CN111879494A - 基于电子束荧光的低密度风洞流场空间测点位置标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电子束荧光的低密度风洞流场空间测点位置标定方法。该标定方法利用电子枪发射垂直于喷管的水平轴线的电子束；喷管出口安装有位于风洞水平中心线的靶板。试验段抽真空后启动电子枪，电子束在靶板上烧蚀出一系列靶点；测量靶点位置，确定电子束与喷管的相对位置；靶板更换为中心定位杆，放入纵横标尺板；通过中心定位杆确定纵横标尺板与喷管的轴线的相对位置并记录；取下中心定位杆，将纵横标尺板平移至喷管的轴线上，将纵横标尺板通过凸透镜聚焦在ICCD相机上并拍照。通过纵横标尺板的刻度与ICCD相机像素之间的相对位置关系，确定各测点在纵横标尺板上的位置，各测点之间的距离，以及各测点相对喷管的轴线的距离，完成位置标定。

Description

基于电子束荧光的低密度风洞流场空间测点位置标定方法

技术领域

本发明属于高超声速风洞试验技术领域，具体涉及一种基于电子束荧光的低密度风洞流场空间测点位置标定方法。

背景技术

在高超声速低密度风洞中，采用电子束测量流场中某一个测点的密度、速度和温度时，需要确定该测点在流场中的空间位置。由于电子束在磁场的影响下，会发生偏移，需要知道电子束在流场中的真实位置；电子束测量又是非接触测量，电子束工作在密闭的真空环境中，试验人员无法进入真空环境进行测量，且测试仪器设备均放置在流场外。在风洞试验时，为了保证流场的不受扰动，不能在流场中放置任何参照物，故在测量前，需先通过靶板确定电子束与喷管的相对位置，再通过具有标尺的图像对应出测点位置。具有标尺的图像通常在风洞试验前或风洞试验结束后，由试验人员手持钢板尺，将钢板尺放置在流场中的固定位置拍照获得。由于钢板尺拍照会反光，不利于刻度分辨，而且手持钢板尺的试验人员与拍照人员之间必须密切配合，拍照效率较低。

当前，亟需发展一种基于电子束荧光的低密度风洞流场空间测点位置标定方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于电子束荧光的低密度风洞流场空间测点位置标定方法。

本发明的基于电子束荧光的低密度风洞流场空间测点位置标定方法，其特点是，所述的标定方法使用的装置包括安装在高超声速低密度风洞的试验段上驻室的电子枪，电子枪发射的电子束垂直于高超声速低密度风洞的喷管的水平轴线；

在喷管出口端面固定有喷管出口定位法兰，喷管出口定位法兰上固定有位于高超声速低密度风洞的水平中心线的靶板，靶板上有刻度线；

在试验段的观察窗外，布置有凸透镜；

ICCD相机布置在凸透镜的外侧，ICCD相机与计算机之间通过网线连接；

所述的标定方法包括以下步骤：

a.将试验段抽真空至20Pa以下，启动电子枪，电子枪发射的电子束打在靶板上，电子束烧蚀靶板的第一个位置约10s后，得到靶点Ⅰ，继续按照预先设置的电子枪行进路线，顺序移动电子枪进行烧蚀，直至烧蚀完毕，得到靶点Ⅱ、靶点Ⅲ……靶点n，电子枪停止工作；

b.试验段放真空，打开试验段，测量靶板上的靶点的位置，确定电子束与喷管的相对位置；

c.将靶板更换为中心定位杆，在喷管与扩压器之间放入与水平中心线平行的纵横标尺板；

d.通过中心定位杆确定纵横标尺板与喷管的轴线的相对位置并记录；

e.取下中心定位杆，将纵横标尺板移至喷管的轴线上，调节凸透镜将纵横标尺板聚焦在ICCD相机上，ICCD相机拍照，通过纵横标尺板的刻度与ICCD相机像素之间的相对位置关系，确定各测点在纵横标尺板上的位置，各测点之间的距离，以及各测点相对喷管的轴线的距离，完成低密度风洞流场空间测点位置标定。

