CN106872100B - 驻波管型光学压力敏感涂料动态压力校准舱 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种动态压力校准装置，利用驻波理论构造周期动态变化压力场，主要用于光学压力敏感涂料的动态压力校准，也可用于其它与压力变化相关的周期型动态校准，对国内动态频响特性校准提供了新方案。本发明基于驻波叠加和驻波共振原理，设计了三段式动态校准舱结构，便于根据不同实验条件进行拆卸更换。校准舱加工材料为有机玻璃，侧壁为平面，减少了光学散射，提高光学测量精度。为减少截面变化产生的损失，本发明设计了截面连续变化的过渡结构。同时为保证校准结果准确，用于参考的压力传感器探头与PSP校准片保持同一平面，且与平面压力波的波面平行相对。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

驻波管型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，利用声驻波理论构造周期动态变化压力场，主要用于光学压力敏感涂料的动态压力校准，也可用于其它与压力变化相关的周期型动态校准。
背景技术
目前最新的光学测压技术——光学压力敏感涂料(Pressure sensitive paint，PSP)测压，由于其具有测压过程对流场无干扰、实验成本低、可全域测量等优势受到广大实验工作者的青睐。利用该技术对动态压力进行非定常测量前，除需对所用涂料进行静态校准，获取光信号与压力之间的函数对应关系外，还需要对涂料进行动态校准，获取该涂料的时间响应特性和频率响应特性。
动态校准舱是对涂料进行动态校准实验的装置，分为两种基本类型：非周期型和周期型。非周期型产生阶跃压力或者脉冲压力，通过比较一次压力突变中PSP涂料发光信号与压力变化的速度可获取涂料的时间响应特性；周期型产生正弦或者其他类型频率可调的周期变化压力，通过比较光信号相对压力信号的幅值增益及相位落后可获取涂料的频率响应特性。目前应用于光学压力敏感涂料的周期型校准装置有振荡射流器和变容积压力校准舱，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Yves Le Sant等人在文章“Unsteady pressure measurementinstrumentation using anodized-aluminium PSP applied in a transonic windtunnel”(Measurements Science and Technology,2004,2349:2360)以及专利号为CN104316262A中所阐述的变容积式压力校准舱。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；变容积式压力校准舱可以产生的压力变化频率小且波形易失真，导致校准测量时信噪比过小而使得测量不精确。
由于PSP涂料测压过程是基于光致发光和氧猝灭原理，也就是说，测量过程中需要设计光路给予紫外线光照，通过采集被激发光的光信号换算压力值，而现有用于传感器校准的普通动态压力校准舱为光学封闭性结构，无法完成PSP涂料的动态校准。目前国内在对应用于PSP涂料的动态压力校准方面，尤其是获取PSP涂料频响特性的周期性动态压力校准的研究还有较大空白。
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。校准舱满足压力敏感涂料对校准实验设备的需求，可作为周期型校准设备，对PSP涂料的频率响应特性进行较高精度动态校准，此外也可用于其他压力测量手段的动态校准。
本发明的内容是：①为保证产生稳定波形的正弦压力变化，依据驻波叠加和驻波共振原理设计驻波管型动态压力校准舱的结构和尺寸；②校准舱总体设计为可拆卸的三段式结构——转接段、主体段和实验段，转接段可根据不同起振源进行更换，实验段可根据不同实验目的或待测对象进行更换，各段之间用法兰进行连接；③为实现光学实验测量，校准舱选用有机玻璃材料进行加工。校准舱管道横截面为矩形，实验段观测区侧壁为平面，避免了曲面对光线带来的散射，减小光学影响，使得实验光学测量更准确；④圆形起振源与矩形校准舱管道主体连接的转接段设计为“天圆地方”的截面连续变化结构，避免了突变截面带来的压力波能量损失，使得动态压力校准舱具备更好的性能；⑤涂有待校准压敏涂料的校准片安置在校准舱管道的底面上，保证了涂料样品感受到幅值强度最大且均匀稳定的正向压力；⑥用作参考对比的动态压力传感器感受头与涂有涂料的校准片表面处于同一截面位置且保持平行，保证了压敏涂料与压力传感器时刻感受到相同的压力。
下面详细阐述本发明的结构。本发明的校准舱主要由舱体、起振源(1)、动态压力传感器(9)组成。校准舱舱体由转接段(2)、主体段(5)，和实验段(8)组成，各段之间通过法兰(3)和(7)进行连接，法兰间夹有橡胶密封圈(4)和(6)。实验段(8)端部内壁上贴有PSP校准片(10)，固定有动态压力传感器(9)。
起振源1与功率放大器相连，功率放大器与可输出不同频率正弦信号的信号发生器连接，从而控制起振源以不同频率正弦变化规律振动；动态压力传感器与多路高速AD采集卡相连，采集动态压力传感器的测量数据，作为PSP动态校准的比对。
下面介绍本发明的基本原理。由信号发生器产生频率可调的正弦变化信号，通过功率放大器后传输给起振器，控制起振器产生一定频率的平面振动压缩纵波，经转接段后在主体段传播，在实验段封闭端面发生反射，传播到起振器平面后再次被反射，使得管内存在多道组振动波，当合理设计选择管道长度和振动频率后，可使得各组振动波相位一致，相互叠加强度最高，即实现驻波共振状态，在该状态下振动强度最高，实验段反射端即固定PSP校准片和动态压力传感器探头处的压强变化幅值由于共振叠加达到最大，以给定频率正弦规律变化，从而建立动态压力校准舱的压力变化环境。
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，能产生可调频率的稳定正弦规律变化的压力场，也可用作其它需要周期变化压力环境的实验研究。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为校准舱整体三维示意图；
图2为校准舱实验段右视图；
图3为校准舱工作示意图；
图4为动态校准测量结果处理图。
对于图中标号的说明：起振器(1)、转接段(2)、法兰(3)和(7)、橡胶密封圈(4)和(6)、主体段(5)、实验段(8)、动态压力传感器(9)、校准片(10)、紫外线光源(11)、光电倍增管(PMT)(12)。
具体实施方式
下面结合附图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，可以对PSP涂料的频率响应特性进行动态校准研究。依靠本校准舱实现动态校准研究测量的过程如下：
1.在实验前，清洁校准片(10)表面，喷涂被测光学压敏涂料并进行烘干，待涂料固化后，将校准片固定在实验段反射壁面处，喷有涂料的一侧朝外，如图2；
2.如图2，将动态压力传感器(9)通过实验段反射壁面孔并进行固定和密封。注意传感器的压力感应部位须与校准片端面齐平，再用环氧树脂将传感器保护套与壁面孔之间的缝隙填充，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.实验段的准备工作完成后，将起振源(1)与转接段(2)连接，并通过环氧树脂密封，然后将转接段(2)、主体段(5)和实验段(8)通过法兰(3)和(7)进行连接，在法兰连接面分别加入与法兰形状一致的橡胶密封圈(4)和(6)来实现密封。
以上步骤完成了动态压力校准舱的组装，下面介绍利用本校准舱的动态校准过程及工作原理。
1.动态压力传感器(9)引线与多路高速采集卡连接，随时监测并存储压力信号；
2.合理摆放PMT光电倍增管(12)和紫外线光源(11)的位置，保证光源可以照射到校准片，PMT可以采集到PSP校准片的激发光；并尽量减少紫外线光源对PMT采集的干扰；
3.将信号发生器的信号通过功率放大器后传输给起振源(1)，控制起振源以预先设计的频率产生振动；
4.记录不同驻波共振频率下，动态压力传感器测得的压力实时变化值与PMT所测PSP校准片激发荧光光强的实时变化值。
下面介绍基于本动态压力校准舱的动态校准工作原理。起振源在信号发生器的控制下，以特定频率振动，产生平面压缩波，并在校准舱内建立驻波共振状态，从而在实验段(8)中固定压力传感器(9)和校准片(10)处产生强度较高、波形稳定的正弦变化压力场。在校准过程中，动态压力传感器(9)会采集到一组压力变化信号，同时对PMT光电倍增管(12)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，将两者处理比较就可以得出PSP的动态频率响应特性，如图4。

