CN107202746A - 一种模型表面摩阻测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种模型表面摩阻测量装置，所述测量装置包括摩阻天平主体、测量头、压电片、保护套底座、保护套上盖和隔热挡圈。测量头固定连接在摩阻天平本体上，压电片粘贴在摩阻天平本体的力敏梁上，保护套底座和保护套上盖固定连接在摩阻天平本体的外部，保护摩阻天平本体的力敏梁结构，隔热挡圈安装在保护套底座和保护套上盖之间，用于隔离高温的试验气流。

Description

一种模型表面摩阻测量装置
技术领域
本发明涉及一种测量由于高超声速气流的粘性作用在飞行器模型表面的摩阻的测量装置，用于在高超声速脉冲风洞试验中测量气流作用在飞行器模型表面的摩阻。
背景技术
飞行器模型表面摩阻测量在飞行器布局研究、减阻、结构及部件优化、流动控制、CFD验证确认等方面都具有较高的应用价值。精确测量摩阻对提高飞行器的性能以及全面了解表面流动现象都具有重要的作用。通常在高焓脉冲型的风洞设备（如膨胀管风洞、激波风洞等）中大多采用摩阻天平测量飞行器模型表面的摩阻，使用的摩阻天平包括压电式摩阻天平、应变式摩阻天平以及光纤摩阻天平等。
Rodney D. W. Bowersox and Joseph A. Schetz, Skin friction Gauges forHigh Enthalpy Impulsive Flows, AIAA 93-5079，描述了一种在高焓脉冲设备上直接测量三维湍流附面层内摩阻的传感器，该传感器采用悬臂梁结构。
世界知识产权组织在2003年3月27日公布了发明人为ZISK Edward J. Jr；BUSSEAR Terry R.，公布号为WO2010104518A1“流体摩阻传感器和方法”的专利，该专利介绍了主要用于管道摩阻测量的摩阻传感器以及信号解调器和测量方法，该传感器采用浮动测量头和悬臂梁的形式，使用应变计电桥作为摩阻传感器的敏感元件，主要用于管道流体的摩阻测量。
上述摩阻天平结构的共同点是采用悬臂梁结构，在悬臂梁的上部有一个可移动的测量头测量作用在模型表面的摩阻，为了保证测量头的可移动特性，在测量头和模型本体之间留有间隙。但是，由于间隙的存在，会破坏模型表面流场的细微结构，从而对摩阻测量的结果产生影响。
T. B. Silvester and R. G. Morgan, Skin-Friction Measurements and FlowEstablishment With in a Long Duct at Superorbital Speeds, AIAA JOURNAL Vol.46, No. 2, February 2008，介绍了在澳大利亚昆士兰大学X3膨胀管上进行的超燃冲压发动机进气道流场建立以及摩擦阻力测量方面的研究。他们研制的摩阻传感器采用剪切型的压电陶瓷片作为摩阻天平的敏感元件。摩阻天平在进行摩阻测量时，作用在测量头表面的不仅有摩阻，还有试验气流的压力作用，压力会干扰摩阻测量的结果。在该试验中，通过在同一状态正向和反向安装摩阻天平的方法来抵消作用在摩阻测量头上的压力对测量结果造成的干扰。虽然这种方法能够有效抵消压力带来的干扰，但是不能抵消由于压力分布的非均匀性造成的附加力矩对摩阻测量结果的干扰。
发明内容
本发明的目的是提供一种模型表面摩阻测量装置，用于测量高超声速脉冲设备中模型表面的摩阻，在模型表面摩阻测量装置的设计中，采用压电片作为敏感元件，利用压电片的方向选择性来抵消作用在模型表面摩阻测量装置测量头上的非均匀压力带来的力和力矩对摩阻测量结果的干扰。
为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：
本发明的模型表面摩阻测量装置，包括：
摩阻天平主体、测量头、压电片、保护套底座、保护套上盖和隔热挡圈；
摩阻天平本体由底座、力敏梁组成，在底座上设有与保护套底座连接的销钉孔和将信号线引出模型表面摩阻测量装置的引线孔，压电片粘贴在力敏梁的两侧，在摩阻天平本体头部设有测量头安装槽；
