五孔探针校准与测量系统

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1、文章编号：012070五孔探针校准与测量系统的研究*Studyontheauto-calibrationandmeasurementsystemoffive-holeprobe宫武旗张晓红/西安交通大学能动学院刘丛丛/莱茵技术上海有限公司摘要：研制的五孔探针自动校准与测量系统，由于采用高精度的涡轮蜗杆机构，由精密的步进电机控制其运动，有利于高效的实现高精度的流场测量。系统软件研发中充分考虑了探针对中等问题，确保了测量精度。系统稳定性好，测试效率高。试验人员可以远程操作，摆脱了现场高噪声的恶劣环境困扰。系统气流角误差为0.5°

2、，总压误差为2%，静压误差为0.08%，速度误差为1.6%，精度高，可以应用于各种风机、透平压缩机、涡轮机和泵等流体机械设备的气动试验研究之中。关键词：五孔探针；自动校准；探针旋转机构；计算机控制Abstract:Thepaperdevelopedanauto-calibrationandmeasurementsystemoffive-holeprobe.Itadoptshighaccuracywormgearandsteppermotor,cangethighmeasurementaccuracyandefficien

3、cy.Insoftwaredevelopmentofthesystem,manymeasurementdetailsareconsideredtoimprovetheusageandaccuracy,suchasprobealignmentandsoon.Thesystemcanberemote-operated,effectivelyhelptheexperimenterspreventfromnoisenuisanceinfield.Througharealtest,itwasverifiedthattheflowangl

4、eerrorinmeasurementisintherangeofo0.5,thevelocityerrorisin1.6%.Thedevelopedsystemcanbeusedtomeasurevariousflowfieldsinfan,turbo-compressorandpump.Keywords:Five-holeprobe;Auto-calibration;Probemotionmechanism;Accuracy0引言五孔探针结构简单，工作可靠，制作成本低廉，可以较好地完成流体流动三维速度场[1-5]的测量

5、，因而被广泛应用于流体机械的产品研发之中。但五孔探针的校准与测量工作非常繁琐，特别是对高马赫数流动问题的研究，需要同一探针在一组不同马赫数下分别进行*基金项目:国家自然科学基金资助项目(No.50676072)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目1[6,7]方向和速度特性的校准，校准与测量的工作量很大。校准风洞运行噪声大，环境恶劣，测试人员劳动强度大，工作效率低。校准风洞功率消耗也很大，耗电量大。[8]为此，需要开发高效的五孔探针自动校准与测量系统。其特点是，通过计算机远程控制操作的方式，高效的完成五孔探针的校准与测量工作

6、。达到高精度，高效率，工作环境友好，并节约能源的目标。1五孔探针测速原理五孔球形探针的结构及各孔定义如图1所示，其中1、2和3孔构成的平面定义为俯仰平面，2、4和5孔构成的平面定义为偏斜平面，这两平面相互垂直。各侧孔轴线与中心孔轴线间的夹角相同，一般取为45°。每个孔分别通过探针体内的引压管与外部的压力传感器相连，由传感器测量各孔压力p，p，p，p和p。12345五孔球形探针的方向特性和确定，为来流方向与俯仰平面的夹角，称为俯仰角；为来流方向与偏斜平面的夹角，称为偏斜角。校准时，在已知来流速度下，分别在一组和角下测

7、得对应的俯仰角系数C，偏斜角系数C，总压系数C和静压系数C。各ppptps系数的定义如下pp13C(1)ppp2pp45(2)Cppp2pp2t(3)Cptpp2pps(4)Cpspp21其中：p()pppp。气流总压pt和气流静压ps由校准风洞参数提供。把上述413454个系数绘制成曲线图就是五孔探针的校准曲线。测量时，将五孔探针的实测值应用校准曲[8,9]线进行插值，就可以得到总压、静压、速度大小和方向。对于高马赫数或可压缩流动，同时需要测量五孔探针处的总温，然后进一步结合公式[4,

8、10]（5）~（8）就可以得到五孔探针的测量结果。2图1五孔探针及速度矢量分解图1122P马赫数大小t(5)Ma11PsTtTs静温12(6)1Ma2声速aZRT(7)s速度大小vaMa