CN109556505A - 基于电容原理的微型油膜厚度在线快速标定系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于电容原理的微型油膜厚度在线快速标定系统及方法，系统化包括试验件、电容传感器、信号调理模块、集成处理主机和计算机，所述电容传感器安装于试验件上，并涂覆有一层表面流线修复剂形成有填涂层，所述电容传感器通过传感器信号线与信号调理模块相连，所述信号调理模块放置于集成处理主机中，所述集成处理主机通过RS‑422或USB通讯线与计算机相连。本发明解决了风洞实验中电容传感器测量飞行器壁面油膜厚度时如何提高标定精确性的问题；通过此系统可设计在线快速准确的标定方案，获得油膜厚度修正曲线。
Description
技术领域
本发明属于电容式精密测量技术领域，尤其涉及一种基于电容原理的微型油膜厚度测量传感器的在线快速标定系统及方法。
背景技术
在航空航天领域，飞行器正逐步向超声速、高超声速发展。在该领域取得突破将对我国综合国力的提升产生重大而深远的影响。飞行器所受气动阻力主要由压差阻力和摩擦阻力两部分构成，其中关于压差阻力的研究，目前理论和数值模拟都已相对完善。
而随着高超声速飞行器的飞行Ma数和高度的逐渐升高，摩擦阻力成为衡量各类飞行器气动性能的主要参数之一，其大小直接关系到一体化外形是否能够获得净推力。因此，精确计算飞行器表面摩擦应力，改善表面局部流动，降低摩擦阻力，对飞行器减阻优化设计具有重要意义。并且精确的摩擦阻力计算数据对于湍流建模，解决实际工程流动问题也至关重要。但是壁面摩擦阻力与壁面边界层流动结构密切相关，而且层流区域与湍流区域差异大，由于转捩及湍流结构的复杂性与不确定性，导致壁面摩擦阻力估算困难，必须依靠风洞实验解决。
风洞实验中，在飞行器壁面敷设油膜，实时在线测量风洞实验中飞行器壁面油膜厚度，通过建立油膜厚度与飞行器壁面摩擦系数或剪切应力的关系，可实现飞行器壁面摩擦阻力实时在线测量。当前普遍采用光纤干涉技术测量油膜厚度，但利用该方法对风洞实验中的壁面油膜厚度进行测量时，实验模型必须具备特殊材质制造的光滑反光表面，大多气动测试模型不能满足要求，粗糙的表面不适于采用干涉法；同时干涉法也无法满足高分辨率，复杂表面摩阻分布的测量要求。因此该方法安装复杂，易受风洞实验中气动因素，振动因素影响，对测试设备要求较高，后期数据处理计算复杂，经济性不高。
风洞实验中，敷设在飞行器壁面油膜厚度通常处于毫米至微米数量级，对传感器的尺寸、测量精度提出了很高的要求。电容传感器精确测量关键在于标定的精确性，而传感器在试验件上安装后，往往需要涂抹一层表面流线修复剂。介质的改变，使得传感器无法实现预先标定。同时由于实验需求，往往需要使用不同粘度的油样进行实验。由于介质改变，电容传感器也需要重新标定。因此要求必须能实现现场的快速实时在线标定。
共面电容式传感器将一对平行极板展开在与目标相对的同一个平面内，在两极板上方构成工作区域，安装调试方便。1994年何家祥等人利用共面电容式传感器发展了一种非金属零件在线测厚技术，证明了共面电容传感器用于测厚的可行性。然而，不同于零件厚度的测量，风洞实验中，敷设在飞行器壁面油膜厚度通常处于毫米至微米数量级，对传感器的尺寸、测量精度提出了更高的要求。
电容传感器精确测量关键在于标定的精确性，而传感器在试验件上安装后，往往需要涂抹一层表面流线修复剂。介质的改变，使得传感器无法实现预先标定。同时由于实验需求，往往需要使用不同粘度的油样进行实验。由于介质改变，电容传感器也需要重新标定。因此要求必须能实现现场的快速智能标定。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种基于电容原理的微型油膜厚度在线快速标定系统及方法，本发明基于电容传感器的油膜厚度测量系统参数的标定技术，设计快速标定方案，获得油膜厚度修正曲线。通过设计和进行系统性能分析实验，可完成系统性能测试评价，以满足风洞实验环境下油膜厚度实时在线测量要求。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
基于电容原理的微型油膜厚度在线快速标定系统，包括试验件，还包括电容传感器、信号调理模块、集成处理主机和计算机，所述电容传感器安装于试验件上，并涂覆有一层表面流线修复剂形成有填涂层，所述电容传感器通过传感器信号线与信号调理模块相连，所述信号调理模块放置于集成处理主机中，所述集成处理主机通过RS-422或USB通讯线与计算机相连。
进一步的，所述集成处理主机中放置有至少两台信号调理模块以实现多通道测量。
基于电容原理的微型油膜厚度在线快速标定方法，包括以下步骤：
(1)在试验件上开孔，将电容传感器安装于试验件的开孔内，为保证试验件及电容传感器表面光滑，在开孔内涂覆一层表面流线修复剂形成有填涂层；
(2)将电容传感器与信号调理模块连接，集成处理主机与计算机连接；
(3)通过气动装置实现标定过程中油膜厚度的变化，通过对涂覆在试验件上的油样施加风力的方法，使油样产生由厚变薄的变化过程，模拟风洞实验中油膜厚度的变化；
(4)在气动装置对油样施加风力时，电容传感器对油样厚度进行动态变化测量，并进行记录；
(5)电容传感器将接收到的信号输入到信号调理模块中进行处理，最后通过计算机进行线性拟合，并将拟合系数输入集成处理主机中对应的信号调理模块进行存储固化；此时已完成标定过程，通过标定形成一系列针对不同厚度的数据，拟合成曲线，以用于之后真实测量时进行比对，从而得到数据。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