进一步地，所述的ICCD相机替换为光谱仪和CCD相机，光谱仪和CCD相机布置在凸透镜的外侧，光谱仪和CCD相机与计算机之间通过网线连接；

步骤e替换为如下过程：取下中心定位杆，将纵横标尺板移至喷管的轴线上，调节凸透镜将纵横标尺板聚焦在ICCD相机上，ICCD相机拍摄图片；通过纵横标尺板的水平刻度与图片的水平像素参数，得到ICCD相机的水平分辨率S1；通过纵横标尺板的竖直刻度与图片的竖直像素参数，得到ICCD相机的竖直分辨率S2，以轴线为位置基准，确定流场中测点的纵向位置；完成低密度风洞流场空间测点位置标定。

进一步地，所述的纵横标尺板安装在支撑座上，支撑座的下部有三个支撑和高度调节螺钉，支撑座上还安装有水平仪。

进一步地，所述的纵横标尺板的材料为亚克力板或有机玻璃，纵横标尺板上覆盖有一层绘制了刻度的薄膜。

进一步地，所述的靶板的材质为不锈钢。

进一步地，所述的电子枪具有X、Y运动自由度。

本发明的基于电子束荧光的低密度风洞流场空间测点位置标定方法操作便捷，空间分辨率高，能够有效的解决基于电子束荧光的低密度风洞流场空间测点定位问题。

附图说明

图1为本发明的基于电子束荧光的低密度风洞流场空间测点位置标定方法中使用的靶板的安装示意图(主视图)；

图2为本发明的基于电子束荧光的低密度风洞流场空间测点位置标定方法中使用的纵横标尺板的安装示意图(主视图)；

图3为本发明的基于电子束荧光的低密度风洞流场空间测点位置标定方法中使用的ICCD相机的安装示意图(侧视图)；

图4为本发明的基于电子束荧光的低密度风洞流场空间测点位置标定方法中使用的光谱仪和CCD相机的安装示意图(侧视图)；

图5a为X＝100mm截面的径向速度分布曲线；

图5b为X＝150mm截面的径向速度分布曲线；

图5c为X＝200mm截面的径向速度分布曲线；

图5d为X＝250mm截面的径向速度分布曲线；

图6为本发明的基于电子束荧光的低密度风洞流场空间测点位置标定方法获得的振动温度分布曲线。

图中，1.喷管 2.试验段 3.电子束 4.电子枪 5.喷管出口定位法兰 6.靶板 7.扩压器 8.纵横标尺板 9.ICCD相机 10.计算机 11.光谱仪 12.CCD相机 13.凸透镜。

图6中，□表示喷管出口X＝100mm截面的径向振动温度分布曲线；

■表示喷管出口X＝150mm截面的径向振动温度分布曲线；

▲表示喷管出口X＝200mm截面的径向振动温度分布曲线；

○表示喷管出口X＝250mm截面的径向振动温度分布曲线。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明。

如图1～图4所示，本发明的基于电子束荧光的低密度风洞流场空间测点位置标定方法使用的装置包括安装在高超声速低密度风洞的试验段2上驻室的电子枪4，电子枪4发射的电子束3垂直于高超声速低密度风洞的喷管1的水平轴线；

在喷管1出口端面固定有喷管出口定位法兰5，喷管出口定位法兰5上固定有位于高超声速低密度风洞的水平中心线的靶板6，靶板6上有刻度线；

在试验段2的观察窗外，布置有凸透镜13。

进一步地，所述的纵横标尺板8安装在支撑座上，支撑座的下部有三个支撑和高度调节螺钉，支撑座上还安装有水平仪。

进一步地，所述的纵横标尺板8的材料为亚克力板或有机玻璃，纵横标尺板8上覆盖有一层绘制了刻度的薄膜。

进一步地，所述的靶板6的材质为不锈钢。

进一步地，所述的电子枪4具有X、Y运动自由度。

实施例1

本实施例采用ICCD相机9进行流场空间测点位置标定，并应用于流场速度测量。ICCD相机9布置在凸透镜13的外侧，ICCD相机9与计算机10之间通过网线9连接。

具体工作过程如下：

a.将试验段2抽真空至20Pa以下，启动电子枪4，电子枪4发射的电子束3打在靶板6上，电子束3烧蚀靶板6的第一个位置约10s后，得到靶点Ⅰ，继续按照预先设置的电子枪4行进路线，顺序移动电子枪4进行烧蚀，直至烧蚀完毕，得到靶点Ⅱ、靶点Ⅲ……靶点n，电子枪4停止工作；

