研究模型动态响应至关重要，特别是在需要计算两个传感器数据相干特性的情况下。即使在不同的程控增益下，测量系统也必须有出色的通道匹配性能，以避免在相干分析中引入误差。在跨音速动态风洞进行的测试种类众多，涵盖从稳态流体测量到高速瞬态的颤振、抖振、空气声学测量模式。测量系统的传递函数必须同时满足瞬态和稳态测试要求。

对于一套具有256个传感器的测试系统，在每次测试前，必须要能够自动验证测量系统的性能，最好还能检查传感器和电缆的健康状态。长时间测试时，最好能连续监视传感器的激励电压或电流、传感器电阻来验证传感器的健康状态。此外，全自动、可溯源的年度校准系统也是必不可少的。

解决方案：

为了比较各个信号调理系统供应商，美国宇航局购买了多套小型系统进行试用评估，并对硬件进行一系列严格的认证测试。测试包括直流和交流增益精度、直流激励精度、直流稳定性、宽带和频谱噪声、全带宽/滤波频响、瞬态响应、通带平坦度、幅度、相位匹配。

美国宇航局最终选取了PFI28000信号调理系统对安装在测试模型上的256个传感器进行模拟信号调理。此系统采用PFI28124四通道传感器调理插卡，共有256通道，安装在42英寸高的机柜中，28124插卡的输出连接到NI的PXI数据采集系统。传感器和数据采集系统的连接布线通过28000的背板完成。在不断开输出电缆的情况下，28124插卡可在28000机箱中灵活插拔。

28124插卡为美国宇航局使用的多种传感器的信号调理提供了高性能、高密度、完全程控的通用解决方案。28124插卡为桥路式传感器提供恒压激励，为各种可变电阻传感器（如动应变计或RTD电阻温度计）提供PFI独创的2线/4线制（开尔文电桥）恒流激励。每通道提供了三路独立带缓冲的输出：一路输出连接到PXI数据采集系统，另一路输出被工程师用来进行实时分析和模型控制，第三路输出连接到测试客户提供的数据采集系统，来记录重要的风洞参数和通道信息。在驱动接地单端负载时，插卡支持以地为参考的输出，避免引入地回路现象。输出可以独立程控加以滤波，也可旁路滤波器使用全带宽。

PFI平坦/脉冲(FLAT/PULSE) 滤波技术允许用户程控设置滤波器的频响特性。在做瞬态测试或时域波形比较重要的测试，采用脉冲模式滤波。脉冲模式具有出色线性相位响应特性，这是时域波形再现以及低过冲、低抖动的瞬态响应所必需的。对于频域分析，采用平坦模式滤波将获得出色的传递函数平坦特性。

28124信号调理插卡的产品特色之一是：即使在各通道程控设置成不同增益的情况下也能拥有出色的幅度和相位匹配度。滤波器在整个通带内具有0.1dB幅度和1°相位的匹配度，截止频率从1Hz到100kHz可编程。

由于风洞测试成本昂贵，而且有些实验不能重复，采集数据的机会往往只有一次，美国宇航局需要高性能、高可靠性设备确保有效地采集数据。便捷的电缆、传感器健康状态监测功能使用户能够在第一时间发现问题，及时采取措施保全重要数据。

28000信号调理系统内置的测试硬件和软件允许用户轻松地进行一系列全自动的传感器和电缆健康状态检查。系统采用PFI独创的动态分路校准技术来验证传感器电阻以及电缆电容产生的频响衰减。

所有的测试和测量系统都需要定期校准。通常情况下，这意味着测试系统被拆解，插卡被拔出，并运到内部校准实验室或运回原厂。这个过程需要30天的停机时间。美国宇航局严格的测试进度不能允许每年1个月的停机时间，因此需要自动现场校准。PFI系统内置的测试硬件和软件允许用户在现场执行NIST可溯源的校准测试，无需从机柜中移出系统。为了满足更严格的校准要求，PFI的ACLASS认可的校准实验室可应客户需求为设备提供

ANSI/NCSL Z540-1-1994、ISO 17025:2005和ANSI/NCSL Z540.3-2006认证校准。

方案特点：

•针对风洞试验的256通道通用信号调理系统

•同一个放大器模块支持多种传感器信号

•提供对称恒压激励（零共模）或对称恒流激励

•全程控传感器桥路配置：1、2、4桥臂，120、350、1000欧姆桥

电阻：

•全程控恒流配置：2线/4线制（开尔文连接）

•无论增益如何设定，放大器都具有出色的幅度和相位匹配度

•程控低通滤波器，可选择平坦/脉冲（FLAT/PULSE）模式，适用于频域或时域分析

•程控低通滤波器截止频率范围：1Hz-100kHz

•程控交流/直流耦合

•每个通道具有三路缓冲输出，可独立程控设置滤波器；具有Ground Sense功能，驱动单端负载时，不会形成地回路

•高密度：256通道仅占用42英寸高的机柜空间

•传感器、电缆、信号调理器和数据采集器的自动验证

•独创AC Shunt Cal技术，用以评估包括传感器和电缆在内的系统交流响应

•全自动NIST可溯源的现场校准测试

•PFI的ACLASS认可校准实验室，可为所有设备提供ANSI/NCSL Z540-1-1994、ISO17025:2005和ANSI/NCSL Z540.3-2006认证校准