CN101089575A - 用于压力敏感涂料测压系统的校准装置 - Google Patents

Abstract

用于压力敏感涂料测压系统的校准装置，包括：箱体、透明视窗、压力控制和测量系统、压力控制接口装置、温控系统、加热装置及模型位置控制机构，箱体和透明视窗连接构成密闭的校准腔，在箱体上设置压力控制接口装置，校准装置压力控制和测量系统通过压力控制接口装置接入箱体中，提供给定校准腔内部压力；在箱体内设置加热装置，该加热装置通过导线与箱体外的温控系统相连接，以控制校准腔内部温度；在箱体内设置模型位置控制机构，以控制模型的几何位置。本发明能够容纳常用的叶片模型，可通过校准消除视窗的影响，可调节叶片模型位置，使叶片处于和试验台测试环境中完全相同的位置，这样可通过校准消除叶片扭曲对图像的影响。

Description

用于压力敏感涂料测压系统的校准装置

技术领域

本发明涉及一种用于压力敏感涂料测压系统的校准装置，属于现代航空发动机中的风扇、压气机、涡轮、进气道及喷管内部表面压力测量，以及其它领域内模型表面空气压力测量领域。

背景技术

模型表面压力测量是研究空气动力学问题的最基本、最重要的试验之一。压力分布场的测量结果为研究人员深入理解叶轮机械内部复杂物理现象的客观本质提供了十分重要的信息。在压气机、涡轮叶片叶型设计方案的选取以及结构设计中也需要详细精确的叶片表面压力分布数据来确定流动分离区、激波产生的位置、气动载荷的分布。此外，表面压力测量也为验证数值模拟结果和CFD计算程序的正确性提供了依据，并为设计更高性能的涡轮发动机提供了十分有价值的参考数据库。

在叶轮机械旋转部件上进行压力测量，传统的测压孔和传感器测量方法受到更多的限制，存在成本高、周期长、布点数目和位置有限、空间分辨率低、干扰和破坏流场等不利因素，而且探头插入流道中测量，存在着很大的安全隐患，测试改装量大，测试系统复杂。自二十世纪八十年代开始，利用发光粒子的光致发光特性和氧猝熄(Oxygen Quenching)原理发展起来的新型光学压力测量技术，即压力敏感涂料(Pressure Sensitive Paint，简称PSP)技术可有效地克服上述传统方法的诸多缺点。

PSP测压原理为：压力敏感涂料主要由氧猝熄效应明显的发光微粒和透氧性好、附着力强的聚合体粘合剂组成。一般情况下，发光物质分子均处于稳定的基态。但在适当波长的光照射下，处于基态的分子会吸收某种特定频率的光子，从而跃迁到能级较高的激发态。由于激发态十分不稳定，经过一个短暂的瞬间，处于激发态的荧光物质分子就会自发发射一个光子(即光致发光)并返回至较低能级，这时发出的光被称为“荧光”。荧光辐射的能量小于激励光的能量，根据爱因斯坦方程，辐射出的光波波长必大于激励光的波长，即波长的“红移”现象。在测量中根据“红移”现象，利用滤光镜就可分离激励光与辐射光。正是这个特性，为压力敏感涂料测压提供了必要条件，如Dong X D，Wang D Y，LiG C，et al.Pressure-Sensitive Paint Measurement[J].Measurement&ControlTechnology，1998，7(2)：13-14.(in Chinese)中所阐述的。当发光分子在从激发态返回到基态的过程中，与处于基态的氧分子发生碰撞时，氧分子会吸收发光分子的能量从而跃迁到不稳定能级，而发光分子返回基态但不发射任何光子，这个过程被称为“氧猝熄”。因此在一个确定的区域内如果氧分子数目增加，即氧气压力越高，则与发光分子碰撞的几率增大，从而导致辐射出的荧光强度减弱得更厉害，如Christian Klein，Application of Pressure Sensitive Paint(PSP)for the Determination of the Instantaneous Pressure Field of Models in aWind Tunnel[J].Aerosp.Sci.Technol.4，pp.103-109，2000.中所论述的。氧猝熄效应是光学压力敏感涂料测压的最基本原理。空气中所含氧气的摩尔浓度是个确定的常数，由此得出辐射荧光强度与空气的压力成反比。Stern-Volmer方程描述了这一重要比例关系：

