CN110044545A - 考虑静态与正弦压力变化的双用光学压力敏感涂料校准舱 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种考虑静态与正弦压力变化的双用光学压力敏感涂料校准舱，通过对透明视窗处结构的改进以及多处密封的设计，保证了静态与正弦压力变化两者模式的密封性；同时对静态使用时，专门设计了用于连接电磁阀的静态头，以满足静态模式的测量，本发明实现了一套系统能实现两者模式的兼容测量，节约成本，加工性强。
Description
技术领域
本发明属于仪器仪表技术领域，涉及一种压力校准装置，与高灵敏度电磁阀和高精度扬声器配合使用，主要用于压力敏感涂料的压力校准，既可以完成压力敏感涂料的静态校准也可以实现周期性正弦压力变化的动态校准。
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，但每一种都需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。
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-Hydrodynamic Institute,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。
同理，这种PSP测压方式也需要进行校准。校准有静态校准和动态校准之分，静态校准的目的是获得信号等与绝对静态压力之间的转换关系，即Stern-Volmer关系(简称S-V关系)：
式中，Pref和Iref分别代表参考压力和参考压力下的光强，P与I表示测量物体表面压力和与之对应的光强值。式(1)中的A、B、C参数是由静态校准实验确定的。
专门用于静态校准的校准舱目前发展比较成熟，以西北工业大学2017年李瑞宇、高丽敏等人的研究为例(Chinese Journal of Aeronautics,(2018),31(6):1198–1205)，该静态校准系统由激发源，气源，CCD相机以及一套标定设备组成。该标定设备将压力调节器、整体加热/冷却板封装于一个黑箱中以提升信噪比。该类设备可以进行5kpa到300kpa压力的静态校准，由于该设备的量程较大，所以相应的测量精度就较低。同时该设备仅用于进行光学压敏涂料的静态校准，而不能用于进行动态校准。
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，必须还要对其进行动态校准，即不仅获得信号与压力的定量关系，还可获得信号对时间的响应关系。
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(AIAAJournal,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,DaijuNumata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，且也只保持了光学压敏涂料的恒温控制，并未研究温度对光学压敏涂料动态特性的影响。2018年笔者设计的第一版正弦式光学压力敏感涂料动态压力校准舱(专利申请号：201811295683.2)能达到19kHz。
在国内的PSP动态校准方面，西北工业大学杨冠华等人(专利号：2017100219811)设计了驻波管型光学压力敏感涂料动态压力校准舱。西北工业大学李瑞宇等人在《快速响应压敏涂料动静态特性试验研究》(中国工程热物理学会，2016)中对PSP进行了静态和动态校准。这些专利或文章虽然能对PSP进行动态校准，但其存在校准频率较低，杂波影响较大等缺点，且并未解决光学仪器光路布局的优化问题，也并未研究温度对PSP动态响应的影响。
2018年，本发明人设计了第二版的考虑温度控制与光路布局的正弦式光学压力动态校准舱(申请号：201910155484.x)。本发明将在第二版的基础上进行改进，使其能够进行静态动态的双用测量。
发明内容
要解决的技术问题
为了解决现有技术静态校准模式和正弦式动态校准模式不能兼容的缺陷，本发明提出了一种考虑静态与正弦动态压力变化的双用光学压力敏感涂料校准舱。
技术方案
