CN103776611A

CN103776611A - 脉冲风洞热流测量系统、方法及其标定系统、方法

Info

Publication number: CN103776611A
Application number: CN201310706610.9A
Authority: CN
Inventors: 韩曙光; 宫建; 文帅; 毕志献; 伍超华
Original assignee: China Academy of Aerospace Aerodynamics CAAA
Current assignee: China Academy of Aerospace Aerodynamics CAAA
Priority date: 2013-12-19
Filing date: 2013-12-19
Publication date: 2014-05-07
Anticipated expiration: 2033-12-19
Also published as: CN103776611B

Abstract

本发明提供一种脉冲风洞热流测量系统、方法及其标定系统、方法，该脉冲风洞热流测量系统包括：模型，表面涂有双色温敏材料形成涂层；灯，用于照射在模型表面，持续为所述涂层提供激发能量，使所述涂层向外辐射第一色光、第二色光；第一相机，安装第一色光滤光片，用于采集、记录第一色光的光强值；第二相机，安装第二色光滤光片，用于采集、记录第二色光的光强值；工作站，用于存储所述模型表面辐射的第一色光、第二色光的光强值，并计算同一时刻第一色光、第二色光的光强比，根据光强比与温升之间的关系，将光强比换算到温度变化，计算出所述模型表面热流。本发明通过光学手段可实现模型全表面的热流测量，而无需在模型表面布置热流传感器。

Description

脉冲风洞热流测量系统、方法及其标定系统、方法

技术领域

本发明涉及风洞热流测量技术领域，特别涉及一种基于双色温敏发光涂层的脉冲风洞热流测量系统、方法及其标定系统、标定方法。

背景技术

风洞热流测量试验是高超声速飞行器热防护设计中的重要研究手段。脉冲风洞相比于常规高超风洞可以获得更高的来流马赫数和雷诺数，但其缺点是有效试验时间较短（通常为5-50毫秒），在有效试验时间内获得丰富而准确的热流数据是脉冲风洞测热试验面临的一个难题。

传统的脉冲风洞热流测量是通过在模型表面布置热流传感器实现，热流传感器的原理是利用金属的热电效应（金属材料受热之后电阻发生改变）将“热信号”转换为“电信号”实现热流的测量。其局限性在于：

1、由于热流传感器本身具有一定体积和长度（柱状、片状等），在实际操作中必须考虑在模型表面安装的空间问题，而在模型较薄或狭窄的部位，较难实现传感器的安装和引线。

2、传感器之间需间隔一定的距离以保证测量精度。

可见，以上两点缺陷使热流传感器无法实现模型全表面热流数据的测量。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种基于双色温敏涂层的脉冲风洞热流测量系统、方法，以无需在模型表面布置传感器的非接触热流测量方案，解决现有技术存在的热流传感器无法实现模型全表面热流数据测量的问题。

本发明的另一目的在于提供一种上述脉冲风洞热流测量系统的标定系统、方法，以对其标定。

为了实现上述目的，本发明提供的脉冲风洞热流测量系统的技术方案为：

一种脉冲风洞热流测量系统，包括：模型，表面涂有双色温敏材料形成涂层，应用时安装在风洞试验段内；灯，用于照射在模型表面，持续为所述涂层提供激发能量，使所述涂层向外辐射分别具有一中心波长的第一色光、第二色光；第一相机，位于所述模型的一侧，并安装第一色光滤光片，用于连续采集所述模型的图像、记录所述模型表面第一色光的光强值；第二相机，位于所述模型的一侧，并安装第二色光滤光片，用于连续采集所述模型的图像、记录所述模型表面第二色光的光强值；工作站，与所述第一相机、第二相机通信连接，用于存储所述模型表面辐射的第一色光、第二色光的光强值，并计算同一时刻第一色光、第二色光的光强比，根据光强比与温升之间的关系，将光强比换算到温度变化，进而计算出所述模型表面热流。