测量头安装在摩阻天平本体头部的测量头安装槽中，利用螺钉压紧，测量头的测量面外形可以选择圆形，也可以选择方形，材料可选择与试验模型相同的材料，也可选用隔热的工程塑料材料；在模型表面摩阻测量装置安装完成时，测量头的表面与保护套上盖的表面齐平，也与试验模型的表面齐平。
压电片粘贴在力敏梁的两侧，每侧布置两个，力敏梁两侧的压电片对称布置，压电片选择D31较高的压电陶瓷片PZT-5，也可选用D31较高的压电晶体片。
保护套底座通过销钉与摩阻天平本体连接，保护摩阻天平的力敏梁上的压电片，保护套底座上设有确定模型表面摩阻测量装置测量方向的标记槽，以及测量模型表面摩阻测量装置安装角度的基准面。
保护套上盖通过螺钉安装在保护套底座上，与保护套底座共同保护摩阻天平本体力敏梁上的压电片不受损坏；
隔热挡圈为S形截面的环状结构，安装在保护套底座和保护套上盖之间，用于隔离高温的试验气流，避免模型表面摩阻测量装置上的压电片受到高温气流的作用而降低性能。
在本发明中，为了解决模型表面摩阻测量装置测量头与模型之间的间隙对摩阻测量结果带来影响的问题，在测量头和保护套上盖之间的间隙中使用软质材料如真空泥或者软橡胶进行填充，一方面，软质材料密封了测量头和模型之间的间隙，另外一个方面，软质材料由于弹性好，弹性模量小，并不能阻挡测量头位置的变化，从而保证了摩阻测量结果的准确性。
在本发明中，利用压电片的方向选择性来降低测量头表面的非均匀压力对摩阻测量结果造成的影响。
本发明的有益效果是：
1.本发明中的模型表面摩阻测量装置采用软质材料对测量头和保护套上盖之间的缝隙进行填充，降低了缝隙对摩阻测量结果的影响；
2.本发明中的模型表面摩阻测量装置采用悬臂梁结构，保证了摩阻天平的测量灵敏度；
3.本发明中的模型表面摩阻测量装置，利用压电材料的方向选择性来抵消作用在测量头表面的非均匀压力对摩阻测量结果造成的影响，提高了摩阻测量结果的准确性；
4.本发明中的模型表面摩阻测量装置，使用软质材料和隔热挡圈将高温气流阻挡在模型表面摩阻测量装置外，使天平的敏感元件免受高温气流的影响，降低了摩阻测量结果的不确定度。
附图说明
图1为本发明的模型表面摩阻测量装置的结构示意图；
图2为本发明中摩阻天平本体的结构立体图；
图3为本发明中的保护套底座结构立体图；
图4为本发明的模型表面摩阻测量装置安装后上表面结构示意图；
图中，1.摩阻天平本体，2.保护套底座，3.保护套上盖，4.测量头，5.隔热挡圈，6.压电片，7.力敏梁，8.销钉孔，9.引线孔，10.软质材料，11.测量头安装槽,12.底座,13.标记槽，14.基准面。
具体实施方案
下面结合附图，对本发明的技术方案进行更为详细的介绍。
如图1所示，本发明的模型表面摩阻测量装置包括：摩阻天平本体1、测量头4、压电片6、保护套底座2、保护套上盖3和隔热挡圈5。
摩阻天平本体1由底座12、力敏梁7组成，在底座12上设有与保护套底座2连接的销钉孔8和将信号线引出模型表面摩阻测量装置的引线孔9，压电片6粘贴在力敏梁7的两侧，在摩阻天平本体1头部设有测量头安装槽11。
测量头4安装在摩阻天平本体1头部的测量头安装槽11中，利用螺钉压紧，用于感受气流的摩阻作用，测量头4的测量面外形可以选择圆形，也可以选择方形，材料可选择与试验模型相同的材料，也可选用隔热的工程塑料材料。
压电片6粘贴在力敏梁7的两侧，每侧布置两个，力敏梁7两侧的压电片6对称布置，在压电片6的粘贴时，需要考虑压电片6的极化方向选择性和粘贴的对称性。如图2所示，在力敏梁7的一侧粘贴压电片Ⅰ601、压电片Ⅱ602，另外一侧粘贴压电片Ⅲ603，压电片Ⅳ604，其中压电片Ⅰ601的极化方向指向X轴的正向，压电片Ⅱ602的极化方向指向X轴的负向，压电片Ⅲ603的极化方向指向X轴的正向，压电片Ⅳ604的极化方向指向X轴的负向。在粘贴时，压电片Ⅰ601、压电片Ⅲ603在力敏梁7的两侧对称布置，压电片Ⅱ602、压电片Ⅳ604在力敏梁7的两侧对称布置。压电片6选择D31较高的压电陶瓷片PZT-5，也可选用D31较高的压电晶体片。
保护套底座2通过销钉与摩阻天平本体1连接，保护摩阻天平本体1的力敏梁7上的压电片6，如图3所示，保护套底座2上设有确定模型表面摩阻测量装置测量方向的标记槽13，以及测量模型表面摩阻测量装置安装角度的基准面14。
