热式风速仪探头制备及控制电路设计研究

发布时间：2017-08-04 11:41

  本文关键词：热式风速仪探头制备及控制电路设计研究

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【摘要】：热式风速仪是一种基于热平衡原理测量流体流速、温度、密度等参数的仪器。目前热式风速仪多采用恒温工作模式,其测速范围一般在300m/s以内,无法满足高超声速下的流场测量要求。本文开展热式风速仪探头制备及控制电路设计研究,旨在为自主研制面向高超声速流场测量的高性能热式风速仪奠定基础。首先设计并制备了热式风速仪的热线、热膜传感器及探头系统,并对其进行试验分析。结果表明,所制备的传感器在具备通电发热的同时其阻值对流场风速敏感,可以满足热式风速仪的使用要求。设计并制备了恒温式、恒压式热式风速仪探头控制电路。针对恒温式测量系统对过热比电阻温度敏感的问题,设计了过热比电阻温度控制系统;通过对惠斯通桥路、热线及反馈回路参数的计算分析,提出过热比、偏置电压和增益的具体调节方法,从而避免因测量范围和测量精度调整不当而进入不稳定工作区。针对恒压式测量系统,设计了时间常数的原位测量电路以及T型桥补偿网络,以提高系统的测量带宽。利用Labview及Personal Daq 3000模块开发了热式风速仪测量系统的数据采集及控制软件。该软件主要包括数据采集、恒温式热式风速仪增益及工作状态切换、热线及热膜参数测量、偏置电压求取及给定、过热比电阻温度控制等模块,能满足恒温式、恒压式热式风速仪的测量试验要求。开展了热式风速仪测量系统的标定试验研究。试验结果表明:所制备的恒温式、恒压式热式风速仪在40~200m/s的流速范围内,测量误差均小于3%。恒温式热式风速仪可通过调整增益及过热比的方法满足大范围或高精度的不同测量要求;通过提高恒压式热式风速仪传感器功率,其测量范围可拓展到300m/s。
【关键词】：风速仪 恒温式 恒压式 热线 热膜 探头控制电路
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH81
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-13
• 注释表13-14
• 缩略词14-15
• 第一章 绪论15-24
• 1.1 研究背景与意义15-17
• 1.2 国内外研究现状17-22
• 1.2.1 热式风速仪工作原理的研究及发展17-19
• 1.2.2 热式风速仪探头系统研究19-21
• 1.2.3 热式风速仪测量系统研究21-22
• 1.3 论文内容及结构安排22-24
• 第二章 热式风速仪探头系统制备24-38
• 2.1 热线传感器制备24-26
• 2.2 热膜传感器制备26-29
• 2.2.1 真空蒸发镀膜原理27-28
• 2.2.2 石英纤维热膜制备28-29
• 2.2.3 石英棒端面热膜制备29
• 2.3 探头及支架制备29-35
• 2.3.1 平直型探头制备30-32
• 2.3.2 热线及石英纤维热膜探头支架制备32-34
• 2.3.3 石英棒探头制备34-35
• 2.4 探头系统初步测试35-37
• 2.4.1 常温阻值35-36
• 2.4.2 电压敏感性测试36-37
• 2.4.3 流速敏感性测试37
• 2.5 本章小结37-38
• 第三章 恒温式热式风速仪探头控制电路设计38-68
• 3.1 恒温式热式风速仪探头控制电路基本工作原理38-40
• 3.2 探头及恒温式探头控制电路特性分析40-43
• 3.3 传感器加热电流与流场速度关系计算43-46
• 3.3.1 传感器与流场平衡时传感器加热电流计算43
• 3.3.2 CTA测量系统平衡时传感器加热电流计算43-46
• 3.4 过热比、增益及桥路比的优化配置46-52
• 3.4.1 失效机理分析46-47
• 3.4.2 失效机理的理论分析47-51
• 3.4.3 试验验证51-52
• 3.5 恒温式风速仪探头控制电路设计及参数配置52-60
• 3.5.1 Multisim与LabVIEW简介52-53
• 3.5.2 恒温探头控制电路仿真模型搭建53-56
• 3.5.3 恒温式热式风速仪电路参数配置56-58
• 3.5.4 恒温式热式风速仪电路设计58-60
• 3.6 过热比电阻温度控制60-67
• 3.6.1 过热比电阻温度影响曲线60-61
• 3.6.2 理论计算61-62
• 3.6.3 仿真分析62-63
• 3.6.4 温控系统设计63-64
• 3.6.5 试验验证64-67
• 3.7 本章小结67-68
• 第四章 恒压式热式风速仪探头控制电路设计68-82
• 4.1 恒压式热式风速仪探头控制电路工作原理68-69
• 4.2 探头及恒压式探头控制电路特性分析69-71
• 4.2.1 恒压式探头控制控制电路特性69-70
• 4.2.2 CVA测量系统平衡时传感器加热电流计算70-71
• 4.3 恒压式热式风速仪探头控制电路设计及参数配置71-73
• 4.4 传感器时间常数原位测量73-76
• 4.5 T型桥补偿网络设计及CVA带宽分析76-80
• 4.5.1 T型桥补偿网络设计76-78
• 4.5.2 补偿后带宽分析78-80
• 4.6 恒压式热式风速仪探头控制电路实物80-81
• 4.7 本章小结81-82
• 第五章 热式风速仪采集及控制软件设计82-90
• 5.1 信号采集与控制软件总体结构82-83
• 5.2 热式风速仪数据采集模块83-85
• 5.3 恒温式热式风速仪增益及工作状态切换模块85-86
• 5.4 传感器参数测量、偏置电压求取及给定模块86-89
• 5.5 数据保存、回放及处理模块89
• 5.6 本章小结89-90
• 第六章 热式风速仪标定试验与分析90-120
• 6.1 风速标定系统搭建90-95
• 6.1.1 气路系统搭建90-93
• 6.1.2 热线风速仪标定测试系统93-94
• 6.1.3 喷嘴流场特性测试及分析94-95
• 6.2 热式风速仪标定步骤及试验项目设计95-96
• 6.2.1 恒温式热式风速仪试验设计95
• 6.2.2 恒压式热式风速仪试验设计95-96
• 6.3 热式风速仪测量系统动态标定96-99
• 6.3.1 恒温式、恒压式热式风速仪动态标定中的滞后现象96-98
• 6.3.2 滞后原因分析98-99
• 6.4 恒温式热式风速仪稳态标定试验99-107
• 6.4.1 CTA测量系统增益重复性试验99-100
• 6.4.2 CTA测量系统标定试验及拟合分析100-107
• 6.5 恒压式热式风速仪标定试验107-110
• 6.5.1 恒压式热式风速仪输出电压偏置放大及测量范围研究107-108
• 6.5.2 CVA标定试验及拟合分析108-110
• 6.6 全范围Sigmoidal函数拟合及验证110-119
• 6.6.1 CTA Sigmoidal函数全范围拟合111-116
• 6.6.2 CVA Sigmoidal函数全范围拟合116-119
• 6.7 恒温/恒压式热式风速仪测量结果的对比分析119
• 6.8 本章小结119-120
• 第七章 总结与展望120-124
• 7.1 总结120-121
• 7.2 展望121-124
• 参考文献124-127
• 致谢127-128
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文128

【参考文献】

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本文编号：619389