汽車尾流速度測(cè)量的虛擬儀器系統(tǒng)
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隨著高速公路的蓬勃發(fā)展，汽車車速不斷提高，汽車氣動(dòng)阻力對(duì)燃油消耗的影響日益凸現(xiàn)出來(lái)。氣動(dòng)阻力的85%是壓差阻力，同時(shí)壓差阻力91%來(lái)自汽車尾部（其值隨車身長(zhǎng)短不同而異）；而汽車尾流結(jié)構(gòu)對(duì)汽車空氣動(dòng)力特性具有決定性影響。為此，進(jìn)行汽車尾流速度測(cè)量，搞清尾流結(jié)構(gòu)進(jìn)而改善汽車空氣動(dòng)力特性對(duì)開發(fā)低阻力汽車，降低汽車燃油消耗有重要意義[1]。
在進(jìn)行尾流試驗(yàn)研究過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的測(cè)試儀器是功能固定且封裝好的，專用于某項(xiàng)具體試驗(yàn)或任務(wù)，且價(jià)格昂貴。開發(fā)測(cè)試系統(tǒng)時(shí)，對(duì)設(shè)計(jì)人員的要求非常高：要求掌握測(cè)試儀器底層硬件知識(shí)，必須有廣泛的計(jì)算機(jī)編程知識(shí)，并能編寫硬件的驅(qū)動(dòng)程序。從而導(dǎo)致了傳統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)開發(fā)周期長(zhǎng)、靈活性很差。為了縮短速度測(cè)試系統(tǒng)開發(fā)時(shí)間，并方便以后用戶對(duì)其進(jìn)行維護(hù)、擴(kuò)展和升級(jí)，在熱線風(fēng)速計(jì)的基礎(chǔ)上，我們引入虛擬儀器的概念，為汽車尾流速度測(cè)量開發(fā)出專用的虛擬儀器系統(tǒng)。
2 熱線風(fēng)速計(jì)
熱線風(fēng)速計(jì)的出現(xiàn)是流體力學(xué)試驗(yàn)技術(shù)進(jìn)步的新突破。它使汽車空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)研究獲得了研究非定常流特別是湍流的有力工具。盡管20 世紀(jì)60 年代出現(xiàn)了激光測(cè)速技術(shù)，試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)測(cè)量湍流參量時(shí)，激光測(cè)速常因丟失粒子信號(hào)而導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不可靠[2]，并且由于激光測(cè)速儀價(jià)格和維持費(fèi)用昂貴，在湍流場(chǎng)研究的應(yīng)用范圍上遠(yuǎn)不如熱線技術(shù)廣泛。今后熱線技術(shù)仍將是汽車湍流，特別是汽車尾流場(chǎng)速度測(cè)量的主要手段。
對(duì)不可壓縮氣流強(qiáng)迫對(duì)流傳熱而言，Nu 數(shù)僅與雷諾數(shù)和熱線的物理和工作狀態(tài)有關(guān)[3]。為了方便起見(jiàn)，用熱線風(fēng)速計(jì)測(cè)量風(fēng)速U 時(shí)我們通常采用如下公式：
在熱線恒溫工作時(shí)，熱線的熱電阻Rw =常數(shù)。因 IRw = e，故可把（1）式改寫成
3 虛擬儀器的概念
LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一種圖形化編程語(yǔ)言，利用功能圖標(biāo)來(lái)創(chuàng)建應(yīng)用程序，也即創(chuàng)建虛擬儀器（VI，Virtual Instrument）。虛擬儀器即是其操作和外觀均仿照示波器或萬(wàn)用表等物理儀器并實(shí)現(xiàn)同樣功能的程序軟件。在基于文本語(yǔ)句的編程語(yǔ)言中指令語(yǔ)句決定了程序執(zhí)行；在LabVIEW 中由數(shù)據(jù)流決定程序的執(zhí)行，編程時(shí)根據(jù)數(shù)據(jù)流進(jìn)行編程。
論文在LabVIEW 平臺(tái)上開發(fā)了汽車尾流速度測(cè)量虛擬儀器系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括測(cè)速校準(zhǔn)和測(cè)速兩個(gè)子系統(tǒng)。
4 熱線測(cè)速校準(zhǔn)子系統(tǒng)
汽車外流場(chǎng)屬于不可壓的連續(xù)流動(dòng)，熱線測(cè)速的靜態(tài)校準(zhǔn)方程的表達(dá)式采用式（2）。在熱線測(cè)速校準(zhǔn)子系統(tǒng)中，我們將n 作為變量對(duì)待，因而也就不必用專門的線化器硬件來(lái)線性化熱線的輸出電壓。我們直接通過(guò)軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)：連續(xù)變換n 的值進(jìn)行不同的指數(shù)擬合，并用擬合曲線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的均方誤差（mse）大小來(lái)判斷擬合質(zhì)量的優(yōu)劣。這也體現(xiàn)了虛擬儀器的優(yōu)越性：開發(fā)過(guò)程簡(jiǎn)便，節(jié)省時(shí)間和開支。
4.1 子系統(tǒng)硬件構(gòu)成
熱線測(cè)速校準(zhǔn)子系統(tǒng)的硬件構(gòu)成如圖1，由圖可知，硬件結(jié)構(gòu)為兩部分：一部分是熱線風(fēng)速計(jì)電路， 產(chǎn)生熱線電路輸出電壓e；另一部分是皮托管部分，產(chǎn)生相應(yīng)的壓差（動(dòng)壓）的電信號(hào)Ep。
圖1 熱線測(cè)速校準(zhǔn)子系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)
4.2 子系統(tǒng)虛擬儀器構(gòu)成
熱線風(fēng)速計(jì)測(cè)速校準(zhǔn)子系統(tǒng)的軟件構(gòu)成和用戶界面分別如圖2、3。
圖2 熱線風(fēng)速計(jì)測(cè)速校準(zhǔn)系統(tǒng)虛擬儀器結(jié)構(gòu)圖 圖3 熱線風(fēng)速計(jì)測(cè)速校準(zhǔn)系統(tǒng)虛擬儀器用戶界面
（1）進(jìn)行數(shù)據(jù)采集參數(shù)設(shè)置，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可設(shè)置信號(hào)增益放大倍數(shù)、采樣頻率、信號(hào)掃描次數(shù)、以及被測(cè)量信號(hào)的上限與下限等。在計(jì)算機(jī)不溢出的條件下可任意改變測(cè)量虛擬儀器的測(cè)量信號(hào)的范圍，這點(diǎn)是傳統(tǒng)測(cè)試儀器望塵莫及的。
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評(píng)論