CN104316262A - 双用光学压力敏感涂料动态压力校准舱 - Google Patents

Abstract

本发明是一种双用光学压力敏感涂料动态压力校准舱，主要用于压力敏感涂料动态压力校准。本发明解决了压力敏感涂料对动态校准装置的特殊要求，填补了国内在该领域的空白，同时该校准舱分别与电磁阀和扬声器配合使用，即可以完成非周期型校准也可以实现周期型校准，达到一舱两用的效果。为保证压力阶跃模式和正弦模式的方便切换，校准舱舱体专门设计了用于固定压力信号产生源(即电磁阀和扬声器)的结构。为满足压力敏感涂料测压对紫外线光的需求，在校准舱上设计了光路。为减小校准舱体积同时防止压力反射波对校准的干扰，在校准舱实验段内壁面贴有吸音材料。该校准舱不仅结构简单、便于加工、抗干扰能力强，而且可以有效降低实验成本。

Description

双用光学压力敏感涂料动态压力校准舱

技术领域

本发明涉及一种动态压力校准装置，与电磁阀和扬声器配合使用，既可以完成周期型校准也可以实现非周期型动态校准，主要用于压力敏感涂料动态压力校准。

背景技术

压力作为自动化控制的热工三参量(压力、温度、流量)之一，在测量与控制中占有非常重要的地位。测压的方式有很多，但每一种都须要对测量设备进行校准，以期获得测量数据，如电信号、光信号等与压力之间的函数关系以及测量系统如灵敏度等的特性。校准有静态校准和动态校准之分，由于科学技术和实验条件的限制，目前人们使用压力测量设备前一般只进行静态校准。然而，在实际应用中测量绝对静态压力的情况很少，且静态校准结果与动态校准结果是不同的，要想压力测量装置给出更准确的测试结果，必须对其进行动态校准。

动态校准装置分为两种基本类型：非周期型和周期型。非周期型产生阶跃波或者脉冲波；周期型产生正弦或者其他类型频率可调的周期压力波。目前，非周期型校准装置的阶跃压力发生器主要是激波管，例如专利号为US8079322(shock tube)，北京航天计量测试技术研究所张大有等人在激波管动态压力校准装置上均有成果(宇航计测技术，2004，24(4)：24-27)。但激波管管道都比较长，费用较高，而且对于小型实验室则很不适用。周期型校准装置主要有谐振式、变容积式、变质量式、射流式等。目前应用较多的有振荡射流器和声学共振管，例如专利号为CN1279756A(振荡射流)、CN102135122A(变频射流振荡器)等都是射流振荡类的，还有国外Gregory J W等人在文章“Pressure-sensitive paint as a distributed optical microphone array”(TheJournal oftheAcoustical Society ofAmerica，2006，119：251.)中阐述的声学共振管校准装置。但振荡射流器一般在开放空间内进行校准，对于像光学压敏涂料这种测压方式，会受到外界很多因素的干扰，如光及噪音等，由此造成校准精度下降。而声学共振管为防止压力波反射造成信号干扰，管道一般也很长。此外，无论是振荡射流器还是声学共振管，由于与非周期型校准装置的原理不同，采用的校准舱也不尽相同，在校准实验中需要分别制作两套校准舱，这无疑增加了实验成本。

另外，目前最新的光学测压技术——光学压力敏感涂料(PSP，pressure sensitivepaint)测压，由于其测压过程对流场无干扰，实验成本低，可全域测量等优点受到广大实验工作者的亲睐。全球各大有关气动测量机构都逐渐展开了对PSP测量技术的研究应用。除俄罗斯(原苏联)中央航空流体力学研究院(Central Aero-HydrodynamicInstitute，TsAGI)、华盛顿大学(Uniformity of Washington，UW)之外，美国主要的PSP技术研究组包括NASA Langley、NASA G1enn、波音公司、Arnold共生技术发展中心、美国空军Wright-Patterson实验室等。在欧洲，英国国防部评估和研究局，德国宇航中心，法国的国家空间研究中心等对PSP测量技术的研究都很活跃。

PSP测压原理是基于光致发光和氧猝灭原理(即在一定波长的紫外线光照下，涂料中的光敏分子由基态获得能量跃迁到激发态，再次回到基态的过程中发出辐射光，然而遇到氧分子碰撞后返回基态则不发出荧光，而不同压力时氧分子浓度不同，故辐射光强度与压力有一定联系)，也就是说，测量过程中需要设计光路给予紫外线光照，通过采集辐射光的光信号得到压力值，所以普通的动态压力校准舱已无法完成校准。而对于PSP的校准国内一直停留在静态校准的研究上，西北工业大学周强等人(空军工程大学学报，2006，8(6)：72-75)及中国科学院化学研究所(航空学报，2009，30(12)：2435-2448)等在这方面做了大量的工作，但在PSP的动态压力校准方面还未曾有突破。

