CN110146220A - 考虑温度控制与光路布局的正弦式光学压力动态校准舱 - Google Patents
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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,用于压力敏感涂料的动态压力校准。本发明通过配置专用光学精密平台,自行设计制造相关组件,实现了动态校准舱光学仪器对准过程的优化,该优化可以大大减少实验时间,优化实验过程,提升动态响应频率。本发明通过选择PT100温度传感器,加热圈和配套的温度控制仪,实现了动态校准过程中对光学压敏涂料温度的精确控制,进而可以研究温度对光学压敏涂料动态响应的影响。通过动态校准舱的改进,本发明可以实现80kHz以下各个波段光学压敏的动态校准,达到世界先进水平,并接近叶轮机械实际频率范围。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
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。本发明可以更为简便地完成正弦周期型动态校准,主要用于压力敏感涂料高频动态压力校准。
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,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(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,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。
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NASALangley、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。根据PSP涂料的特性与测压原理,光强与压力之间的关系不仅受到温度的影响而且还与校准时的光路布局有关。因此,普通的动态压力校准舱在光学压敏涂料的校准方面尚不够完善。
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,即为第一版。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。本专利就是为解决上述问题而产生的。
2018年,本发明人设计了第一版的正弦式光学压力敏感涂料动态校准舱。该动态校准舱分为转接段和主体段两部分。该校准舱依据声学驻波原理、截止频率原理、减少声波能量损耗原则、管道零消声量原理设计了各部分的结构及尺寸。该校准舱突破了2017年日本东北大学10kHz动态校准的频率上限,达到19kHz频率上限。该校准舱在当时已达到世界领先水平并满足实验要求,但实验的深入对校准舱提出了更高的要求。更高的要求包括:频率上限达到80kHz,实现光学压敏涂料温度的精确控制,实现光学仪器对准过程的优化。在此基础上,本发明自行设计了温度控制模块,自行设计了光学实验平台组件并搭建了光学实验平台,结合第一版的动态校准舱组建了新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。
发明内容
要解决的技术问题
为了解决现有技术的不足之处,本发明提出一种考虑温度控制与光路布局的正弦式光学压力动态校准舱,解决的技术问题:
1.优化动态校准舱光学仪器的对准过程。
2.实现动态校准过程中对光学压敏涂料的温度精确控制。
3.突破正弦式光学压力敏感涂料动态压力校准舱第一版频响上限的限制。
技术方案
一种考虑温度控制与光路布局的正弦式光学压力动态校准舱,其特征在于包括动态压力传感器、PT100温度传感器、驻波管主体段支撑架上部、驻波管主体段支撑架、驻波管、光电倍增管支撑架上部、光电倍增管支撑架、驻波管转接段支撑架上部、驻波管转接段支撑架、光学精密隔振平台、激光源支撑架、激光源支撑架上部、激光源、加热圈和光电倍增管;驻波管分为主体段和转接段,驻波管的主体段通过驻波管主体段支撑架与驻波管主体段支撑架上部固定在光学精密隔振平台上,驻波管的转接段通过驻波管转接段支撑架与驻波管转接段支撑架上部固定在光学精密隔振平台上,动态压力。
所述的光学精密隔振平台为带孔式的不锈钢平台。