一种考虑静态与正弦压力变化的双用光学压力敏感涂料校准舱，其特征在于包括驻波管主体段、底盖、透明视窗、视窗盖圈、光学精密隔振平台、激光源、驻波管主体段支撑架上部、驻波管主体段支撑架、光电倍增管、光电倍增管支撑架上部、光电倍增管支撑架、加热圈、密封垫圈、动态转接段和静态头，所述的驻波管主体段为台阶式，内径为50mm，一端为法兰，一端连接底盖，靠近底盖一侧外径为53mm，靠近法兰一侧外径为60mm；底盖上的传感器引线孔制作为内螺纹，以配合带有外螺纹的Kulite传感器及温度传感器；在外径为53mm的那段上开有用于安装透明视窗的视窗孔，透明视窗为双月牙型结构，较小的月牙塞入主体段的视窗孔，其尺寸与视窗孔尺寸完全一致，较大的月牙嵌在主体段与视窗盖圈中间用以固定；驻波管主体段通过驻波管主体段支撑架上部和驻波管主体段支撑架固定在光学精密隔振平台上，激光源通过激光源支撑架上部和激光源支撑架固定在光学精密隔振平台上，光电倍增管通过光电倍增管支撑架上部和光电倍增管支撑架固定在光学精密隔振平台上，加热圈套在底盖上；当用于正弦式动态校准模式时，驻波管主体段连接动态转接段，在两者之间设有密封垫圈，动态转接段连接声源；当用于静态校准模式时，驻波管主体段连接静态头，在两者之间设有密封垫圈，静态头中间设有进气塞，进气塞连接静态进气管、静态进气管连接电磁阀。
所述的光学精密隔振平台为带孔式的不锈钢平台。
所述的动态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。
所述的驻波管主体段、动态转接段的材料为不锈钢。
所述的透明视窗的材料为石英玻璃。
有益效果
本发明提出的一种考虑静态与正弦压力变化的双用光学压力敏感涂料校准舱，实现了以下功能：
1、静态校准模式和正弦式动态校准模式的切换
本发明通过更换动态转接段与静态转接头可实现两种模式的切换，具体实施方案在“具体实施方式”中论述。
2、两种模式密封的实现
在本发明中容易产生密封不严的位置有：透明视窗处、底盖引线处、法兰连接处、静态头进气管处。在透明视窗处通过新设计的结构及尺寸可保证其密封，在底盖引线处可通过螺纹连接保证其密封，在法兰连接处可通过螺纹及垫圈保证其密封，在静态头进气管处通过进气塞保证其密封。故该两种模式均可保证密封。
3、两种模式配件的选择
正弦式动态校准模式配件主要为高质量扬声器，高质量代表能在高频率下保证高的幅值稳定性。静态校准模式配件主要为高精度电磁阀及气源。因为本发明的静态模式针对的是小量程高精度测量，所以高精度电磁阀需要能分辨小于10Pa的压力脉动，以提高静态校准的分辨力，气源需要选择能够配合该电磁阀的气源。
附图说明
图1为主体段三维结构图；
图2为主体段工程图；
图3为透明视窗工程图；
图4为视窗盖圈工程图；
图5为主体段与底盖、传感器装配图；
图6为动态校准工作示意图；
图7为静态头与进气塞、静态进气管装配图；
图8为静态校准工作示意图；
图9为正弦式动态校准整体装配图视角一；
图10为正弦式动态校准整体装配图视角二；
图11为静态校准整体装配图；
对于图中标号的说明：1-主体段、2-透明视窗、3-视窗盖圈、4-底盖、5-Kulite传感器、6-温度传感器、7-扬声器声源、8-功放、9-光电倍增管、10-主机、11-温度控制仪、12-光电倍增管滤光片、13-加热圈、14-校准片、15-激光源滤光片、16-激光源、17-储气罐/真空罐、18-电磁阀、19-光学精密隔振平台、20-驻波管主体段支撑架上部、21-驻波管主体段支撑架、22-激光源支撑架上部、23-激光源支撑架、24-密封垫圈、25-动态转接段、26-光电倍增管支撑架上部、27-光电倍增管支撑架、28-静态进气管、29-进气塞、30-静态头。
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：
1两种模式共用部分(主体段)的设计
该主体段在发明人设计的第一版正弦式光学压力敏感涂料动态压力校准舱(申请号：201811295683.2)的基础上进行改进，主要对透明视窗和底盖的密封性进行了进一步的加强，以适应静态校准时更高的压力密封性要求。
该部分结构及尺寸的设计如图1和图2所示，长度为318mm，主体段内径50mm，该尺寸选择依据第一版正弦式光学压力敏感涂料动态压力校准舱中所述原理进行选择。主体段外径为台阶式设计，在靠近底盖一侧外径设置为53mm，该结构及尺寸设计主要是为了配合视窗盖圈以紧固石英玻璃视窗。靠近法兰一侧外径设置为60mm。视窗大小如图2所示。在外径53mm处设置两排(每排4个，各距90°)螺纹孔用于配合视窗盖圈。