$\frac{I_{\max }}{I}=1+K_{\mathrm{sv}}{P}_{O_2}---\left(1\right)$

其中：I表示辐射光强度，Ksv为Stern-Volmer常数，是温度的函数，P_o2为氧气的分压，而下标‘max’表示无猝熄作用下的最大辐射光强。由于一般很难测得I_max，因此引入在参考条件下测得的I_ref。参考条件即压力和温度均为已知常数的无流条件，通常将大气环境视为参考条件。此时，Stern-Volmer方程可转化为更适合于气动试验的形式：

$\frac{I_{\max }/I}{I_{\max }/I_{\mathrm{ref}}}=\frac{I_{\mathrm{ref}}}{I}=A\left(T\right)+B\left(T\right)\frac{P}{P_{\mathrm{ref}}}---\left(2\right)$

其中：下标‘ref’代表参考条件下的值，A和B为涂层的敏感系数，都是表面温度的函数，它们的值由校准试验确定。

因此预先将空气压力与压力敏感涂料的辐射光强度的关系曲线准确地测绘出来，就可通过测量某点的辐射光强度而得知该点的压力值。这就是应用最广泛的基于发光强度的PSP测压方法。PSP技术把直接测量压力的大小转化为测量荧光或磷光的光强变化，提供了一种全面、廉价、灵敏、无破坏的柔性测压方法。该技术通过十几年的发展改进并趋于成熟，从普遍应用于风洞试验和外流气动试验发展到叶轮机械内部旋转流动的稳态压力测量和非定常压力测量。通过大量成功的试验已经证明了PSP的可行性和显著的优越性以及越来越广阔的应用前景。

目前，国外对PSP测压技术的应用已进入产品阶段，美国、德国以及俄罗斯都成功发展了相对成熟的PSP测压系统，可提供成套系统。国内对PSP技术的研究和应用开始于上世纪九十年代，主要是引进俄罗斯成套系统并应用在飞行器表面压力测量中，近两年来，PSP技术在内流研究中的应用开始起步，尚未建立完整的测试系统。

通常的PSP测压系统主要由五个部分组成：压力敏感涂料、激励光源系统、图像采集系统、图像数据处理系统和校准装置。在PSP测压系统中，校准装置的功能是在静态条件下完成PSP涂料受激发光强度和压力之间变化关系的获取，这是PSP测压的必需环节。

目前，国内外常用PSP测压系统中的校准装置由一个体积较小的箱体(100mm×100mm×50mm)、平板透明视窗、压力控制和测量系统、温控系统和加热装置等组成。这种校准装置由于采用平板透明视窗，只能完成面积较小的平面模型的校准，因此不能消除叶轮机试验台弧形视窗的影响，且不能容纳较大体积的叶片模型，而且由于叶片模型位置是固定的，不能改变叶片模型的位置，因而无法完成用于叶轮机内部流动测量的PSP测压系统的校准。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种可以完成面积较大的模型的校准，消除叶轮机试验台弧形视窗的影响，且模型位置可以调节的用于压力敏感涂料测压系统的校准装置

本发明的技术解决方案：用于压力敏感涂料测压系统的校准装置包括：箱体、透明视窗、压力控制和测量系统、压力控制接口装置、温控系统、加热装置及模型位置控制机构，箱体和透明视窗连接构成密闭的校准腔，在箱体上设置压力控制接口装置，校准装置压力控制和测量系统通过压力控制接口装置接入箱体中，提供给定校准腔内部压力；在箱体内设置加热装置，该加热装置通过导线与箱体外的温控系统相连接，以控制校准腔内部温度；在箱体内设置模型位置控制机构，以控制模型的几何位置(如倾斜角、俯仰角等)。

