《空气动力学实验》实验A3‍‍‍

热线风速仪标定

目录

1 目的1

2 原理1

3   实验前准备3

4 实验过程4

5 实验数据5

附录A 安装FDTI驱动软件6

附录B安装串口调试助手8

附录C使用串口调试程序设定热线风速仪参数9

附录D 热线风速仪连线13

附录E 调节系统平衡方法14

附录F 系统频响（特征时间）确定15

附录G 热线标定16

附录 H 数据表格17

1 目的

学习使用热线风速仪原理、设定方法及标定方法

2 原理

热线风速仪在流体力学研究中被广泛使用的科学仪器。其测量原理是一个小型电加热元件置于暴露于流体介质中，仪器通过记录流经加热元件的电流来获得流速变化。根据电路设计思路不同，热线风速仪分为恒流式和恒温式两种。此次实验使用的热线风速仪为恒温式风速仪。实验使用的热线探头是一段直径为5微米的微小钨丝，长约1mm。探头被置于一个惠斯通电桥内，当风速变化引起的探头电阻出现微小变化后，电桥输出值的变化被放大并改变了流经探头的电流，进而抑制探头电阻变化。本项目采用的核心结构见下图所示。为了是电桥在高性能状态下稳定工作，整体电路将被分为核心模块（惠斯通电桥）、滤波模块、信后调制模块、方波测试模块等。几个模块与核心协同工作，保证热线在高频响状态下实现测量。

图   1 热线及热膜探头示意图

图   2 恒温热线风速仪原理图，图中Rw为探头

热线风速仪涉及的几个重要概念：

1冷态电阻Rw0

冷态电阻指的是探头在室温下使用万用表测量的电阻值，单位欧姆。

2过热比OR

过热比指的是探头的工作电阻与冷态电阻之比OR=Rw /Rw0, 通常在1.5到1.8之间。根据钨的温度电阻特性，探头的工作温度比室温高约110-180摄氏度。本次实验中，我们通过设定桥路中变阻器R3的值来设定探头的工作电阻，进而设定过热比：在桥路平衡的状态下，电桥内电阻应满足R2/R1=R3/Rw，所以

Rw=（R1/R2）R3.

因为航华CTA04风速仪的R2/R1=10 （该比例被称为电桥比）, 所以

Rw=R3/10.

因为Rw =OR * Rw0，所以 R3=（OR * Rw0）*10.

本次实验中，我们将直接命令热线风速仪改变overheat参数的值，该值即为R3的电阻值。

3平衡参数是电路中反馈平衡放大器的重要参数。它决定了反馈系统是否能在合理的状态下运行。在本次实验中，平衡参数balance是一个值为0到65536的没有单位的量。其值越大，反馈系统里面的阻尼越大。缺省值为37500。本次实验，我们将直接发送数值给balance参数。

4方波测试

方波测试是通过在电桥内施加小扰动，来观察系统响应情况，进而判断平衡参数是否合理的工具。 本次实验中，我们可分别使用square_wave_on 和square_wave_off来打开和关闭方波

5桥顶电压

桥顶（TOB）电压是电源加载在电桥上的电压。该电压与风速大小一一对应。如果桥顶电压低于0.4V（TOB Low），代表探头可能已经损坏。如果桥顶电压超过9V，代表系统已经溢出。

6信号后处理

某些情况下，桥顶电压输出可能会给采集带来挑战。我们可以考虑对桥顶电压进行调制。调制内容包括放大（gain）、偏置（offset）与低通滤波（filter）。当电桥输出信号微弱是，用户可将gain设为2-16；当桥顶电压超过5V时，一些数据采集设备不能正常采集。用户可以考虑设置正的offset值，范围为0-5，单位为V；另外，用户可以设置截止频率为1Hz-10kHz的低通滤波