透明视窗材料选择石英玻璃，以适应光学压敏涂料的光波段。透明视窗的结构如图3所示为双月牙型结构，较小的月牙塞入主体段的视窗孔，其尺寸与视窗孔尺寸完全一致，较大的月牙嵌在主体段与视窗盖圈中间用以固定。具体尺寸如图3所示。
视窗盖圈的结构及尺寸如图4所示。
底盖与主体段的配合还是利用内外螺纹配合。底盖上的传感器引线孔制作为内螺纹，以配合带有外螺纹的Kulite传感器及温度传感器，达到密封效果。
装配过程如图5所示，先将透明视窗2的小月牙部分塞入主体段1透明视窗孔，再将视窗盖圈3装入，使得透明视窗2嵌于主体段1与视窗盖圈3之间。对准主体段1与视窗盖圈3上的螺纹孔，拧上螺栓使得主体段1，透明视窗2，与视窗盖圈3紧密配合，由于结构与尺寸设计，此时可达到密封效果。带有外螺纹的Kulite传感器5及带有外螺纹的温度传感器6与底盖4上的引线孔通过螺纹紧密连接，底盖4与主体段1通过内外螺纹紧密连接。
考虑到主体段内径大小会影响驻波品质，为使得主体段整体内径保持一致，透明视窗小月牙内径与主体段内径相同。小月牙塞入主体段的其余尺寸与主体段视窗孔尺寸一致(实际加工误差应为+0到+1mm，可通过摩擦等方式过盈配合，以达到完全密封的效果)。
大月牙与小月牙整体加工(即为一体)，外径尺寸与视窗盖圈内径尺寸一致，周向及轴向各尺寸如图3所示(均大于主体段透明视窗孔周向及轴向各尺寸)。该尺寸设计有两点原因：1.保证气密性，在静态工作模式下，如果仍有气体从小月牙与主体段视窗孔缝隙中流出，可通过大月牙加以密封(因为大月牙周向及轴向各尺寸大于主体段透明视窗孔尺寸，即可全覆盖透明视窗孔)；2.可将透明视窗夹在主体段与视窗盖圈中间。视窗盖圈内径与大月牙外径相同，外径为60mm，视窗盖圈的视窗孔周向及轴向尺寸与主体段视窗孔该尺寸相同，其余尺寸如图4所示。实际装配流程：将透明视窗小月牙通过过盈配合塞入主体段视窗孔中，此时大月牙覆盖于主体段上。将视窗盖圈从底盖一侧轴向装入，即可将透明视窗夹在主体段与视窗盖圈中间。此时周向旋转视窗盖圈，使其上的八个螺纹孔分别对准主体段上的八个螺纹孔(考虑到主体段内部要求光滑，故主体段螺纹孔为不透孔，即未完全打通)，通过螺栓将主体段与视窗盖圈固定，此时透明视窗被夹在二者之间。由于设计时已经考虑了视窗盖圈上的视窗孔位置问题，故当八个螺纹孔对齐时，视窗盖圈的视窗孔也对齐了主体段的视窗孔，保证了光路的通畅。由于只有主体段的内径会对动态模式下的驻波及静态模式下的压力密封产生影响，故视窗盖圈上的视窗孔不会对实验产生影响。
2、正弦式动态模式的转接段设计及连接
如图6所示，动态模式的转接段的设计及连接与第二第二版的考虑温度控制与光路布局的正弦式光学压力动态校准舱(申请号：201910155484.x)的设计一致。
3、静态模式的静态头设计及连接
如图7所示，静态头30沿周向均布4个螺纹孔，这四个螺纹孔的位置及大小与主体段法兰螺纹孔的位置及大小相同以便与主体段进行连接。静态头中间有一个直径10mm的孔用以塞入外径10mm的进气塞29，通过进气塞29可将进气管28密封塞入静态头。
如图8所示，将静态模式的静态头和主体段通过螺栓连接，进气管28连接到电磁阀上，电磁阀连接至气源，电磁阀连接至电脑。
正弦式动态校准模式：
1.按照图6及发明名称为“考虑温度控制与光路布局的正弦式光学压力动态校准舱”中所述方法摆放各仪器，并连线；
2.打开温度控制仪，连接好PT100温度传感器及加热圈，设置目标温度SV，观察实际温度PV是否达到目标温度；
3.打开主机，功放。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。该正行波传递到驻波管右侧的底盖时会被反射，形成反射波。因为管道设计满足第一版设计要求，所以正行波和反射波会在此时形成驻波；
4.通过驻波管内Kulite传感器获得管内压力波动真实值，通过光电倍增管传递回主机的信号获得光学压力敏感涂料的被激发光，该被激发光是根据驻波的压力波动产生不同强度的被激发光；
5.改变声源频率及温度控制仪温度，则可实现不同工况组合下的数据采集；