所述的弧形透明视窗的半径在一定范围内可选，一般为300mm～400mm；透明视窗的厚度根据所测压力范围选择，一般为：2mm～20mm，材料为光学玻璃；弧形透明视窗的弧度角60～90度。

本发明与现有技术相比的有益效果：

(1)箱体结构形式考虑了常用的叶片模型的安装和位置调整，模型位置控制机构可调节叶片模型位置，使叶片模型处于和试验台测试环境中完全相同的位置，上述两个因素使得校准过程中和测试过程中，被测对象叶片模型与激励光源系统和图像采集系统的几何位置关系不变，这样，校准得出的校准关系式中就包含了叶片扭曲对图像的影响(叶片扭曲使得叶片模型表面不同区域与激励光源系统和图像采集系统的几何位置关系不同，从而影响了采集图像的质量)，用此校准关系式处理测量所得数据就可消除叶片扭曲对图像的影响(校准时和测量时对同一区域的光路相同)。

(2)采用和叶轮机试验台机匣视窗曲率相同的弧形视窗，可实现在校准时和测量时机匣视窗对光源和采集系统的影响不变，校准得出的校准关系式中就包含了视窗曲率对图像的影响(曲率影响光线通过视窗时的折射率)，用此校准关系式处理测量所得数据就可消除视窗曲率对图像的影响(校准时和测量时光路穿过同样曲率的视窗)。

附图说明

图1为本发明的校准装置示意图；

图2为本发明的压力控制和测量系统的组成示意图；

图3为本发明的温控系统的原理框图；

图4为本发明的模型位置控制机构的原理图；

图5为本发明的模型位置控制机构中的角度控制机构的结构图；

图6为压力接口装置的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括：箱体1、弧形透明视窗2、压力控制和测量系统9、压力控制接口装置8、温控系统7、加热装置5及模型位置控制机构4，箱体1和透明视窗2构成密闭的校准腔，校准腔的形状是有上下端板的四分之一圆柱段，其中箱体1的形状是上下端板和两侧的互成直角的平面，透明视窗2的形状是圆柱段的圆柱面部分，箱体1由金属材料焊接而成，并装有透明视窗2连接的安装边，透明视窗2由压条压紧在安装边上，压条和安装边用螺栓连接，透明视窗2、压条和安装边之间有密封垫，起密封作用，校准腔的结构形式保证了在腔内实现校准所需压力环境。在箱体1上设置压力控制接口装置8，包括箱体1上布置的取压孔81和与81连接(焊接)的压力引出管82、三通83、阀门84及旁通阀门85，这种方式保证了校准腔内压力的控制。压力控制接口装置8与校准装置压力控制和测量系统9通过塑料软管或金属软管相连接；在箱体1内设置加热装置5，加热装置5为铝制加热板，电源提供和温度控制由温控系统7完成，加热板可实现校准腔内的温度设定，加热装置5通过导线和箱外的温控系统相7连接；在箱体1内将模型位置控制机构4用螺纹连接固定在箱体壁板上，可实现叶片模型的安装和调整，可控制模型3的几何位置，如倾斜角、俯仰角等，通过压力控制和测量系统9给定校准腔内部压力，通过温控系统7控制校准腔内部温度，通过模型位置控制机构4控制模型3的安放位置。

本发明的具体工作过程：校准时，将已涂有压敏涂料的叶片模型安装在模型位置控制机构4上，并按测量位置调整好角度位置；连接压力控制和测量系统9、压力控制接口装置8和校准腔体，包括管路和电路；连接温控系统7，包括电路；根据测量需求，设计好校准压力等级和范围及温度条件，按照此校准压力等级调节压力控制和测量系统9向校准腔体供气和调压，使校准腔内部压力稳定在设定值上；调节温控系统7使校准腔内气体温度稳定在设定值上；开启光源系统和图像采集系统(非本发明内容)采集叶片模型表面涂料受激发光图像；调节压力控制和测量系统9和温控系统7改变校准腔内压力设定值和温度设定值，重复图像采集过程，直到完成全部校准内容；关闭温控系统7，关闭压力控制和测量系统9，通过压力控制接口装置8泄出校准腔内压力。