1.本发明解决了风洞实验中电容传感器测量飞行器壁面油膜厚度时如何提高标定精确性的问题；
2.通过此方法可设计在线快速准确的标定方案，获得油膜厚度修正曲线。
3.可通过设计和进行系统性能分析实验，完成系统性能测试评价，以满足风洞试验环境下油膜厚度实时在线测量要求。
附图说明
图1为电容传感器的安装示意图。
图2为具体实施例中的标定系统架构图。
图3为具体实施例中通过本发明标定系统进行在线快速标定与通过第三方测量装置进行标定的流程示意图。
附图标记：1-电容传感器，2-试验件，3-填涂层，4-信号调理模块，5-集成处理主机，6-计算机，7-表面待测厚度油膜，8-气动装置，9-第三方测量装置，10-数据转换器
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供基于电容原理的微型油膜厚度在线快速标定系统，包括试验件2、电容传感器1、信号调理模块4、集成处理主机5和计算机6，电容传感器1安装于试验件2上，并涂覆有一层表面流线修复剂形成有填涂层3，电容传感器1通过传感器信号线与信号调理模块4相连，信号调理模块4放置于集成处理主机5中，集成处理主机5通过RS-422或USB通讯线与计算机6相连。
本实施例基于电容传感器的油膜厚度测量系统参数的标定技术，设计快速标定方案，获得油膜厚度修正曲线。并设计和进行系统性能分析实验，完成系统性能测试评价，以满足风洞实验环境下油膜厚度实时在线测量要求。具体如下：
首先安装电容传感器。图1所示为现场测试环境下电容传感器安装示意图，在试验件2上开孔，将电容传感器安装于试验件的开孔内，为保证试验件及传感器表面光滑，需要在开孔内涂抹一层表面流线修复剂，形成填涂层3。
其次搭建标定系统。见图2，安装完电容传感器1后，将电容传感器与信号调理模块4相连，信号调理模块被放置在集成处理主机5中，集成处理主机可放置多个信号调理模块从而实现多通道的测量。信号调理模块选用本公司(善测(天津)科技有限公司)自行生产并出售的SM-BCDU01模块，该模块为电容式间隙测量信号调理模块，可应用于本试验环境下油膜厚度的测量及试验前标定。集成处理主机选用本公司自行生产并出售的BCMS主机，该主机最大可扩展8通道SM-BCDU01模块。第三方测量装置9作为标定系统的标准安装在试验件上方，与数据转换器10连接，数据转换器与集成处理主机相连。集成处理主机通过RS-422或USB通讯与计算机6相连，通过计算机可以远程控制每个模块的相关参数，并对每个模块进行实时参数监控。
最后进行在线快速标定，见图3，标定系统安装完成后，通过气动装置8实现标定过程中油膜厚度的变化，通过对涂覆在试验件上的油样施加风力的方法，使表面待测厚度油膜7产生由厚变薄的变化过程，模拟风洞实验中油膜厚度的变化。在气动装置对油样施加风力时，电容传感器与第三方测量装置同步对油样厚度进行动态变化测量，并进行记录。电容传感器将接收到的信号输入到信号调理模块中进行处理，然后通过集成处理主机中的模拟数据采集模块将测量数据收集，紧接着将电容传感器的测量数据与第三方测量装置的测量数据进行同步比对。最后通过计算机进行线性拟合，并将拟合系数输入集成处理主机中对应的信号调理模块进行存储固化。此时已完成标定过程，通过标定形成一系列针对不同厚度的数据，拟合成曲线，可用于之后真实测量时进行比对，从而得到数据。
和第三方测量仪器相比，本发明标定系统具有能够稳定安装并且尺寸微小的优点，能够在更加准确测量风洞实验中测量飞行器壁面油膜厚度的同时减小安装难度，适合普及应用。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.基于电容原理的微型油膜厚度在线快速标定系统，包括试验件，其特征在于，还包括电容传感器、信号调理模块、集成处理主机和计算机，所述电容传感器安装于试验件上，并涂覆有一层表面流线修复剂形成有填涂层，所述电容传感器通过传感器信号线与信号调理模块相连，所述信号调理模块放置于集成处理主机中，所述集成处理主机通过RS-422或USB通讯线与计算机相连。
2.根据权利要求1所述基于电容原理的微型油膜厚度在线快速标定系统，其特征在于，所述集成处理主机中放置有至少两台信号调理模块以实现多通道测量。
3.基于电容原理的微型油膜厚度在线快速标定方法，基于权利要求1所述快速标定系统，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在试验件上开孔，将电容传感器安装于试验件的开孔内，为保证试验件及电容传感器表面光滑，在开孔内涂覆一层表面流线修复剂形成有填涂层；
(2)将电容传感器与信号调理模块连接，集成处理主机与计算机连接；
(3)通过气动装置实现标定过程中油膜厚度的变化，通过对涂覆在试验件上的油样施加风力的方法，使油样产生由厚变薄的变化过程，模拟风洞实验中油膜厚度的变化；
(4)在气动装置对油样施加风力时，电容传感器对油样厚度进行动态变化测量，并进行记录；
(5)电容传感器将接收到的信号输入到信号调理模块中进行处理，最后通过计算机进行线性拟合，并将拟合系数输入集成处理主机中对应的信号调理模块进行存储固化；此时已完成标定过程，通过标定形成一系列针对不同厚度的数据，拟合成曲线，以用于之后真实测量时进行比对，从而得到数据。
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