Claims (3)

1.驻波管型光学压力敏感涂料动态压力校准舱，其特征在于：由校准舱舱体、起振源(1)、动态压力传感器(9)组成；校准舱舱体由转接段(2)、主体段(5)，和实验段(8)组成，各段之间通过法兰(3)和(7)进行连接，法兰间夹有橡胶密封圈(4)和(6)；实验段(8)端部内壁上贴有PSP校准片(10)，固定有动态压力传感器(9)；依据驻波叠加和驻波共振原理设计驻波管型动态压力校准舱的尺寸；合理摆放PMT光电倍增管(12)和紫外线光源(11)的位置，保证光源可以照射到校准片(10)，PMT光电倍增管(12)可以采集到PSP校准片(10)的激发光；起振源(1)与功率放大器相连，功率放大器与可输出不同频率正弦信号的信号发生器连接，从而控制起振源以不同频率正弦变化规律振动；动态压力传感器与多路高速AD采集卡相连，采集动态压力传感器的测量数据，作为PSP动态校准的比对。
2.根据权利要求1所述的驻波管型光学压力敏感涂料动态压力校准舱，其特征在于：设计为三段式结构——转接段(2)、主体段(5)和实验段(8)，转接段可根据不同起振源进行更换，实验段可根据不同实验目的或待测对象进行更换。
3.根据权利要求1所述的驻波管型光学压力敏感涂料动态压力校准舱，其特征在于：为减小突变截面带来的压力波损失，圆形起振源(1)与矩形校准舱管道主体连接的转接段(2)设计为前圆后方的截面连续变化结构。
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