发明内容

针对现有技术的不足，为填补这方面的研究的空白，本发明提供一种结构简单、加工成本低、使用性强、抗干扰能力强的新型动态压力校准舱。校准舱在满足压力敏感涂料对校准实验设备需求的同时，既可作为非周期型校准设备也可以作为周期型校准设备。

本发明的内容是：①为保证压力阶跃模式和正弦模式的方便切换，校准舱舱体专门设计了用于固定压力信号产生源(即电磁阀和扬声器)的结构；②为大幅缩短校准设备体积，同时保证正弦模式下压力变化信号不受压力波反射信号的干扰，在校准舱实验舱体内安装有吸音材料；③为了方便加工，校准舱舱体中用于固定信号源的圆柱形舱体和用于校准实验的方形舱体分开加工，再通过焊接连接在一起；④为满足PSP测压对紫外线光的需求，在校准舱上装有光学玻璃来保证光路畅通。

下面详细阐述本发明的结构。本发明的校准舱主要由舱体、前挡圈2、光学玻璃4、后挡板8及吸音材料17组成。校准舱舱体由圆柱形信号源舱体5和方形实验舱体6焊接在一起，焊接过程中保证压力信号孔14和通孔16同心。后挡板上贴有PSP校准片12和动态压力传感器11。吸音材料17贴在方形实验舱体6的内壁面上。

圆柱形信号源舱体5的螺纹孔15在正弦模式下使用，用来固定扬声器；压力信号孔14实质也是螺纹孔，在压力阶跃模式下通过空气转接头18和通气管道与电磁阀连接。方形实验舱体6内部为圆柱形，在圆柱侧壁上对称地开有气源孔13和通孔16。其中，气源孔13用来连接真空罐或空气压缩机，可以使舱体内形成低压或高压环境。在压力阶跃模式下，当电磁阀瞬间打开，舱体内的低压或高压环境短时间内与外界大气压联通，压力发生突变；在正弦模式下，扬声器通过膜的振动使周围空气压力发生相应变化，通过孔14和16使得校准舱内的气压也以同样的规律变化，。

方形实验舱体6上安装光学玻璃4，前挡圈2和后挡板8。前挡圈通过紧固螺栓1将光学玻璃按压在校准舱舱体上形成密封连接，密封方式均为螺纹联接垫圈。学玻璃与舱体可分离，可根据使用情况随时进行更换。后挡板与舱体亦为密封连接，密封方式与前挡圈相同。后挡板正中间贴有方形铝片，上面涂有压力敏感涂料，为待校准片12。校准片中间开有小孔，用于安装动态压力传感器11，作为PSP压力校准过程中的标准，其压力感受面与校准片的压力感受面齐平，保证校准的准确性。为保护动态压力传感器，将其置于保护套10内。为了保证密封，保护套10与后挡板8之间，以及压力传感器11与保护套10之间均采用环氧树脂密封。为保证校准舱较强的抗干扰能力，在实验舱内壁面上贴有吸音材料17。

本发明的有益效果是，可以作为新型压力测量方式——光学压敏涂料(PSP)测压的动态压力校准装置，同时可以方便地实现压力阶跃模式和正弦模式动态压力校准的切换，达到一舱两用的效果。不仅结构简单，便于加工，成本低廉而且抗干扰能力强。

附图说明

图1为校准舱组装图；

图2为校准舱三维示意图；

图3为校准舱舱体的剖视图；

图4为压力阶跃模式下校准装置工作示意图；

图5为正弦模式下校准装置工作示意图；

对于图中标号的说明：紧固螺栓1和9、前挡圈2、密封垫圈3和7、光学玻璃4、圆柱形信号源舱体5、方形实验舱体6、后挡板8、传感器保护罩10、动态压力传感器11、校准片12、气源孔13、压力信号孔14、螺纹孔15、通孔16、吸音材料17，、电磁阀18、空气转接头19、光电倍增管(PMT)20、示波器21、高压/低压气源22、紫外线光源23、扬声器24。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本发明的校准舱主要用于光学压敏涂料的动态压力校准，可以在两种模式下使用，在这两种模式下校准舱主体的安装是一样的。依据图纸制造此种校准舱的零件后按照下面的步骤进行安装和密封：

