應(yīng)變式風(fēng)洞天平是一種應(yīng)用于高、低速風(fēng)洞中的多分量測力傳感器，主要用于測量飛行器或汽車模型在空氣動力載荷下的三維力（法向力、軸向力、橫向力）和三維力矩（俯仰、偏航、滾轉(zhuǎn)力矩）。其核心由天平彈性元件、應(yīng)變計和惠斯通電橋組成，通過電阻變化轉(zhuǎn)化為電壓信號實現(xiàn)動態(tài)載荷測試。

該裝置采用機(jī)械分解與電橋補(bǔ)償原理實現(xiàn)分量解耦，彈性元件對目標(biāo)分量敏感，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計與應(yīng)變計布局抑制干擾分量。分為桿式和盒式兩類：桿式天平采用組合式測量元件，具有體積小、集成度高的特點(diǎn)；盒式天平通過彈性連桿連接浮動框與固定框，干擾量較小但體積較大 。校準(zhǔn)包含靜校與動校，前者通過加載實驗建立數(shù)學(xué)模型，后者驗證溫度效應(yīng)與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。采用高強(qiáng)度鋼材制造，集成有限元仿真優(yōu)化技術(shù)，適配多種支撐方式與風(fēng)洞試驗需求。

應(yīng)變天平的測量原理

應(yīng)變天平是風(fēng)洞天平的一種，由天平元件（彈性元件）、應(yīng)變計和測量電路（測量電橋）組成。進(jìn)行風(fēng)洞測力試驗時，應(yīng)變天平可以在體軸系中同時測量作用在模型上的空氣動力載荷，即三個力（法向力、軸向力與橫向力）與三個力矩（俯仰力矩、偏航力矩與俯仰力矩）。風(fēng)洞試驗時，應(yīng)變天平承受作用在模型上的空氣動力載荷，并且把它傳遞到支撐系統(tǒng)上。天平元件在載荷作用下產(chǎn)生變形，其應(yīng)變與外力大小成正比。粘貼在天平彈性元件表面的應(yīng)變計也同時產(chǎn)生變形，使其電阻值產(chǎn)生變化。這個電阻增量與應(yīng)變天平所承受的空氣動力載荷值成正比。電阻變化通過惠斯通電橋的放大后表現(xiàn)為電壓的改變，將電壓信號A/D轉(zhuǎn)換后，輸入到計算機(jī)上進(jìn)行處理，即可得到模型上力與力矩。

應(yīng)變天平的力與力矩分解原理

應(yīng)變天平通過不同結(jié)構(gòu)形式的測量元件，力求使它們在空氣動力載荷的作用下，對各自欲測量分量的載荷敏感，產(chǎn)生相對明顯的變形，而對其它分量的載荷不敏感，產(chǎn)生盡量小的變形，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)上對力與力矩的機(jī)械分解或部分分解。此外，可通過應(yīng)變計的粘貼位置與電橋的設(shè)置，可使其他分量所產(chǎn)生的應(yīng)變不改變電橋平衡狀態(tài)。對于盒式天平，還可通過彈性連桿的橫向自由度來實現(xiàn)機(jī)械分解。

與機(jī)械天平相比，應(yīng)變天平有如下特點(diǎn)：質(zhì)量輕，響應(yīng)快，電信號傳輸便于風(fēng)洞試驗的自動化實現(xiàn)。體積小，可置于模型腔內(nèi)，不僅可測全模型上的力和力矩，也可測部件模型或外掛物模型上的載荷。設(shè)計、加工簡單，成本較低，可根據(jù)不同的實驗對象設(shè)計專用的應(yīng)變天平。可適用于尾部支撐、腹部支撐、背部支撐等各種模型支撐方式，滿足不同類型風(fēng)洞試驗要求。即可測模型的靜態(tài)載荷，也可用于動態(tài)測力。

桿式天平是最常用的應(yīng)變天平結(jié)構(gòu)形式。外形一般為圓柱形，也有方柱形。桿式天平的一端與模型連接，稱為模型端；另一端與支桿連接，稱為支桿端。在兩端之間設(shè)置不同結(jié)構(gòu)的測量元件，用于測量不同分量的載荷。

盒式天平本體由浮動框與固定框兩部分組成。浮動框與模型連接，固定框與支桿連接，兩個框體之間用多個彈性連桿連接。盒式天平與桿式天平相比，盒式天平彈性元件都設(shè)置在固定框上。盒式天平剛度大，而且力與力矩的分解較為徹底，因此干擾量小。但盒式天平體積大，主要在低速風(fēng)洞應(yīng)用。