3   实验前准备

1阅读恒温式热线风速仪原理

2电脑安装设备驱动程序（USB-串口转换驱动，也称FDTI芯片驱动），过程见附录A

3电脑安装设备调试助手，安装过程见附录B，如何使用见附录C

（以上两个软件均可从这个网站下载 http://www.hanghualab.com/nd.jsp?id=95&fromMid=468

在该页最下方。）

4按照说明书要求连接导线，连线方法见附录D，主要包括：

a电源线

bUSB-串口线，一端USB接电脑，另一端串口接风速仪后面板Port1

c探头线接Hotwire probe（CB02A，一段为2芯雷莫连接器，或称航空插头，另一端为2个迷你香蕉头）

dBNC数据线（CB01，两端均为BNC接头，一端接Output，另一端接数据采集设备，可为数据采集卡，或示波器，或万用表）

4 实验过程

1使用万用表测量探头冷态电阻Rw0（一定要注意，通过探头尾部迷你香蕉头测量电阻，切勿直接碰头顶部），下面我们以Rw0 = 6欧姆为例

2在实验装置上（风洞等）安装热线探头，并连接导线到A通道（具体操作见附录D）；

3打开风速仪电源

4运行串口调试程序

5设定过热比

Ø以过热比为1.5为例，R3=（OR * Rw0）*10=（1.5*6.0）*10=90欧姆

Ø通过串口调试程序写入 cta 1 overheat 90

Ø具体操作见附录C

6打开电桥

Ø通过串口调试程序写入 cta 1 bridge_on

Ø观察通道A指示灯是否正确：如果上面两个亮，正确；第三个亮，错误，探头可能损坏

Ø具体操作见附录C

7调节风洞流速至实验可能用到的最大流速；

8做方波测试，观察方波测试结果分析系统频响；

Ø串口调试程序写入cta 1 square_wave_on，具体方法见附录C

Ø使用示波器或数据采集卡观察输出信号，具体方法见附录E

Ø使用示波器采集信号，并估算系统频响，具体方法见附录F

Ø关闭方波，串口调试程序写入cta 1 square_wave_off

9将热线探头置于可改变风洞的实验台内（如图3所示），准备好毕托管等其他可以读取来流速度的仪器

10从低到高分十次提高风速，在每个风速条件下记录风洞实验段流速以及热线风速仪输出电压；

11利用四次曲线拟合风速和电压数据，形成标定曲线。，具体方法见附录G

12关闭电桥

Ø通过串口调试程序写入： cta 1 bridge_off

图   3 一个安放在航华CR04标定器上的HW1A热线探头

5 实验数据

环境温度 20摄氏度，探头电阻：4.7欧姆，过热比：1.5

数据点

E输出 Volts

ΔP压差, Pa

U速度 m/s

1

1.61

2.3

2.02

2

1.66

3.86

2.62

3

1.76

10.21

4.26

4

1.81

17.77

5.62

5

1.88

30.14

7.32

6

1.94

49.49

9.38

7

2.01

82.63

12.12

8

2.08

132.71

15.36

具体数据及计算方法见所附excel文件

附录A 安装FDTI驱动软件

http://www.hanghualab.com/nd.jsp?id=95&fromMid=468

下载后解压，并运行CDM v2.23.00 WHQL Certified.ext文件，您将依次看到如下提示，选择Extract, 确定， 运行程序，Extract, 下一页，我接受，下一页，完成

FTDI驱动程序安装好之后,接好USB-串口线，打开电脑的设备管理器可以看到热线风速仪主机对应的设备号COM3（该编号第一次设定后，不会再变）

附录B安装串口调试助手

串口调试助手是我们发送命令给热线风速仪的工具。http://www.hanghualab.com/nd.jsp?id=95&fromMid=468

下载后解压，并运行serial_port_utility_latest.exe

附录C使用串口调试程序设定热线风速仪参数

1安装串口调试助手后，将串口调试助手的通讯参数设为以下参数

串口号：选择串口信息对应的编号

波特率：57600，数据位：8，校验位：None，停止位：1，流控：None，接收设置：ASCII发送设置：ASCII；设置好后串口调试助手界面如图所示。

此时串口处于关闭状态，界面左下角红字显示COM3 CLOSED。实际的串口号可能是其他数字。

2打开串口（串口调试助手中的播放按键）

此时可以看到左下角串口打开的提示和相关的通讯参数设置信息。

3此时可以通过串口向热线风速仪发送命令来查询信息或设置参数。发送命令的方法是在串口调试助手的输入框内输入相关命令并点击发送。接收到的数据会在上面的接收数据框内显示出来。

命令分三种，格式分别如下：

Ø查询命令：cta [风速仪通道编号]，cta与编号之间使用空格隔开，风速仪收到命令后会立即通过串口回复所有参数。

其中通道编号为1-4的数字，返回的数据为当前通道风速仪的相关设置，具体含义如下图所示。图中为1通道信息查询的例子。

Ø打开或关闭桥路及方波的命令，风速仪收到命令后会立即回复所有参数。

cta [风速仪通道编号] bridge_on

cta [风速仪通道编号] bridge_off

以上命令用于风速仪桥路开关，cta与编号还有编号与bridge_off间均使用空格隔开，探头连线的连接及断开需要在桥路关闭的状态下进行，以防电流冲击对探头造成损坏。