如图2所示，压力控制和测量系统9由供气装置91、压力传感器93、显示仪表95及管路92组成，供气装置91和压力传感器93分别通过管路92同压力控制接口装置8的阀门85连接在一起，压力传感器93感受的压力值转换成电信号后经导线94传至显示仪95表读出，这样可在校准腔内产生所需的压力环境并保持高精度的稳定状态。工作时，供气装置91通过管路92将高于校准腔压力的气体充入压力控制接口装置8的阀门84，并将校准腔内压力沿上述管路传至压力传感器93。

如图3所示，温控系统7由控温仪71、加热板75(可以为铸铝加热板)、控温仪向加热板供电的导线73、埋设在加热板内的热电偶74和控温仪与热电偶的连接线72组成，加热板75的电源由温控仪71提供，接通电源后，通过温控仪71设置需要达到的温度，加热板75电阻丝通电开始加热，同时热电偶74将测得的加热板75温度信息反馈给控温仪71，并与预设温度对比。当探测到的温度即将达到预设温度时，温控仪71将自动选择断开加热回路。

如图4所示，模型位置控制机构4由安装板41、支架42、基座43以及角度控制机构44组成，支架42上的上部连接基座43，安装板41放置在基座43上，安装板41与角度控制机构44连接，通过角度控制机构44决定安装板41的角度，从而使安装在安装板41上的模型位置可调节。整个机构类似于照像机三角架，最后模型3安装在安装板41上。

如图5所示，角度控制机构44由俯仰角控制轴441、俯仰角锁紧旋纽442、支撑杆443、倾斜角控制轴445、倾斜角锁紧旋纽444和支撑块446组成。俯仰角控制轴441和支撑杆443连接，俯仰角锁紧旋纽442安装在支撑杆443上用于控制安装板41和俯仰角控制轴441的相对位置，支撑杆443和倾斜角控制轴445固定连接，倾斜角控制轴445和支撑块446连接，倾斜角锁紧旋纽444安装在支撑杆446上用于控制倾斜角控制轴445和支撑块446的相对位置，模型位置控制机构4中安装板41安装在411上，由442控制其俯仰角，444和445控制41的倾斜角，支撑块446和支架42相联接。

如图6所示，压力控制接口装置8由校准腔箱体1上布置的取压孔81、压力引出管82、三通83、阀门84及旁通阀门85组成，压力引出管82和取压孔81连接，压力引出管82连接三通83，三通83的另两个端口分别连接阀门84和旁通阀门85。工作时，压力控制接口装置8主要起连接校准腔和压力控制和测量系统的作用，供气装置91通过管路92、阀门84、三通83、压力引出管82和取压孔81将高于校准腔压力的气体充入校准腔，并将校准腔内压力沿上述管路传至压力传感器93，校准完成后，通过旁通阀门85泄掉校准腔内压力。

Claims (11)

1、用于压力敏感涂料测压系统的校准装置，包括：箱体(1)、弧形透明视窗(2)、压力控制和测量系统(9)、压力控制接口装置(8)、温控系统(7)、加热装置(5)及模型位置控制机构(4)，箱体(1)和弧形透明视窗(2)连接构成密闭的校准腔，在箱体(1)上设置压力控制接口装置(8)，校准装置压力控制和测量系统(9)通过压力控制接口装置(8)接入箱体(1)中，提供给定校准腔内部压力；在箱体(1)内设置加热装置(5)，该加热装置(5)通过导线与箱体(1)外的温控系统(7)相连接，以控制校准腔内部温度；在箱体(1)内设置模型位置控制机构(4)，以控制模型(3)的几何位置。