优选地，在上述测量系统中，所述灯为紫外灯，且其发出的紫外线中心波长为365nm。

优选地，在上述测量系统中，所述涂层的厚度为10-20μm。

优选地，在上述测量系统中，所述双色温敏材料为在使用紫外线作为激发光源时，能够分别辐射红光（中心波长590nm）和蓝光（中心波长480nm）的温敏材料。

为了实现上述目的，本发明提供的脉冲风洞热流测量方法的技术方案为：

一种脉冲风洞热流测量方法，包括以下步骤：在模型表面喷涂双色温敏材料，形成涂层，安装于风洞试验段内；使用光线照射模型表面，为所述涂层提供激发能量使所述涂层辐射双色可见光；采集模型表面图像，并记录试验过程中模型表面在同一时刻辐射的两种色光的光强值；计算同一时刻两种色光的光强比，根据光强比与温升的关系，反推出模型表面温度的变化，进而计算出吹风过程中模型表面热流的大小。

优选地，在上述测量方法中，所述光线为紫外线，且其中心波长为365nm。

优选地，在上述测量方法中，双色可见光分别为蓝光（中心波长480nm）、红光（中心波长590nm）。

优选地，在上述测量方法中，所述模型表面的涂层的厚度为10-20μm。

优选地，在上述测量方法中，根据下述公式，计算光强比与温升的关系：

{ΔT}_{i} = a {(\frac{I_{B}}{I_{R}})}_{i}

其中，I_B为第一色光（蓝光）的光强值，I_R为第二色光的光强值（红光），△T_i为某一时刻的温升值，i为时刻，a为通过标定得到的光强比与温升之间的关系参数。

为了实现上述目的，本发明提供的用于上述脉冲风洞热流测量系统的标定系统技术方案为：

一种用于上述脉冲风洞热流测量系统的标定系统，其包括：加热片，表面涂有双色温敏材料形成涂层；且所述加热片上的涂层与所述模型表面的涂层的材料、厚度、粗糙度相同；灯，用于所述加热片上的涂层提供激发能量，使其向外辐射可见光；温控仪，与所述加热片连接，用于加热所述加热片至指定温度并将温度数据上传；第一相机，位于所述加热片的一侧，并安装第一色光滤光片，用于连续采集所述模型的图像、记录所述模型表面第一色光的光强值；第二相机，位于所述加热片的一侧，并安装第二色光滤光片，用于连续采集所述模型的图像、记录所述模型表面第二色光的光强值；工作站，与所述第一相机、第二相机通信连接，用于存储所述加热片第一色光、第二色光的光强值，并计算同一时刻第一色光、第二色光的光强比，根据光强比与温升之间的关系，将光强比换算到温度变化，进而计算出所述加热片温度；所述灯、第一相机、第二相机与所述测量系统中的所述灯、第一相机、第二相机参数一致。

为了实现上述目的，本发明提供的用于上述脉冲风洞热流测量系统的标定方法技术方案为：

一种用于上述脉冲风洞热流测量系统的标定方法，其包括以下步骤：在一标定片表面涂有双色温敏材料，形成涂层，所述涂层的材料、厚度、粗糙度和所述模型上的涂层相同；将加热片与标定片贴合，加热片温度受温控仪控制对标定片加温；使用光线照射标定片的涂层，使其向外辐射第一色光、第二色光；将标定片加热至指定温度并记录温度数据，同时采集此温度下标定片上的涂层辐射的第一色光的光强值、第二色光的光强值，计算第一色光、第二色光的光强比；针对不同温度重复该过程，得到一个温度序列下的对应的光强比；计算光强比与温升分布之间的关系；所述光线与所述测量系统中所述灯发出的光线相同，采集标定片上的涂层辐射光强的设备与所述测量系统的相机的参数一致。

本发明基于双色温敏发光涂层提供一种非接触热流测量方案，该方案在模型表面形成双色温敏材料涂层，并使用光源和相机来激发、采集涂层辐射的两种色光的光强，利用光强比与环境温度的关系，实现在脉冲风洞中模型表面全表面热流的测量。借此，本发明通过光学手段可实现模型全表面的热流测量，而无需在模型表面布置热流传感器。

附图说明

图1为本发明的测量系统实施例的原理结构示意图；

图2为本发明的标定系统实施例的原理结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明的测量系统实施例包括模型1、相机21、相机22、工作站3、作为光源的紫外灯4、分别加装于相机21和相机22的红光带通滤光片5、蓝光带通滤光片6。

为了简化说明，不至于产生赘述，下面将结合图1所示的测量系统实施例，对本发明提供的测量系统的结构、原理和本发明提供的测量方法的步骤进行交叉描述。

如图1，将双色温敏发光材料喷涂于模型1表面形成涂层，并将表面喷有涂层的模型1安装于风洞试验段内。模型1表面的双色温敏发光涂层不应过厚，以避免厚度所具有的热容对模型表面热流的衰减，因此涂层的厚度优选为10-20μm。