6.对比光电倍增管和传感器在不同频率和温度下测得的结果，实现对光学压力敏感涂料的动态校准。
静态校准模式：
1.按照图8进行连线。将动态的转接段及垫圈去掉，换上静态转接头(已装配进气塞)及静态垫圈，通过进气管将静态转接头与电磁阀进行连接，电磁阀通过通气管道连接到气源上。
2.打开温度控制仪，连接好PT100温度传感器及加热圈，设置目标温度SV，观察实际温度PV是否达到目标温度；
3.打开主机，打开电磁阀控制软件。输入所需压力，通过Kulite传感器获得舱内实际压力值，通过电磁阀控制进气通道的实时通断，形成实时负反馈调节机制；
4.通过光电倍增管传递回主机的信号获得光学压力敏感涂料的被激发光，该被激发光是根据管内压力波动不同产生不同强度的被激发光；
5.通过电磁阀改变管内压力大小，通过温度控制仪改变管内温度大小，获得不同工况下的数据；
6.对比光电倍增管和传感器在不同压力和温度下测得的结果，实现对光学压力敏感涂料的静态校准。
本发明校准舱具有以下优点：
1.该发明可以实现静态与正弦式动态的双用测量，可以在一套设备上完成两项测量，避免了设计、购买多种设备的必要；
2.该发明在静态校准方面可以更针对小范围的压力进行校准，具有更高的压力校准精度，可获得压力敏感涂料的静态标定关系，压力量程，重复性，迟滞性，灵敏度等静态参数；
3.该发明无论是静态还是正弦式动态模式均无需进行多次对光操作，只需一次对光即可避免后续实验的对光操作。同时无论是静态还是正弦式动态模式均操作简单，无需复杂操作，节省了大量实验时间；
4.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。
Claims (5)
1.一种考虑静态与正弦压力变化的双用光学压力敏感涂料校准舱，其特征在于包括驻波管主体段(1)、底盖(4)、透明视窗(2)、视窗盖圈(3)、光学精密隔振平台(19)、激光源(16)、驻波管主体段支撑架上部(20)、驻波管主体段支撑架(21)、光电倍增管(9)、光电倍增管支撑架上部(26)、光电倍增管支撑架(27)、加热圈(13)、密封垫圈(24)、动态转接段(25)和静态头(30)，所述的驻波管主体段(1)为台阶式，内径为50mm，一端为法兰，一端连接底盖(4)，靠近底盖(4)一侧外径为53mm，靠近法兰一侧外径为60mm；底盖(4)上的传感器引线孔制作为内螺纹，以配合带有外螺纹的Kulite传感器(5)及温度传感器(6)；在外径为53mm的那段上开有用于安装透明视窗的视窗孔，透明视窗(2)为双月牙型结构，较小的月牙塞入主体段的视窗孔，其尺寸与视窗孔尺寸完全一致，较大的月牙嵌在主体段与视窗盖圈(3)中间用以固定；驻波管主体段(1)通过驻波管主体段支撑架上部(20)和驻波管主体段支撑架(21)固定在光学精密隔振平台(19)上，激光源(16)通过激光源支撑架上部(22)和激光源支撑架(23)固定在光学精密隔振平台(19)上，光电倍增管(9)通过光电倍增管支撑架上部(26)和光电倍增管支撑架(27)固定在光学精密隔振平台(19)上，加热圈(13)套在底盖(4)上；当用于正弦式动态校准模式时，驻波管主体段(1)连接动态转接段(25)，在两者之间设有密封垫圈(24)，动态转接段(25)连接声源；当用于静态校准模式时，驻波管主体段(1)连接静态头(30)，在两者之间设有密封垫圈，静态头(30)中间设有进气塞(29)，进气塞(29)连接静态进气管(28)、静态进气管(28)连接电磁阀。
2.根据权利要求1所述的一种考虑静态与正弦压力变化的双用光学压力敏感涂料校准舱，其特征在于所述的光学精密隔振平台(19)为带孔式的不锈钢平台。
3.根据权利要求1所述的一种考虑静态与正弦压力变化的双用光学压力敏感涂料校准舱，其特征在于所述的动态转接段(25)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。
4.根据权利要求1所述的一种考虑静态与正弦压力变化的双用光学压力敏感涂料校准舱，其特征在于所述的驻波管主体段(1)、动态转接段(25)的材料为不锈钢。
5.根据权利要求1所述的一种考虑静态与正弦压力变化的双用光学压力敏感涂料校准舱，其特征在于所述的透明视窗(2)的材料为石英玻璃。
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