CN109269720B - 正弦式光学压力敏感涂料动态压力校准舱 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种正弦式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。为形成能够进行动态测量的压力环境，校准舱舱体分为了转接段，主体段和底盖部分。各段所有尺寸设计均按照相应原则进行。主体段与转接段通过法兰连接，主体段与底盖通过内外螺纹连接，底盖装配光学压敏校准片及压力传感器。为满足压力敏感涂料测压对紫外线光的需求，在校准舱主体段上装有光学玻璃来保证光路畅通。本发明突破了2017年日本东北大学光学压敏动态校准10kHz频率上限的限制，通过更改主体段及转接段长度，对19kHz以下的各个波段进行了光学压敏动态校准，达到世界先进水平。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

正弦式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，特别是涉及一种光学动态压力校准装置，属于仪器仪表技术领域。本发明与扬声器配合使用，可以完成正弦周期型动态校准，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，静态校准的目的是获得光信号等与绝对静态压力之间的转换关系。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2000年美国Purdue大学的Sakaue和 Sullivan采用激波管产生阶跃变化压力，将压力敏感涂料荧光信号与高频压力传感器进行了时间对比(Aiaa Journal,2001,39(10):1944-1949)。但激波管管道都比较长，费用较高，而且对于小型实验室很不适用，同时激波管不能够持续地进行动态测量。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驻波管，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，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。声学驻波管能够有效地对光学压敏涂料进行动态测量。例如2017 年，日本东北大学的Tamao Sugimoto,Yosuke Sugioka,Daiju Numata等人利用声学驻波管对光学压敏涂料进行了测量(AIAA JOURNAL,2017,55(4):1460-1464)，这种形式的声学驻波管能够测量的频响上限是10kHz。因为在叶轮机械行业，实际的工作频率往往高达几百kHz，上述动态校准装置不能满足频率的要求。

另外，目前最新的光学测压技术——光学压力敏感涂料(PSP，pressuresensitive paint)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 Glenn、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

要解决的技术问题

为了解决现有技术中动态校准装置只能测试10kHz以下的缺陷，本发明提出了一种新型的正弦式光学压力敏感涂料动态压力校准舱。

技术方案

一种正弦式光学压力敏感涂料动态压力校准舱，其特征在于包括第一法兰、第二法兰、第三法兰、转接段、主体段、底盖、透明视窗段、密封胶圈和光学压敏校准片；所述的主体段的截面为圆形，内径为50mm，长度为318mm，在主体段的一端开20mm 深的与底盖外螺纹配合的主体段内螺纹，在主体段距离底盖端30mm处上下两侧开有长度为40mm、宽度为30mm的透明视窗，透明视窗与主体段通过玻璃胶连接，主体段的另一端连接第一法兰，第一法兰通过螺钉和第二法兰连接，在第一法兰和第二法兰之间设有密封胶圈，第二法兰的另一端与转接段的大端连接，所述的转接段的截面为圆形，两端的直径不一致，大端的直径为50mm，小端直径为40mm，长度为107mm，转接段的小端连接第三法兰；在底盖上设有能穿压力传感器信号线的孔，光学压敏校准片利用双面胶连接在底盖上。

所述的转接段、主体段的材料为不锈钢。

所述的透明视窗的材料为石英玻璃。

有益效果

本发明提出的一种正弦式光学压力敏感涂料动态压力校准舱，该校准舱主体结构为驻波管，利用驻波管形成驻波特性提高动态校准的频响特性。该校准舱能够对光学压力敏感涂料进行19kHz以下的动态校准。该校准舱具有以下优点：

1、能够根据计算公式，通过更改主体段及转接段长度，从而对19kHz以下的各个波段进行光学压敏动态校准，达到世界先进水平；

2、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。

3、动态压力传感器的压力感受面与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。

4、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。

附图说明

图1为校准舱视角一下的组装图；

图2为校准舱视角二下的组装图；

图3为校准装置工作示意图；

对于图中标号的说明：1-第一螺纹孔、13-第二螺纹孔和14-第三螺纹孔、2-第一紧固螺栓和12-第二紧固螺栓、3-通孔、4-密封胶圈、5-第一法兰、15-第二法兰和17- 第三法兰、6-主体段、7-透明视窗、8-光学压敏校准片、9-底盖外螺纹、10-底盖、11- 压力传感器、16-转接段、18-主体段内螺纹、19-底盖引线孔、20-紫外线光源、21-光电倍增管。