2、根据权利要求1所述的用于压力敏感涂料测压系统的校准装置，其特征在于：所述的弧形透明视窗(2)材料为光学玻璃。

3、根据权利要求1或2所述的用于压力敏感涂料测压系统的校准装置，其特征在于：所述的弧形透明视窗(2)的半径为300mm～400mm。

4、根据权利要求1或2所述的用于压力敏感涂料测压系统的校准装置，其特征在于：所述的弧形透明视窗(2)的弧度为60～90度。

5、根据权利要求1或2所述的用于压力敏感涂料测压系统的校准装置，其特征在于：所述的弧形透明视窗(2)的厚度为2mm～20mm。

6、根据权利要求1所述的用于压力敏感涂料测压系统的校准装置，其特征在于：所述的模型位置控制机构(4)由安装板(41)、支架(42)、基座(43)以及角度控制机构(44)组成，支架(42)上的上部连接基座(43)，安装板(41)放置在基座(43)上，安装板(41)与角度控制机构(44)连接，通过角度控制机构(44)决定安装板(41)的角度，从而使安装在安装板(41)上的模型(3)的位置可调节。

7、根据权利要求6所述的用于压力敏感涂料测压系统的校准装置，其特征在于：所述的角度控制机构(44)由俯仰角控制轴(441)、俯仰角锁紧旋纽(442)、支撑杆(443)、倾斜角控制轴(445)、倾斜角锁紧旋纽(444)和支撑块(446)组成，模型位置控制机构(4)中的安装板(41)安装在俯仰角控制轴(411)上，俯仰角锁紧旋纽(442)安装在支撑杆(443)上用于控制安装板(41)和俯仰角控制轴(441)的相对位置，由俯仰角锁紧旋纽(442)控制安装板(41)的俯仰角，俯仰角控制轴(441)和支撑杆(443)连接；支撑杆(443)和倾斜角控制轴(445)固定连接，倾斜角控制轴(445)和支撑块(446)连接，倾斜角锁紧旋纽(444)安装在支撑杆(446)上用于控制倾斜角控制轴(445)和支撑块(446)的相对位置，倾斜角锁紧旋纽(444)和倾斜角控制轴(445)控制安装板(41)的倾斜角，支撑块(446)和支架(42)相联接。

8、根据权利要求1所述的用于压力敏感涂料测压系统的校准装置，其特征在于：所述的压力控制和测量系统(9)由供气装置(91)、压力传感器(93)、显示仪表(95)及管路(92)组成，供气装置(91)和压力传感器(93)分别通过管路(92)同压力控制接口装置(8)的阀门(86)连接在一起，压力传感器(93)感受的压力值转换成电信号后经导线(94)传至显示仪(95)表读出，这样可在校准腔内产生所需的压力环境并保持高精度的稳定状态。

9、根据权利要求1所述的用于压力敏感涂料测压系统的校准装置，其特征在于：所述的温控系统(7)由控温仪(71)、加热板(75)、控温仪向加热板供电的导线(73)、埋设在加热板内的热电偶(74)和控温仪与热电偶的连接线(72)组成，加热板(75)的电源由温控仪(71)提供，接通电源后，通过温控仪(71)设置需要达到的温度，加热板(75)电阻丝通电开始加热，同时热电偶(74)将测得的加热板(75)温度信息反馈给控温仪(71)，并与预设温度对比，当探测到的温度即将达到预设温度时，温控仪(71)将自动选择断开加热回路。

10、根据权利要求1所述的用于压力敏感涂料测压系统的校准装置，其特征在于：所述的箱体(1)的材料为金属。

11、根据权利要求1所述的用于压力敏感涂料测压系统的校准装置，其特征在于：所述的压力控制接口装置(8)由校准腔箱体(1)上布置的取压孔(81)、压力引出管(82)、三通(83)、阀门(84)及旁通阀门(85)组成，压力引出管(82)和取压孔(81)连接，压力引出管(82)连接三通(83)，三通(83)的另两个端口分别连接阀门(84)和旁通阀门(85)。

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