b.试验段2放真空，打开试验段2，测量靶板6上的靶点的位置，确定电子束3与喷管1的相对位置；

c.将靶板6更换为中心定位杆，在喷管1与扩压器7之间放入与水平中心线平行的纵横标尺板8；

d.通过中心定位杆确定纵横标尺板8与喷管1的轴线的相对位置并记录；

e.取下中心定位杆，将纵横标尺板8移至喷管1的轴线上，调节凸透镜13将纵横标尺板8聚焦在ICCD相机9上，ICCD相机9拍照，通过纵横标尺板8的刻度与ICCD相机9像素之间的相对位置关系，确定各测点在纵横标尺板8上的位置，各测点之间的距离，以及各测点相对喷管1的轴线的距离，完成低密度风洞流场空间测点位置标定。

f.将电子枪4和ICCD相机9连接同步控制器；

g.启动高超声速低密度风洞，建立流场；

h.打开电子枪4、同步控制器、ICCD相机9和计算机10；

i.启动同步控制器，同步控制器发送频率为f的脉冲信号至电子枪4和ICCD相机8，电子枪4发射脉冲的电子束3，ICCD相机9同步拍摄脉冲的电子束3荧光图像并传输至计算机10，计算机10同步采集脉冲的电子束3荧光图像，得到荧光图像F，荧光图像F上包括一系列频率为f的荧光条纹，相邻荧光条纹之间的像素点个数为N1、N2、......，距离为L1＝S1×N1，L2＝S1×N2......；荧光条纹之间的平均距离为La；

j.通过公式V＝La×f得到一个测点的速度V，同理得出各测点的速度；

k.将速度与位置对应，得到低密度风洞流场的空间速度分布，具体见图5a、图5b、图5c和图5d。

实施例2

本实施例采用光谱仪11和CCD相机12进行流场空间测点位置标定，并应用于温度场测量。光谱仪11和CCD相机12布置在凸透镜13的外侧，光谱仪11和CCD相机12与计算机10之间通过网线9连接；

具体工作过程如下：

a.将试验段2抽真空至20Pa以下，启动电子枪4，电子枪4发射的电子束3打在靶板6上，电子束3烧蚀靶板6的第一个位置约10s后，得到靶点Ⅰ，继续按照预先设置的电子枪4行进路线，顺序移动电子枪4进行烧蚀，直至烧蚀完毕，得到靶点Ⅱ、靶点Ⅲ……靶点n，电子枪4停止工作；

b.试验段2放真空，打开试验段2，测量靶板6上的靶点的位置，确定电子束3与喷管1的相对位置；

c.将靶板6更换为中心定位杆，在喷管1与扩压器7之间放入与水平中心线平行的纵横标尺板8；

d.通过中心定位杆确定纵横标尺板8与喷管1的轴线的相对位置并记录；

e.取下中心定位杆，将纵横标尺板8移至喷管1的轴线上，调节凸透镜13将纵横标尺板8聚焦在ICCD相机9上，ICCD相机9拍摄图片；通过纵横标尺板8的水平刻度与图片的水平像素参数，得到ICCD相机9的水平分辨率S1；通过纵横标尺板8的竖直刻度与图片的竖直像素参数，得到ICCD相机9的竖直分辨率S2，以轴线为位置基准，确定流场中测点的纵向位置；完成低密度风洞流场空间测点位置标定。

f.启动高超声速低密度风洞，建立流场；

g.打开电子枪4、光谱仪11、CCD相机12和计算机10；

h.电子枪4发射电子束3，CCD相机12拍摄各测点的电子束荧光振动谱带图像并传输至计算机10，计算机处理后得到如图6所示的低密度风洞流场的空间振动温度分布。

Claims (6)