1.如附图1所示，将吸音材料(可以用海绵)贴在方形实验舱6的内避免上，吸音材料上的孔与通孔16和气源孔13同心，保证不遮挡舱体内与外界的气流流动。

2.将动态压力传感器11放置在保护套10内，注意传感器的压力感应部位须与保护套前端面齐平，再用环氧树脂将传感器和保护套之间的缝隙填充，注意环氧树脂不可以涂到传感器压力感应端面，以免影响测量。

3.将带有传感器的保护套10插入后挡板8的中心孔内，并用环氧树脂填充孔与保护套之间的缝隙。

4.将涂有PSP的校准片12用双面胶粘贴在后挡板8上，将涂有涂料的一面面向光学玻璃，注意放置校准片时中心孔须套在保护套10上。

5.后挡板的准备工作完成后，将密封垫圈7和后挡板8放置在与光学玻璃4对称的位置上，并用紧固螺栓9紧固密封。

6.将光学玻璃4放置在方形实验舱体6内，再将密封垫圈3和前挡圈2依次套在光学玻璃上，用4个紧固螺栓固定密封。

以上步骤完成了校准舱的组装，下面分别介绍阶跃模式和正弦模式下校准舱与其他零部件之间的安装及工作原理。

压力阶跃模式：

1.如附图4所示，将空气转接头19的一头与压力信号孔14连接，转接头的另一头通过空气导管与电磁阀连接。

2.同样采用空气转接头的螺纹部分与气源孔13连接，另一端通过空气导管与高压/低压气源22连接，即真空罐或空气压缩机。

3.动态压力传感器引线与示波器21连接，随时监测并存储压力信号。

4.合理摆放光电倍增管20和紫外线光源23的位置，保证光源可以照射到校准片，同时不会遮挡PMT对PSP发出光的采集。

正弦模式

如图5所示，将扬声器24通过四个螺钉固定在圆柱形信号源舱体5上，其引出的线分别是电源线线和信号传输线。剩下的步骤与压力阶跃模式下的步骤3和4相同。

经过以上步骤完成校准装置的组装。下面介绍两种模式下的工作原理。在阶跃模式下，电磁阀接通电源之前，实验舱内处于密封状态。以低压气源为例(即22是真空罐)，此时的实验舱内是低压环境。将真空罐与实验舱相连的阀门关闭，然后接通电磁阀电源，阀门瞬间打开，实验舱内与外界大气瞬间联通，产生压力突升。在正弦模式下，扬声器通过膜的振动将电信号转变为压力信号，周围空气压力发生相应变化，带动校准舱内的压力产生正弦变化。在实验舱内加装的吸音材料(可以使海绵)可以有效防止正弦压力波的反射，减少压力反射波对校准的干扰。校准过程中，动态压力传感器11会采集到一组压力变化信号，同时对PMT输出的电信号进行处理可以得到PSP测得的压力信号变化趋势，将两者比较就可以得出PSP的动态压力特性。

Claims (5)

1.双用光学压力敏感涂料动态压力校准舱，其特征在于：由紧固螺栓1和9、前挡圈2、密封垫圈3和7、光学玻璃4、圆柱形信号源舱体5、方形实验舱体6、后挡板8、传感器保护罩10、动态压力传感器11、校准片12、气源孔13、压力信号孔14、螺纹孔15、通孔16、吸音材料17组成。

2.根据权利要求1所述的双用光学压力敏感涂料动态压力校准舱，其特征在于：为保证压力阶跃模式和正弦模式的方便切换，校准舱舱体专门设计了用于固定压力信号产生源(即电磁阀和扬声器)的结构；压力阶跃模式下，空气转接头19的螺纹部分与压力信号孔14连接，转接头的另一边通过空气导管与电磁阀连接，同时，采用空气转接头的螺纹部分与气源孔13连接，另一端通过空气导管与真空罐或空气压缩机22连接，作为高压/低压气源；正弦模式下，扬声器24通过四个螺钉固定在圆柱形信号源舱体5上。

3.根据权利要求1所述的双用光学压力敏感涂料动态压力校准舱，其特征在于：为防止压力反射波的干扰，在实验舱6内壁面上贴有吸音材料17。

4.根据权利要求1所述的双用光学压力敏感涂料动态压力校准舱，其特征在于：由于光学压敏涂料独特的测压原理，测量过程中需要给予紫外线光照，并通过采集光信号得到压力值；为满足PSP测压对光路的需求，校准舱装有光学玻璃来保证光路畅通，光学玻璃与校准舱舱体可分离，可根据使用情况随时进行更换。

5.根据权利要求1所述的双用光学压力敏感涂料动态压力校准舱，其特征在于：动态压力传感器11的压力感受面与PSP校准片的压力感受面在同一平面上，保证了校准的准确性。