汽車(chē)尾流速度測量的虛擬儀器系統
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隨著(zhù)高速公路的蓬勃發(fā)展，汽車(chē)車(chē)速不斷提高，汽車(chē)氣動(dòng)阻力對燃油消耗的影響日益凸現出來(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(chē)尾部（其值隨車(chē)身長(cháng)短不同而異）；而汽車(chē)尾流結構對汽車(chē)空氣動(dòng)力特性具有決定性影響。為此，進(jìn)行汽車(chē)尾流速度測量，搞清尾流結構進(jìn)而改善汽車(chē)空氣動(dòng)力特性對開(kāi)發(fā)低阻力汽車(chē)，降低汽車(chē)燃油消耗有重要意義[1]。
在進(jìn)行尾流試驗研究過(guò)程中，我們發(fā)現傳統的測試儀器是功能固定且封裝好的，專(zhuān)用于某項具體試驗或任務(wù)，且價(jià)格昂貴。開(kāi)發(fā)測試系統時(shí)，對設計人員的要求非常高：要求掌握測試儀器底層硬件知識，必須有廣泛的計算機編程知識，并能編寫(xiě)硬件的驅動(dòng)程序。從而導致了傳統測試系統開(kāi)發(fā)周期長(cháng)、靈活性很差。為了縮短速度測試系統開(kāi)發(fā)時(shí)間，并方便以后用戶(hù)對其進(jìn)行維護、擴展和升級，在熱線(xiàn)風(fēng)速計的基礎上，我們引入虛擬儀器的概念，為汽車(chē)尾流速度測量開(kāi)發(fā)出專(zhuān)用的虛擬儀器系統。
2 熱線(xiàn)風(fēng)速計
熱線(xiàn)風(fēng)速計的出現是流體力學(xué)試驗技術(shù)進(jìn)步的新突破。它使汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)試驗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60 年代出現了激光測速技術(shù)，試驗研究發(fā)現測量湍流參量時(shí)，激光測速常因丟失粒子信號而導致測量結果不可靠[2]，并且由于激光測速儀價(jià)格和維持費用昂貴，在湍流場(chǎng)研究的應用范圍上遠不如熱線(xiàn)技術(shù)廣泛。今后熱線(xiàn)技術(shù)仍將是汽車(chē)湍流，特別是汽車(chē)尾流場(chǎng)速度測量的主要手段。
對不可壓縮氣流強迫對流傳熱而言，Nu 數僅與雷諾數和熱線(xiàn)的物理和工作狀態(tài)有關(guān)[3]。為了方便起見(jiàn)，用熱線(xiàn)風(fēng)速計測量風(fēng)速U 時(shí)我們通常采用如下公式：
在熱線(xiàn)恒溫工作時(shí)，熱線(xiàn)的熱電阻Rw =常數。因 IRw = e，故可把（1）式改寫(xiě)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，利用功能圖標來(lái)創(chuàng )建應用程序，也即創(chuàng )建虛擬儀器（VI，Virtual Instrument）。虛擬儀器即是其操作和外觀(guān)均仿照示波器或萬(wàn)用表等物理儀器并實(shí)現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)句決定了程序執行；在LabVIEW 中由數據流決定程序的執行，編程時(shí)根據數據流進(jìn)行編程。
論文在LabVIEW 平臺上開(kāi)發(fā)了汽車(chē)尾流速度測量虛擬儀器系統，該系統包括測速校準和測速兩個(gè)子系統。
4 熱線(xiàn)測速校準子系統
汽車(chē)外流場(chǎng)屬于不可壓的連續流動(dòng)，熱線(xiàn)測速的靜態(tài)校準方程的表達式采用式（2）。在熱線(xiàn)測速校準子系統中，我們將n 作為變量對待，因而也就不必用專(zhuān)門(mén)的線(xiàn)化器硬件來(lái)線(xiàn)性化熱線(xiàn)的輸出電壓。我們直接通過(guò)軟件編程來(lái)實(shí)現：連續變換n 的值進(jìn)行不同的指數擬合，并用擬合曲線(xiàn)與試驗數據之間的均方誤差（mse）大小來(lái)判斷擬合質(zhì)量的優(yōu)劣。這也體現了虛擬儀器的優(yōu)越性：開(kāi)發(fā)過(guò)程簡(jiǎn)便，節省時(shí)間和開(kāi)支。
4.1 子系統硬件構成
熱線(xiàn)測速校準子系統的硬件構成如圖1，由圖可知，硬件結構為兩部分：一部分是熱線(xiàn)風(fēng)速計電路， 產(chǎn)生熱線(xiàn)電路輸出電壓e；另一部分是皮托管部分，產(chǎn)生相應的壓差（動(dòng)壓）的電信號Ep。
圖1 熱線(xiàn)測速校準子系統的硬件結構
4.2 子系統虛擬儀器構成
熱線(xiàn)風(fēng)速計測速校準子系統的軟件構成和用戶(hù)界面分別如圖2、3。
圖2 熱線(xiàn)風(fēng)速計測速校準系統虛擬儀器結構圖 圖3 熱線(xiàn)風(fēng)速計測速校準系統虛擬儀器用戶(hù)界面
（1）進(jìn)行數據采集參數設置，數據采集系統可設置信號增益放大倍數、采樣頻率、信號掃描次數、以及被測量信號的上限與下限等。在計算機不溢出的條件下可任意改變測量虛擬儀器的測量信號的范圍，這點(diǎn)是傳統測試儀器望塵莫及的。
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