1系统组成
车载试验平台主要包括电源系统、电机系统、测量系统、控制系统、载重汽车及台架等部分。
1.1电源系统电源系统采用柴油发电机+直流稳压电源供电方案。柴油机采用24V直流电启动；发电机额定功率75kW，备用功率82.5kW，额定电压400/230V，额定电流135A，额定频率50Hz，机组重量1280kg；稳压电源输出电压范围0~600V，输出电流范围0~225A。
1.2电机系统电机控制器选择伺服驱动器，适配电机容量30kW，额定电压380/400/415/440V，额定频率50/60Hz，允许电压波动-15%~+10%，允许频率波动±5%，最高输出转速3000r/min，速度控制精度±0.1%。
1.3测量系统测量系统包括测量风速和风向的风速风向仪，测量螺旋桨拉力和扭矩的传感器天平，以及数据采集处理系统。超声波风速风向仪，可采用RS-485通信方式与计算机连接，风速测量范围0~60m/s，分辨率0.01m/s，精度±0.2m/s。风向测量范围0°~360°，精度±1°，分辨率0.1°。如图3所示，用4个拉压传感器组成二分量天平。工作原理如下：螺旋桨拉力作用于天平，天平存在弯矩，作用在传感器上表现为2,4号传感器受压，1,3号传感器受拉；螺旋桨扭矩作用于天平，天平存在扭矩，作用在传感器上表现为2,3号传感器受压，1,4号传感器受拉。同时由于传感器天平的对称性，1号和3号受到的拉力或压力是大小相等的。定义：U11，U21，U31，U41为各个传感器受载荷时拉力相对变化量；U12，U22，U32，U42为各个传感器受载荷时扭矩相对变化量；R11，R21，R31，R41为各个传感器拉力校测系数；R12，R22，R32，R42为各个传感器扭矩校测系数，所以：F=（R11U11+R31U31-R41U41-R21U21）/（4×LF）M=（R12U12+R42U42-R22U22-R32U32）/（4×LM）式中，LF,LM分别为螺旋桨拉力和扭矩间接作用于天平的力臂修正系数。显然，LM=1，LF需要根据实际情况校准得到。通过严格的天平校准试验得到4个传感器的载荷与电压变化图及其对应的关系式，由此得到需要的传感器拉力校测系数和扭矩校测系数，从校准试验的结果看，传感器天平的线性度非常好。数据采集处理系统选用NI的cDAQ接口形式，型号选取NI9174，外加2块4通道，24位半桥/全桥模拟输入模块，型号NI9237。图4为车载试验系统组成原理图。柴油发电机组经过稳压电源向变频器供电，上位计算机通过变频器控制伺服电机工作并向其供电，随后电机经过止动片、法兰盘等连接机构驱动螺旋桨转动。超声波风速仪和天平数据采集系统由移动电源供电，并且也是由同一上位计算机测控软件控制和采集处理数据。整个车载实验系统布局实物图如图5所示。
2测控软件
传感器天平、超声波风速风向仪以及伺服电机的控制，通过美国国家仪器公司(NI)的高速数据采集卡及基于虚拟仪器(VI)技术的LABVIEW软件进行集成测控。同时，利用LABVIEW的数据转化和波形调理模块对采样数据进行滤波处理，以消除高频干扰，利用数学计算模块计算气动力和力矩等数据，利用LABVIEW数据保存功能生成MicrosoftExcel记录表，详细记录试验数据，包括记录时间、滤波前后电压信号、力和力矩、电机转速、风速仪采集的风速风向等。软件设计的难点在于电机、风速仪和天平采集三个硬件系统的集成。对于伺服电机和风速仪，利用LABVIEW的VISA模块，通过VISA配置串口、VISA写入、VISA读取和VISA关闭等基本函数，针对其特定的通信协议和指令格式编写相应程序，并使用RS485转USB接口实现控制信号和采集数据传输。对于天平采集系统，选用的是NI公司的USB总线数据采集卡，使用LABVIEW的DAQmx相关函数即可采集所需信号。按照硬件设计和实验要求，设计软件流程如图6所示。图7为车载试验台数据采集系统软件的使用界面。软件界面分为实验界面、数据记录、信号对比、参数设置共4个部分。在“实验界面”页面中，主要显示最终需要的各个数据，如气动力、气动力矩、风速风向、电机转速、电压信号等。主要的操作按钮也都集中在实验界面，如初始化清零、滤波频率、采样参数、电机转速、数据记录、数据存储等。“数据记录”页面用来显示最后记录的各项数据，便于现场分析监测。在“信号对比”页面中用来观察对比滤波和平滑操作后电压信号的变化情况，用于分析滤波平滑对数据的影响。在“参数设置”页面中用来设置实验过程中不能轻易改动的试验设置，如电机地址、变频器端口、风速仪端口、电机转向等设置。
3车载螺旋桨实验结果分析
为了验证车载试验测控系统的可行性，分别在西安地区（海拔高度0.5km）和青海地区（海拔高度3.6km）进行了桨径6.8m螺旋桨车载实验，图8为6.8m螺旋桨拉力数据车载实验与CFD数值模拟数据对比结果。从图中可以看出，实验数据与CFD数值模拟数据趋势一致，数值吻合的较好，平均相对误差不超过6%。
4结束语
本文针对高空螺旋桨实验的特殊性提出了全新的实验设计思路，采用可移动的车载试验平台方式测量计算高空螺旋桨的推进效率，从实验数据可以看出车载试验系统的方案是具有很高的参考性。下一步的试验计划是进行高海拔高空螺旋桨的相关车载试验，进而为飞艇推进系统及高空螺旋桨设计提供合理的实验依据。车载实验的思路不仅可以用于高空螺旋桨的试验，对于没有风洞试验平台支持或者风洞试验不适用的实验模型，均可以采用本文方法指导设计，例如风力发电机的流场特性和输出效率等相关试验。
作者：龚喜盈 张玉刚 宋笔锋 李育斌 焦俊 单位：西安爱生技术集团公司 西北工业大学