图4为光学压敏动态校准实验800Hz时域图；

图5为光学压敏动态校准实验5606Hz时域图；

图6为光学压敏动态校准实验19200Hz时域图；

图7为光学压敏动态校准实验10170Hz压力频谱图；

图8为光学压敏动态校准实验15040Hz压力频谱图；

图9为光学压敏动态校准实验19200Hz压力频谱图；

图10为光学压敏动态校准实验低频率下声源频率与校准舱反射面压力对照图；

图11为光学压敏动态校准实验高频率下声源频率与校准舱反射面压力对照图；

图12为光学压敏动态校准实验具体实施图。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明所采用的具体技术方案是：

由第一法兰5、第二法兰15和第三法兰17，转接段16，主体段6，底盖10，透明视窗段7，密封胶圈4，光学压敏校准片8组成动态校准舱。由低音喇叭/高音喇叭，动态校准舱，光电倍增管(PMT)，压力传感器，数据采集卡，主机组成动态校准实验台。

1、动态校准舱的组建

a.对比矩形截面的截止频率公式

l＝max{l_x,l_y}与在声源做极轴对称的振动情况下，圆形截面的截止频率公式

相同截面面积条件下，圆形截面的截止频率高于矩形截面，故选择校准舱截面为圆形截面。

b.选择校准舱设计基频为400Hz，根据驻波共振条件

及尽可能减少声波能量损耗原则，取声速c＝340m/s，n＝1，f＝400Hz，则可算得整体长度l尺寸为425mm；如果基频选取200Hz，计算的整体长度太长，损耗变大；如果基频选取 800Hz，计算的整体长度太短，不好摆放。

c.根据校准舱圆形截面截止频率公式及圆形截面管道的标准件尺寸，选择主体段内径为50mm。为方便主体段与底盖的配合，在主体段左端开20mm深的内螺纹配合底盖。根据光路布局设计，在主体段左端30mm至70mm处两侧开宽度为30mm的透明视窗7，透明视窗与主体段通过玻璃胶连接。为方便主体段与转接段连接，在主体段右侧设计国标尺寸的第一法兰5。各法兰结构通过第一紧固螺栓2、第二紧固螺栓 12配合第一螺纹孔1、第二螺纹孔13、第三螺纹孔14连接，法兰结构确保通孔3连接无偏差。主体段与转接段的连接处需添加密封胶圈4。根据校准舱整体尺寸与转接段长度之差，计算得主体段长度为318mm。

d.为减少高次波对平面驻波的影响，并加强一次平面波的能量，根据管道能量损耗原理中的零消声量公式

此处f为通过频率，同样工作频率是通过频率的整数倍，一般转接段为整体长度的1/3左右比较合适，当f取1600Hz时，计算设计转接段16长度为107mm，比较合适。为配合喇叭内径，设计转接段16小端直径为40mm；为配合校准舱主体段尺寸，设计扩张段大端直径为50mm。

e.底盖10需制作底盖外螺纹9，以配合主体段6的主体段内螺纹18。根据压力传感器11信号线尺寸，选择底盖10的底盖引线孔19的尺寸为8mm。光学压敏校准片8利用双面胶连接底盖10。根据校准舱内径大小，设计底盖内径为50mm以配合主体段。

如果所需工作频率不是400Hz整数倍，则重新选择基频，确定工作频率是基频的整数倍。同时以转接段通过频率是基频的整数倍为条件确定转接段长度，以基频确定整体长度，以整体长度与转接段长度之差确定主体段长度。