保护套上盖3通过螺钉安装在保护套底座2上，与保护套底座2共同保护摩阻天平本体1的力敏梁7上的压电片6不受损坏。
隔热挡圈5为S形截面的环状结构，安装在保护套底座2和保护套上盖3之间，用于隔离高温的试验气流。
如图4所示，摩阻测量的时候，在模型表面摩阻测量装置的测量头4和保护套上盖3之间的间隙中使用软质材料10如软橡胶或真空泥进行填充，一方面，软质材料10密封了测量头4和保护套上盖3之间的间隙，另外一个方面，软质材料10由于弹性好，弹性模量小，并不能阻挡测量头4位置的变化，从而保证了摩阻测量结果的准确性。
模型表面摩阻测量装置受到摩阻作用时，力敏梁7在摩阻的作用下发生变形，力敏梁7的一侧受到压应变，一侧发生拉应变，在同一侧沿力敏梁Z向的应变线性变小。根据压电片6的极化方向，压电片Ⅰ601、压电片Ⅱ602的表面产生符号相同大小不同的电荷。压电片Ⅲ603和压电片Ⅳ604表面产生符号相同大小不同的电荷。可以将四片压电片的输出电荷之和作为模型表面摩阻测量装置的输出。
模型表面摩阻测量装置受到非均匀压力作用时，可以等效为一个均匀压力作用和一个力矩作用。力敏梁7在均匀压力作用下，两侧发生相同的变形，由于压电片Ⅰ601、压电片Ⅲ603对称粘贴，所以感受相同的应力，根据压电片6的粘贴极化方向，在压电片Ⅰ601表面上产生正电荷，在压电片Ⅲ603表面上产生负电荷，两者之和正好抵消。压电片Ⅱ602和压电片Ⅳ604产生的电荷也正好抵消。力敏梁7在力矩的作用下，一侧受到压应变，一侧发生拉应变，在同一侧沿力敏梁Z向的应变相同。根据压电片6的粘贴极化方向，压电片Ⅰ601、压电片Ⅱ602的表面产生大小相同、符号相反的电荷，其和正好抵消。压电片Ⅲ603和压电片Ⅳ604表面产生的电荷也正好完全抵消。因此，在模型表面摩阻测量装置的设计中，可以通过压电片6粘贴位置的对称性和极化方向选择性来消除作用在测量头4上的非均匀压力对摩阻测量结果的干扰。

Claims (6)

1.一种模型表面摩阻测量装置，其特征在于：所述的模型表面摩阻测量装置包括：摩阻天平本体（1）、测量头（4）、压电片（6）、保护套底座（2）、保护套上盖（3）和隔热挡圈（5）；
摩阻天平本体由底座（12）、力敏梁（7）组成，在底座（12）上设有与保护套底座（2）连接的销钉孔（8）和将信号线引出模型表面摩阻测量装置的引线孔（9），压电片（6）粘贴在力敏梁（7）的两侧；
测量头（4）固定安装在摩阻天平本体（1）头部的测量头安装槽（11）中；
压电片（6）粘贴在力敏梁（7）的两侧，每侧布置两个，力敏梁（7）两侧的压电片（6）对称布置；
保护套底座（2）与摩阻天平本体（1）固定连接；保护套底座上（2）设有用于确定模型表面摩阻测量装置测量方向的标记槽（13），以及测量模型表面摩阻测量装置安装角度的基准面（14）；
保护套上盖（3）固定安装在保护套底座（2）上，与保护套底座（2）共同保护摩阻天平本体（1）的力敏梁上（7）的压电片（6）不受损坏；
隔热挡圈（5）为S形截面为的环状结构，隔热挡圈（5）安装在保护套底座（2）和保护套上盖（3）之间，用于隔离高温的试验气流，避免摩阻天平本体（1）的力敏梁上（7）的压电片（6）受到高温气流的作用而降低性能。
2.根据权利要求1所述模型表面摩阻测量装置，其特征在于：在测量头（4）与保护套上盖（3）的间隙中设置有用于密封的软质材料（10）。
3.根据权利要求1所述模型表面摩阻测量装置，其特征在于：测量头（4）的测量面外形与模型外表面相适配。
4.根据权利要求1所述模型表面摩阻测量装置，其特征在于：测量头（4）的材料采用与试验模型相同的材料或隔热的工程塑料材料。
5.根据权利要求2所述模型表面摩阻测量装置，其特征在于：软质材料（10）选择强度低、弹性模量小的真空泥或软橡胶材料。
6.根据权利要求1所述模型表面摩阻测量装置，其特征在于：压电片（6）采用压电陶瓷片PZT-5或D31较高的压电晶体片。
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