cta [风速仪通道编号] square_wave_on

cta [风速仪通道编号] square_wave_off

以上命令用于控制方波测试的信号是否接入。

例子如下：

注意例子中，发送命令后，返回参数中的桥路状态有改变，已经按照命令更改为bridge on。

Ø修改参数的命令，风速仪收到命令后会立即回复所有参数并将修改过的参数保存起来，保存参数需要大概一秒钟的时间，参数保存好后会回复parameter saved。

cta [风速仪通道编号] [参数名称] [参数数值] （中间使用空格隔开）

具体参数如下表所示

参数名称

参数数值范围（均为整数）

overheat

0-1999，除以10为探头工作电阻，再除以探头冷态电阻结果为过热比overheat ratio。例：探头电阻为4.8欧，过热比设定为1.4，则overheat数值应为4.8*1.4*10=67。

balance

0-65535，一般在30000-40000

offset

0-65535，一般在20000左右

gain

1,2,4,8,16五档

filter

0-7，其中0为不使用低通滤波器，1对应10kHz，2对应5kHz，3对应1kHz，4对应500Hz，5对应100Hz，6对应10Hz，7对应1Hz。

square_wave_period

1-20000，单位为us，一般设置为2000，对应方波的频率为500Hz

例子如下，修改通道1的截止频率为10kHz。

注意如果参数有修改，热线系统会对参数进行修改和保存，多回复两行语句，分别为parameter saving和parameter saved。在回复参数时，有parameter saving和parameter saved中有大概一秒的时间用于参数保存。

4在热线风速仪面板上有相应通道工作状态的指示灯，在热线正常工作的过程中绿灯应该点亮，黄灯是滤波器工作状态指示，如果黄灯点亮说明滤波器在工作，三个红灯都应该不亮。如果红灯点亮表明相应的通道没有正常工作。

附录D 热线风速仪连线

实验采用航华CTA04-Edu热线风速仪系统。该系统由如下部分组成（各1台、支、条）

1CTA04Edu风速仪主机

2DAQ16数据采集仪（如果未采购此项，请使用其他数据采集仪、示波器或万用表读取热线输出电压）

3热线探头

4串口数据线

5CB02A探头连接线缆（一端微型香蕉插头，一端雷默插头）

6CB01数据线（两端都是BNC接头）

以上部分按下图连接。其中，主机背板通过串口数据线连接至USB端口；DAQ16数采连接至另一USB插口；主机正面连接探头及数采。

附录E 调节系统平衡方法

将风速调节至实际实验时使用的最大值，发送

cta 1 square_wave_on 命令打开方波测试，此时使用示波器或数据采集卡的观察功能观察输出波形，理想波形如下

以下波形为不理想波形

问题：电桥不平衡，不能使用。

问题：电桥不稳,须进一步调节。

问题：接近稳定，还有一些振荡，须进一步调节。

问题：电桥过稳，风速仪频率响应较低，须进一步调节。

如果波形与理想波形不一致，可以使用cta 1 balance [数值]命令进行调整（数值越大，系统约稳定），每次调整的幅度不要太大，以500为步进为宜，直至调整至理想波形。

调整结束后，发送square_wave_off命令关闭方波

附录F 系统频响（特征时间）确定

系统的特征响应时间可由方波测量结果确定。具体方法参考Lomas：特征时间τ是方波测试中峰值到峰值63%的时间，特征频率f=1/τ. 下图中特征时间τ为20微秒左右，特征频率则约为50kHz。

附录G 热线标定

系统的输出为±5范围内的模拟电压信号，需要经过标定以后才能得到与电压相对应的流动速度值。标定须将探头放置于一个已知流速的环境中，该环境还须具有较小的湍流度。一般来说，风洞实验段或者具有渐缩出口的射流是较好的标定环境。

标定过程中须将1维探头的钨丝垂直于来流放置，在风洞（或其他标定台，可人为改变速度）风机某个转速条件下采集热线输出信号，并使用一支毕托管配合一台压强传感器测量风速的时均值U。再对热线输出信号进行平均得到平均值E。具体步骤如下

a转动风机转速调至0；

b读取风速仪输出电压值，采样时间10秒以上，采样数量10000以上，求输出的平均值E1;

c读取毕托管测量的速度值U1；

d调节风机转动频率，待风速稳定以后重复b、c步骤，获得第二组电压E2和与之相对应的压差U2;

e逐步提高风机转动频率，测量十个以上不同压差对应的系统电压输出值；

f在EXCEL或者MATLAB等软件中，使用四阶多项式曲线拟合电压E和流速U的关系；

U= a4E4+ a3E3+ a2E2+ a1E+ a0;                                   

图G.1一个典型的标定曲线

附录 H 数据表格

环境温度：

探头电阻：

过热比：

编号

输出电压 V

ΔP压差Pa

来流速度m/s

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

环境温度：

探头电阻：

过热比：

编号

输出电压 V

ΔP压差Pa

来流速度m/s

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13