2、动态校准实验平台的搭建

将低音喇叭/高音喇叭通过热熔胶与校准舱转接段进行连接，将喇叭通过功放连接至主机，将压力传感器及光电倍增管通过信号采集卡连接至主机，将UV光源连接至直流稳压电源。将压力敏感涂料粘在动态校准舱底盖上，将传感器固定于动态校准舱底盖上。

3、暗环境的搭建

遮蔽一切非UV光源及非光敏漆激发光源。

如图12 所示，主机输出正弦信号至声源并控制声源发出正弦信号，此正弦信号为图中的正行波。该正行波传递到管道右侧的底盖时会被反射，形成反射波。因为管道设计满足本文3.2节中的要求，所以正行波和反射波会在此时形成驻波。

将UV光源放置于与光学视窗法向大概成45°方向处，通过校准舱另一侧的光学视窗观察光学压力敏感涂料被照亮即可。将光电倍增管放置于与激光源相反的一侧，保持与光学视窗法向大概成45°方向。光电倍增管镜头前装配滤波片，以滤掉非光学压力敏感涂料产生的被激发光。光电倍增管收集到的信号会传递回主机，通过主机观察光电倍增管收集到信号即可。

校准舱中的驻波压力波动可由底盖上的传感器测得，同时光学压力敏感涂料在UV光源的照射下也会根据驻波的压力波动产生不同强度的被激发光，该被激发光可由光电倍增管测得。通过对比光电倍增管和传感器测得的结果，可实现对光学压力敏感涂料的动态校准。

为证明本发明能实现10kHz频率上限的突破，利用动态校准实验台对本发明进行了测试，根据测试得到的800Hz、5606Hz及19200Hz的时域图，可得出结论：

1.PMT测量结果与真实压力值均保持了正弦波形式，没有出现波形失真现象。同时PMT测量到的杂波未影响工作频率结果的读取。

2.不同的频率下，PMT测量电压值及真实压力值之间的相位差均保持半个相位。这与PSP的工作原理有关(PSP发光强度随着压力的增加而减小)，所以最终结果合理。

再对实验结果进行滤波和FFT变换(Fast Fourier Transformation，快速傅里叶变换) 可得到不同频率下的压力频谱图。根据10170Hz、15040Hz及19200Hz下的压力频谱图、低频率下声源频率与校准舱反射面压力对照图、高频率下声源频率与校准舱反射面压力对照图及上文提到的时域图可得出结论：

该发明完全满足19kHz频率以下的光学压敏动态校准工作要求。

Claims (3)

1.一种正弦式光学压力敏感涂料动态压力校准舱，其特征在于包括第一法兰(5)、第二法兰(15)、第三法兰(17)、转接段(16)、主体段(6)、底盖(10)、透明视窗段(7)、密封胶圈(4)和光学压敏校准片(8)；所述的主体段(6)的截面为圆形，内径为50mm，长度为318mm，在主体段(6)的一端开20mm深的与底盖外螺纹(9)配合的主体段内螺纹(18)，在主体段(6)距离底盖(10)端30mm处上下两侧开有长度为40mm、宽度为30mm的透明视窗(7)，透明视窗(7)与主体段(6)通过玻璃胶连接，主体段(6)的另一端连接第一法兰(5)，第一法兰(5)通过螺钉和第二法兰(15)连接，在第一法兰(5)和第二法兰(15)之间设有密封胶圈(4)，第二法兰(15)的另一端与转接段(16)的大端连接，所述的转接段(16)的截面为圆形，两端的直径不一致，大端的直径为50mm，小端直径为40mm，长度为107mm，转接段(16)的小端连接第三法兰(17)；在底盖(10)上设有能穿压力传感器(11)信号线的孔，光学压敏校准片(8)利用双面胶连接在底盖(10)上。

2.根据权利要求1所述的一种正弦式光学压力敏感涂料动态压力校准舱，其特征在于所述的转接段(16)、主体段(6)的材料为不锈钢。

3.根据权利要求1所述的一种正弦式光学压力敏感涂料动态压力校准舱，其特征在于所述的透明视窗(7)的材料为石英玻璃。

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