1.基于电子束荧光的低密度风洞流场空间测点位置标定方法，其特征在于，所述的标定方法使用的装置包括安装在高超声速低密度风洞的试验段(2)上驻室的电子枪(4)，电子枪(4)发射的电子束(3)垂直于高超声速低密度风洞的喷管(1)的水平轴线；

在喷管(1)出口端面固定有喷管出口定位法兰(5)，喷管出口定位法兰(5)上固定有位于高超声速低密度风洞的水平中心线的靶板(6)，靶板(6)上有刻度线；

在试验段(2)的观察窗外，布置有凸透镜(13)；

ICCD相机(9)布置在凸透镜(13)的外侧，ICCD相机(9)与计算机(10)之间通过网线(9)连接；

所述的标定方法包括以下步骤：

a.将试验段(2)抽真空至20Pa以下，启动电子枪(4)，电子枪(4)发射的电子束(3)打在靶板(6)上，电子束(3)烧蚀靶板(6)的第一个位置约10s后，得到靶点Ⅰ，继续按照预先设置的电子枪(4)行进路线，顺序移动电子枪(4)进行烧蚀，直至烧蚀完毕，得到靶点Ⅱ、靶点Ⅲ……靶点n，电子枪(4)停止工作；

b.试验段(2)放真空，打开试验段(2)，测量靶板(6)上的靶点的位置，确定电子束(3)与喷管(1)的相对位置；

c.将靶板(6)更换为中心定位杆，在喷管(1)与扩压器(7)之间放入与水平中心线平行的纵横标尺板(8)；

d.通过中心定位杆确定纵横标尺板(8)与喷管(1)的轴线的相对位置并记录；

e.取下中心定位杆，将纵横标尺板(8)移至喷管(1)的轴线上，调节凸透镜(13)将纵横标尺板(8)聚焦在ICCD相机(9)上，ICCD相机(9)拍照，通过纵横标尺板(8)的刻度与ICCD相机(9)像素之间的相对位置关系，确定各测点在纵横标尺板(8)上的位置，各测点之间的距离，以及各测点相对喷管(1)的轴线的距离，完成低密度风洞流场空间测点位置标定。

2.根据权利要求1所述的基于电子束荧光的低密度风洞流场空间测点位置标定方法，其特征在于，所述的ICCD相机(9)替换为光谱仪(11)和CCD相机(12)，光谱仪(11)和CCD相机(12)布置在凸透镜(13)的外侧，光谱仪(11)和CCD相机(12)与计算机(10)之间通过网线(9)连接；

步骤e替换为如下过程：取下中心定位杆，将纵横标尺板(8)移至喷管(1)的轴线上，调节凸透镜(13)将纵横标尺板(8)聚焦在ICCD相机(9)上，ICCD相机(9)拍摄图片；通过纵横标尺板(8)的水平刻度与图片的水平像素参数，得到ICCD相机(9)的水平分辨率S1；通过纵横标尺板(8)的竖直刻度与图片的竖直像素参数，得到ICCD相机(9)的竖直分辨率S2，以轴线为位置基准，确定流场中测点的纵向位置；完成低密度风洞流场空间测点位置标定。

3.根据权利要求1所述的基于电子束荧光的低密度风洞流场空间测点位置标定方法，其特征在于，所述的纵横标尺板(8)安装在支撑座上，支撑座的下部有三个支撑和高度调节螺钉，支撑座上还安装有水平仪。

4.根据权利要求1所述的基于电子束荧光的低密度风洞流场空间测点位置标定方法，其特征在于，所述的纵横标尺板(8)的材料为亚克力板或有机玻璃，纵横标尺板(8)上覆盖有一层绘制了刻度的薄膜。

5.根据权利要求1所述的基于电子束荧光的低密度风洞流场空间测点位置标定方法，其特征在于，所述的靶板(6)的材质为不锈钢。

6.根据权利要求1所述的基于电子束荧光的低密度风洞流场空间测点位置标定方法，其特征在于，所述的电子枪(4)具有X、Y运动自由度。

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