使用紫外灯4照射模型1表面，紫外灯4发出的紫外线（优选地，紫外线的中心波长365nm）作为激发光源为双色温敏涂层提供激发能量使其辐射可见光，此可见光具有两个中心波长，分别为红光（优选地，红光的中心波长590nm）和蓝光（优选地，蓝光的中心波长480nm）。紫外灯4可见光波段强度低，可以降低对涂层辐射可见光的采集造成干扰。在采集过程中，紫外灯4强度变化幅度低，可以保证测量数据精度。可见，紫外灯4为一优选光源，其他光源的测量精度可能不及紫外灯。

由于气流加热，模型1表面的温度也随之升高。随着环境温度的变化，红光光强变化较小，而蓝光光强变化较大，两种光的光强比可以反映环境温度的变化，因此在风洞试验过程中，模型1表面的涂层所辐射的两波长的光强比由于气流加热而发生变化，两台分别加装红色带通滤光片5、蓝色带通滤光片6的相机21、22分别记录同一时刻两种色光的光强值。

相机21、22将其采集的两种色光的光强值记录、上传与之通信连接的工作站3，工作站3存储两种色光的光强值，计算二者的光强比，然后根据事先标定得到的光强比与温升的关系（如下述公式），即可反推出模型表面温度的变化，进而可以计算出吹风过程中模型表面热流的大小。

{ΔT}_{i} = a {(\frac{I_{B}}{I_{R}})}_{i}

其中，I_B为蓝光光强值，I_R为红光光强值，△T_i为某一时刻的温升值，i为时刻，a为通过标定得到的光强比与温升之间的关系参数。

其中，相机21、22优选为高速CCD相机，因其具有较高的采集速度以满足脉冲风洞试验时间要求，同时具有较高的位深和感光能力，确保能够感知微弱温升造成的光强微弱的变化。可见，采用高速CCD相机作为模型表明图像采集装置实为一优选方案，本领域技术人员应当得知，其并非对本发明的限制。

如图2所示，用于确定图1所示测量系统实施例的光强比与温升关系的标定系统实施例包括相机21、相机22、工作站3、作为光源的紫外灯4、红光带通滤光片5、蓝光带通滤光片6、温控仪7、标定片8、加热片9。红光带通滤光片5、蓝光带通滤光片6分别安装于相机21、相机22上。

为了简化说明，不至于产生赘述，下面将结合图2所示的标定系统实施例，对本发明提供的标定系统的结构、原理和本发明提供的标定方法的步骤进行交叉描述。

在标定片8表面喷涂双色温敏材料，形成一涂层。

加热片9与标定片8贴合，用于对标定片8加温，加热片9温度受温控仪7控制；

紫外灯4为标定片8的表面涂层提供激发能量，使其向外辐射中心波长为红光、蓝光的可见光。

加热片9与温控仪7连接并受其控制，温控仪7控制加热片9将标定片8加热至指定温度并将温度数据传至工作站3。当温控仪7设定一个温度值使标定片8上的涂层达到相应温度后，相机21、22采集此温度下涂层辐射的红光的光强值、蓝光的光强值。

针对不同温度重复上述整个过程，得到一个温度序列下的对应的两种色光的光强值数据，并计算同一时刻两种色光的光强比，接着，利用该温度序列对应的光强比变化数据，计算温升分布，并获得上述参数a。通过获得一系列实验数据，对仪器设备进行标定，并获得相应的标定参数，为本领域技术人员所公知，在此不再赘述。

应当注意，标定片8表面的涂层应与模型1表面涂层在材料、厚度、粗糙度等方面应保持一致，以保证涂层标定数据精确、可靠、可用；紫外灯、相机应与实验过程中所用紫外灯、相机参数一致。

综上，本发明基于双色温敏材料涂层在受到光源激发时，可以辐射两种色光的原理，采用光强比获得模型表面的温升数据，此外采用光强比的数据处理方式可以去除由于相机噪声、传输噪声等外界干扰因素对测量结果的干扰。借此，本发明不受传感器间距的限制，通过光学手段实现模型全表面的热流测量，无需在模型表面布置热流传感器，而获取到大量的模型表面热流数据；对于一些难以布置传感器的部位同样可以实现热流数据的采集，不受模型空间限制；避免对模型表面的破坏。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims

1.一种脉冲风洞热流测量系统，其特征在于，包括：

模型，表面涂有双色温敏材料形成涂层，应用时安装在风洞试验段内；

灯，用于照射在模型表面，持续为所述涂层提供激发能量，使所述涂层向外辐射分别具有一中心波长的第一色光、第二色光；

第一相机，位于所述模型的一侧，并安装第一色光滤光片，用于连续采集所述模型的图像、记录所述模型表面第一色光的光强值；

第二相机，位于所述模型的一侧，并安装第二色光滤光片，用于连续采集所述模型的图像、记录所述模型表面第二色光的光强值；

工作站，与所述第一相机、第二相机通信连接，用于存储所述模型表面辐射的第一色光、第二色光的光强值，并计算同一时刻第一色光、第二色光的光强比，根据光强比与温升之间的关系，将光强比换算到温度变化，进而计算出所述模型表面热流。

2.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述灯为紫外灯，且其发出的紫外线中心波长为365nm。

3.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述涂层的厚度为10-20μm。

4.根据权利要求2所述的测量系统，其特征在于，所述双色温敏材料为在使用紫外线作为激发光源时，能够分别辐射红光（中心波长590nm）和蓝光（中心波长480nm）的温敏材料。

5.一种脉冲风洞热流测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

在模型表面喷涂双色温敏材料，形成涂层，安装于风洞试验段内；

使用光线照射模型表面，为所述涂层提供激发能量使所述涂层辐射双色可见光；

采集模型表面图像，并记录试验过程中模型表面在同一时刻辐射的两种色光的光强值；

计算同一时刻两种色光的光强比，根据光强比与温升的关系，反推出模型表面温度的变化，进而计算出吹风过程中模型表面热流的大小。

6.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于，所述光线为紫外线，且其中心波长为365nm，双色可见光分别为蓝光、红光，且其中心波长分别为480nm、590nm。

7.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于，所述模型表面的涂层的厚度为10-20μm。

8.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于，根据下述公式，计算光强比与温升的关系：

{ΔT}_{i} = a {(\frac{I_{B}}{I_{R}})}_{i}

9.一种用于权利要求1-4任一所述脉冲风洞热流测量系统的标定系统，其特征在于，包括：

标定片，表面涂有双色温敏材料形成涂层；且所述标定片上的涂层与所述模型上的涂层的材料、厚度、粗糙度相同；

加热片，与标定片贴合，用于对标定片加温，加热片温度受温控仪控制；

灯，用于所述加热片上的涂层提供激发能量，使其向外辐射可见光；

温控仪，与所述加热片连接，用于加热所述加热片至指定温度并将温度数据上传；

第一相机，位于所述加热片的一侧，并安装第一色光滤光片，用于连续采集所述模型的图像、记录所述模型表面第一色光的光强值；

第二相机，位于所述加热片的一侧，并安装第二色光滤光片，用于连续采集所述模型的图像、记录所述模型表面第二色光的光强值；

工作站，与所述第一相机、第二相机通信连接，用于存储所述标定片第一色光、第二色光的光强值，并计算同一时刻第一色光、第二色光的光强比，根据光强比与温升之间的关系，将光强比换算到温度变化，进而计算出所述标定片温度；

所述灯、第一相机、第二相机与所述测量系统中的所述灯、第一相机、第二相机参数一致。

10.一种用于权利要求1-4任一所述脉冲风洞热流测量系统的标定方法，其特征在于，包括以下步骤：

在一标定片表面涂有双色温敏材料，形成涂层，所述涂层的材料、厚度、粗糙度和所述模型上的涂层相同；

将加热片与标定片贴合，加热片温度受温控仪控制对标定片加温；

使用光线照射标定片的涂层，使其向外辐射第一色光、第二色光；

将标定片加热至指定温度并记录温度数据，同时采集此温度下标定片上的涂层辐射的第一色光的光强值、第二色光的光强值，计算第一色光、第二色光的光强比；针对不同温度重复该过程，得到一个温度序列下的对应的光强比；

计算光强比与温升分布之间的关系；

所述光线与所述测量系统中所述灯发出的光线相同，采集标定片上的涂层辐射光强的设备与所述测量系统的相机的参数一致。