所述的驻波管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深的与底盖配合的内螺纹,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;在底盖上设有能穿动态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
本发明提出的一种考虑温度控制与光路布局的正弦式光学压力动态校准舱,有益效果如下:
1、通过光路模拟确定了各部件位置,通过自行设计的驻波管支撑架、激光源支撑架、光电倍增管支撑架等结构固定了部件位置,从而使得动态校准舱光学仪器的对准过程大大优化,节省了大量实验时间;
2、通过自行设计的温度控制系统可实现动态校准过程中对光学压敏涂料温度的精确控制,可以研究光学压敏涂料动态响应特性对温度的敏感性;
3、实现80kHz以下的光学压敏涂料动态校准,达到世界先进水平,接近叶轮机械实际工况;
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。
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为校准舱视角三下的组装图;
图4为校准装置工作示意图;
图5为激光源和光电倍增管的位置光路模拟结果图;
图6为确定的激光源和光电倍增管位置处的模拟光强结果;
图7为温度控制仪控制结果图;
图8为动态压力传感器测得动态校准舱80kHz舱内压力波动频谱图;
图9为80kHz下动态校准舱对光学压敏涂料动态校准压力频谱图。
图10为驻波管图
对于图中标号的说明:1-动态压力传感器、2-PT100温度传感器、3-第一紧固螺栓、5-第二紧固螺栓、7-第三紧固螺栓、9-第四紧固螺栓、11-第五紧固螺栓、14-第六紧固螺栓、20-第七紧固螺栓、23-第八紧固螺栓、4-驻波管主体段支撑架上部、18-驻波管主体段支撑架、6-驻波管、21-光电倍增管支撑架上部、8-光电倍增管支撑架、10-驻波管转接段支撑架上部、13-驻波管转接段支撑架、12-光学精密隔振平台、15-激光源支撑架、17-激光源支撑架上部、16-激光源、19-加热圈、22-光电倍增管、24-声源、25- 主体段、26-底盖、27-内螺纹、28-第一法兰、29-第二法兰、30-密封胶圈、31-转接段、 32-第三法兰、33-光学压敏校准片、34-透明视窗。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述:
1、与驻波管连接组件的选择及连接方式
如图1所述,驻波管6为正弦式光学压力敏感涂料动态压力校准舱第一版中所设计的驻波管。动态压力传感器1与PT100压鼻式温度传感器2通过传感器保护套连接至驻波管6。PT100压鼻式温度传感器可以贴在光学压敏涂料表面进行测温,测温精度高。该传感器选择精度为1/3B精度,可测温度精度0.1℃,可测温度范围为-50℃到 250℃,满足实验要求。驻波管主体段支撑架上部4与驻波管主体段支撑架18通过两个螺栓3连接,驻波管转接段支撑架上部10与驻波管转接段支撑架13通过两个螺栓 9连接,驻波管6被前后两个驻波管支撑架支撑并固定。螺栓11将驻波管6与声源24 进行了连接。加热圈19通过自带螺栓紧固于驻波管6主体段的压力敏感涂料附近。选择加热圈为环形加热圈,这种加热圈可以直接套在驻波管6上,避免了其他类型加热板与驻波管6的连接问题。激光源16通过激光源支撑架15与激光源支撑架上部17 进行位置固定,激光源支撑架15与激光源支撑架上部17通过两个螺栓5进行固定,激光源支撑架15与光学精密隔振平台12通过两个螺栓14进行连接。光学精密隔振平台12选择带孔式的不锈钢平台。光电倍增管(PMT)22通过光电倍增管支撑架21与光电倍增管支撑架上部8进行位置固定,光电倍增管支撑架21与光电倍增管支撑架上部8通过两个螺栓7进行固定,光电倍增管支撑架21与光学精密隔振平台12通过两个螺栓20进行连接。
2、激光源相关组件的选择及固定
激光源16选择紫外激光源,该激光源发射出的光波分段恰好可以激发光学压敏涂料,使其产生激发光。激光源16通过激光源支撑架15与激光源支撑架上部17进行位置固定,激光源支撑架15与激光源支撑架上部17通过两个螺栓5进行固定,激光源支撑架15与光学精密隔振平台12通过两个螺栓14进行连接。光学精密隔振平台12 选择带孔式的不锈钢平台,这种平台水平性良好,可以通过自带孔与其他组件进行连接,可以实现极其精密的定位功能。
