基于labview的虚拟风洞天平设计

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1、万方数据基于LabVIEW的虚拟风洞天平设计口王宁(东南大学软件学院江苏·南京210096)摘要：为提高风洞测力实验的精度与准度，开发了基于LabVIEW和Nl—DAQmx的虚拟风洞天平系统。本系统能够采集受力的数据，对数据进行分析并显示在计算机屏幕上，并能够完成天平标定和天平配置。本系统利用了计算机强大的软硬件资源，与传统风洞天平相比，具有成本低廉、可扩展性强、配置与校准方便、能够保存数据等优点。实际应用表明，该系统能精确测量物体在风洞中受到的力与力矩。关键词：风洞天平LabVIEW虚拟仪器数据采集DAQmx中图分类号：TP39文献标识码：A文章编号：1007．3973(2010)0

2、3-072·02风洞是进行空气动力学研究的最基本实验设备，测力实验是风洞实验中最基本的实验项目。风洞天平是测力实验中最重要的测量装置，用于测量作用在模型上的力与力矩的大小、方向与作用点。测力实验对风洞天平的技术要求很多，其中最重要的是要求天平具有高的精度与准度。风洞天平按工作原理可分为机械天平、应变天平、压电天平与磁悬挂天平。最早出现的风洞天平为机械天平，虽然机械天平能较好的将作用在模型上的空气动力载荷进行分解，而且测量准度高，但由于天平结构复杂，制造费用大，从20世纪70年代开始，在低速风洞中逐渐被应变天平取代。应变天平是通过天平上的弹性元件表面的应变，用应变计组成的惠斯通电桥来测量

3、作用在模型上的空气动力载荷的装置。风洞天平按测量空气动力载荷分量的数目可分为单分量天平与多分量天平，一般使用六分量天平，即测量模型受到的升力、阻力、测力与俯仰力矩、偏航力矩、滚转力矩。本课题设计的是虚拟六分量应变天平。然而，传统的风洞天平越来越不能满足测控的要求，主要原因有：(1)传统风洞天平的功能由厂家定义，用户不能对其进行修改；(2)传统的风洞天平缺乏计算机接口，不能保存测量结果，不能与其它仪器通信；(3)开发维护费用高。鉴于以上原因，美国国家仪器公司(NationalInstruments)提出了“软件即仪器”的概念，将仪器装入计算机中，即由软件实现仪器的测量和数据分析功能，并由

4、软件界面模拟仪器界面，而硬件只负责数据的输入和输出。从而引起仪器技术的重大变革。作者使用NI公司的LabVIEW8．5和采集卡驱动程序NI—DAQmx开发了一套虚拟风洞天平系统。该系统的功能主要由软件实现。由硬件将采集到的数据传输到计算机，由软件对数据进行分析处理，并显示在监视器中，并可以将测量结果保存在计算机存储器中。lLabVIEW与DAQmx概述LabVIEW(1aboratoryvirtualinstrumentengineeringWOF-kbeneh)是美国国家仪器公司开发的虚拟仪器编程工具。与传统编程语言不同的是，LabVIEW是图形化编程语言，它由前面板和程序框图组成。

5、前面板用于显示软件的用户界面，前面板的控件与传统仪器的部件极为相似，能提供友好的用户界面。后面板则是软件功能的实现部分，它提供了功能强大的库函数，程序设计时就像绘制电路图一样，把控件与函数节点用连线连接起来。LabVIEW在1983年4月研制成功，至今已推出多个不同版本，本系统采用8．5版本。在使用LabVIEW进行数据采集之前，需要安装数据采集卡的驱动程序。驱动程序分为传统的NI-DAQ和新推出的Nl—DAQmx。DAQmx是一种全新的体系结构，它具有多线程驱动、高可靠性、智能同步和多态性等优点，大大降低了虚拟仪器的开发难度。2系统整体结构虚拟风洞天平系统由硬件和软件组成，其中软件是

6、关键部分。应变元件放置在风洞中，承受风洞的空气动力载荷。应变计将天平元件受到的力转化为电信号，并传送到数据采集卡。数据采集卡将模拟电信号转化为数字信号，传输给软件进行处理。系统整体结构如图1所示。力信号援扭电信号数字信号图i3系统硬件组成在风洞测力实验中，应变天平承受作用在模型上的空气动力载荷，天平元件在空气动力作用载荷作用下产生变形，其应变与外力大小成正比。粘贴在天平元件表面的应变计也同时产生变形，使其电阻值发生变化，产生增量。这个电阻增量由应变计组成的惠斯通全桥测量电路把它转换成电压增量，该电压增量值与应变天平所承受的空气动力载荷值成正比。应变天平通过不同结构形式的测量元件，力求使

7、它们在空气动力载荷的作用下，对各自欲测分量的载荷敏感，产生相对明显的变形，而对其它分量的载荷不敏感，不产生或产生尽量小的变形，实现结构上对力与力矩的机械分解。再通过应变计的粘贴位置与全桥测量电路的设置，使其它分量的载荷所产生的应变不改变电桥的平衡状态，实现力与力矩的分解。应变计将产生的模拟电压信号传输到数据采集卡。一个典型的数据采集卡的功能有模拟输入、模拟输出、数字I／O、计数器／定时器操作等。虚拟仪器的数据采集卡分为GPIB，VXI，PXI与