3、光电倍增管的固定
光电倍增管(PMT)22通过光电倍增管支撑架21与光电倍增管支撑架上部8进行位置固定,光电倍增管支撑架21与光电倍增管支撑架上部8通过两个螺栓7进行固定,光电倍增管支撑架21与光学精密隔振平台12通过两个螺栓20进行连接。
4、动态校准实验系统的搭建
将全频率喇叭通过螺栓11与驻波管6进行连接,并将喇叭通过功放连接至主机。主机声卡可通过功放将特定频率的信号传递给声源喇叭,并可通过功放控制声源喇叭的信号大小。
将紫外激光源连接至控制电源,再将控制电源连接至直流稳压电源。通过改变控制电源电流大小即可改变紫外激光源强度大小。
将光电倍增管连接至直流稳压电源进行供电,再将其信号输出接到主机数据采集卡上进行数据采集。在光电倍增管前加装一块滤波片,用于过滤掉非光学压敏涂料激发光的其它光源。
将动态压力传感器固定于驻波管底盖上,用于测量驻波管内部压力变化。将动态压力传感器连接至主机数据采集卡上,用于采集驻波管内部压力动态变化。
将PT100压鼻式温度传感器贴合在光学压敏涂料表面,用于测量光学压敏涂料的温度,将温度传感器信号输出接至温度控制仪,为温度控制仪提供温度信号输入。将加热圈套在驻波管接近光学压敏涂料附近,用于改变光学压敏涂料的温度。将加热圈的电源接至温度控制仪。温度控制仪信号输入为温度传感器,信号输出为加热圈。设置好目标温度后,温度控制仪通过内部的继电器可形成对温度的实时控制。通过温度传感器、温度控制仪、加热圈等结构可组成温度控制系统。温度传感器将探测到的温度信号传递给温度控制仪,温度控制仪控制加热圈的电路通断。
5、暗环境的搭建
遮蔽一切非紫外激光源及非光敏漆激发光源。
6、本发明设计的技术问题的解决结果
6.1、动态校准舱光学仪器的光路布局实现优化
一直以来,动态校准舱的各个光学仪器,包括光源和光电传感器等的对准一直是一件很麻烦的事情。特别是对于光电传感器而言,如果没有对准光电传感器,实验将采集记不到任何信号。而光电传感器的对准是一件极其困难的事情,光电传感器在空间的定位存在XYZ三个方向的自由度,在对准过程中需要对三个方向都进行多次微小调整,再通过主机观察是否对准。这样的过程注定是枯燥且漫长的,往往在实验开始前,仅光电传感器的对准过程就需要4个小时左右的时间来完成。因此优化动态校准舱光学仪器的对准过程是一件极其有意义且必要的事情。
在本发明中,通过光路模拟可以大致确定激光源和光电倍增管在平面内的位置及在空间内的高度。在第一次做实验时通过一次寻找,可以最终确定激光源和光电倍增管的位置。本发明中所用到的光学对准仪器,除光学精密隔振平台12是购置的专用设备外,其它对准设备均为自行设计制造的。通过光学精密隔振平台12与激光源支撑架 15及光电倍增管支撑架21的螺纹配合对激光源和光电倍增管加以固定,即可以实现平面内其位置的选择。通过之前光路模拟计算可以确定激光源及光电倍增管的高度,通过设计激光源支撑架15及光电倍增管支撑架21的高度即可实现空间内高度的固定。通过平面内位置的固定和空间内高度的固定,激光源及光电倍增管即可实现位置的固定,在后续实验过程中就无需再对激光源和光电倍增管进行位置的调整,大大减少了实验时间,优化了实验过程。如图5所示,是通过光路模拟最后确定的激光源和光电倍增管的位置,理想情况下PMT应与光源等处于同一平面,该平面包括PMT主光轴、光源主光轴、校准舱试验段中轴线与最大光强区域中心。PMT主光轴应直接对准PSP 底片的几何中心,即PMT主光轴应与图5黑色区域的中心重合。由此可得PMT探头主光轴与校准舱试验段中轴线所成夹角为34.7°±3°。考虑到若PMT与PSP底片过远,则信噪比(Signal to Noise Ratio,简称SNR)会由于荧光信号强度的衰减而降低;而由于实际试验中PMT探头由于其实际结构尺寸限制,也不可能无限靠近光学视窗,所以PMT探头与校准片的距离应该某个范围内。而由软件追迹结果可知,当PMT探头位置与校准片距离在l=30mm~80mm间时,光强最大处的面积为PMT采光面积的1~2 倍内变化,既可以保证PMT探头处的光照均匀度又尽可能地提高了SNR。考虑到激发光光源与PMT的正交性,故光源光轴与中轴线夹角应在55.3°±3°左右,处于存在光照的18.6°~58.8°的范围内,故光源与PMT的正交性也可满足。图6是该位置处的模拟光强结果,可以看出,在该位置是可以完成实验目的的。
6.2、动态校准过程中对光学压敏涂料温度精确控制的实现
光学压敏分子发光强度与环境压力的关系可以使用Stern-Volmer关系式进行表述:
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。而A(T),B(T)与C(T)等都是与温度T有关的参数。这说明,光学压敏涂料的性能是与温度有关的。同时在光学压敏涂料的动态校准过程中,温度会很大程度上通过影响光学压敏涂料的分子回迁过程和“氧猝灭“过程来影响光学压敏涂料的频响上限和响应时间特性。
如图7,本发明通过3.2.4节中的温度控制方法,可实现对0-200℃内的温度控制,精度可达0.1℃。
6.3、正弦式光学压力敏感涂料动态压力校准舱第一版频响上限的突破
本发明在第一版的基础上,通过增加温控仪,改变了光学压敏涂料的性能,提高了光学压敏涂料的动态频响上限。同时通过增加光学精密隔振平台,使得光电传感器能够更好地对准光学压敏涂料,也能够在一定程度上提高光学压敏涂料的动态频响上限。
在实验过程中,作者对光学压敏涂料从0.4kHz开始进行动态校准,并按照一定规律等节点提高频率测量。实验结果表明,一直到80kHz,该发明都能实现对光学压敏涂料的动态校准。
图8说明直到80kHz,动态校准舱都能够明显分辨舱内压力波动,具有该频率下动态校准的潜能。
图9说明直到80kHz,动态校准舱都能对光学压敏涂料进行动态校准,且该频率下采集到的光学压敏涂料激发光强信号仍然强于其他杂波信号,能够明显的进行区分。
参考图8与图9,可得出结论:
该发明完全满足80kHz频率以下的光学压敏动态校准工作要求.
1.按照图4及上述方法摆放各仪器,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.通过驻波管内动态压力校准舱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测得的结果,实现对光学压力敏感涂料的动态校准。
Claims (5)
1.一种考虑温度控制与光路布局的正弦式光学压力动态校准舱,其特征在于包括动态压力传感器(1)、PT100温度传感器(2)、驻波管主体段支撑架上部(4)、驻波管主体段支撑架(18)、驻波管(6)、光电倍增管支撑架上部(8)、光电倍增管支撑架(21)、驻波管转接段支撑架上部(10)、驻波管转接段支撑架(13)、光学精密隔振平台(12)、激光源支撑架(15)、激光源支撑架上部(17)、激光源(16)、加热圈(19)和光电倍增管(22);驻波管(6)分为主体段和转接段,驻波管(6)的主体段通过驻波管主体段支撑架(18)与驻波管主体段支撑架上部(4)固定在光学精密隔振平台(12)上,驻波管(6)的转接段通过驻波管转接段支撑架(13)与驻波管转接段支撑架上部(10)固定在光学精密隔振平台(12)上,动态压力。
2.根据权利要求1所述的一种考虑温度控制与光路布局的正弦式光学压力动态校准舱,其特征在于所述的光学精密隔振平台(12)为带孔式的不锈钢平台。
3.根据权利要求1所述的一种考虑温度控制与光路布局的正弦式光学压力动态校准舱,其特征在于所述的驻波管(6)的主体段(25)的截面为圆形,内径为50mm,长度为318mm,在主体段(25)的一端开20mm深的与底盖(26)配合的内螺纹(27),在主体段(25)距离底盖(26)端30mm处上下两侧开有长度为40mm、宽度为30mm的透明视窗(34),透明视窗(34)与主体段(25)通过玻璃胶连接,主体段(25)的另一端连接第一法兰(28),第一法兰(28)通过螺钉和第二法兰(29)连接,在第一法兰(28)和第二法兰(29)之间设有密封胶圈(30),第二法兰(29)的另一端与转接段(31)的大端连接,所述的转接段(31)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(31)的小端连接第三法兰(32);在底盖(26)上设有能穿动态压力传感器(1)信号线的孔,光学压敏校准片(33)利用双面胶连接在底盖(26)上。
4.根据权利要求3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(31)、主体段(25)的材料为不锈钢。
5.根据权利要求3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(34)的材料为石英玻璃。
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