CN113109252A - 一种抗强电磁干扰的附面层摩擦阻力测量装置与方法 - Google Patents

Abstract

提供一种抗强电磁干扰的附面层摩擦阻力测量装置，由悬线、待测阻力平板、反光镜、点激光源、相机和白板构成。待测阻力平板处于吊挂状态，其重力与悬线拉力平衡，构成可以在水平方向做自由小幅度运动的单摆系统；待测阻力平板的下表面与与风洞顶壁下表面平齐，保证湍流边界层从上游往下游运动过程中，受到的干扰最小；在右侧悬线的中部，黏贴有一个轻质的反光镜，镜面的角度与悬线角度保持一致；由点激光源发出的激光束经过反光镜反射后，投影到垂直放置的白板上；数码相机起到记录白板上激光位置变化的作用。还提供一种抗强电磁干扰的附面层摩擦阻力测量方法。本发明抗电磁干扰能力强、测量结果可靠性高。

Description

一种抗强电磁干扰的附面层摩擦阻力测量装置与方法

技术领域

本发明涉及气动摩擦阻力测量领域，尤其是在强电磁干扰下，对微小的附面层摩擦阻力进行精确和可靠光学测量的方法和装置。

背景技术

当物体在空气中运动时，其表面存在着一个速度逐渐增大的薄层，叫做附面层。根据雷诺数的不同，附面层存在着两种不同的流动状态，一种为低雷诺数下的层流状态、另一种为高雷诺数下的湍流状态。对于飞机、风机和汽车等工程应用场合，雷诺数大约为10⁶-10⁷，因此附面层的流动状态主要是湍流。湍流边界层与层流边界层相比，内部存在着大量的无规则脉动，因此速度剖面更加饱满，壁面处的湍流粘性摩擦阻力也要远远高于层流摩擦阻力。为了减小飞行器和汽车在运动过程中的气动阻力，可以采用等离子体气动激励，其基本原理是通过高压放电诱导产生可控扰动，这些扰动跟湍流边界层进行耦合作用可以有效减小湍流脉动强度，进而降低湍流摩擦阻力。但在高压放电过程中，存在着强烈的电磁干扰(放电电压：10kV量级)，因此对于等离子体气动激励作用下的摩擦阻力测量至今仍是个难题。现有的测量手段，如微力传感器、热膜切应力传感器、热线探针等均依赖于mV级微弱电信号的处理，在强空间电磁干扰下设备极易损坏。此外，即便是通过多层屏蔽手段保证了上述传感器的安全，测量信号中混杂的电磁干扰信号也会改变有效信号的幅值，导致测量结果失真、不可靠、重复性差。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种抗强电磁干扰的附面层摩擦阻力测量装置，包括悬线、待测阻力平板、反光镜、点激光源、相机和白板；其中

待测阻力平板处于吊挂状态，其重力与悬线拉力平衡，构成可以在水平方向做自由小幅度运动的单摆系统；待测阻力平板的下表面与与风洞顶壁下表面平齐，保证湍流边界层从上游往下游运动过程中，受到的干扰最小；在右侧悬线的中部，黏贴有一个轻质的反光镜，镜面的角度与悬线角度保持一致；由点激光源发出的激光束经过反光镜反射后，投影到垂直放置的白板上；数码相机的镜头大致正对着白板上的激光束投影位置，数码相机起到记录垂直白板上激光位置变化的作用。

还提供一种抗强电磁干扰的附面层摩擦阻力测量方法，具体步骤如下：

步骤1：在没有风的情况下，打开整个测量系统，此时悬线自然竖直下垂，激光光束按照“无风状态”进行传播，用相机记录激光光斑在平板上的位置，用“A”标识；

步骤2：运行风洞；由于湍流摩擦阻力的作用，待测阻力平板将会整体向右侧运动，导致悬线和反光镜向右摆动，这将使激光束方向上偏；

步骤3：用相机记录“有风状态”下的激光光斑位置；理论上，“有风状态”下的激光光斑位置将位于“无风状态”的上部，其位置用“B”进行标识；光斑A和B之间的竖直距离Δy跟反光镜的角度变化呈正比，而反光镜的角度变化又与待测阻力平板向右偏离的位置呈正比，故光斑位移能够反映待测平板所受附面层摩擦阻力f大小；

步骤4：对附面层摩擦阻力f与光斑位置Δy之间的关系进行数学推导，根据光路参数计算准确的摩擦阻力数值；给出附面层湍流摩擦阻力f的近似数学表达式如下：

其中，m为待测阻力平板的质量；g为重力加速度；L为反光镜至平板之间的距离。

对于该方法而言，在平板重力mg和摩擦阻力f不变的情况下，通过增大反光镜与平板距离L的方式来提高Δy；因为相同摩擦阻力f下的光斑位移Δy代表系统的灵敏度，所以灵敏度方便调节。

对于该方法而言，若光斑位移范围Δy保持不变，通过增大平板重力mg的方式来扩大可测量的摩擦阻力f范围。

还提供另一种抗强电磁干扰的附面层摩擦阻力测量装置，包括悬线、待测阻力平板和相机；其中

待测阻力平板处于吊挂状态，其重力与悬线拉力平衡，构成可以在水平方向做自由小幅度运动的单摆系统；待测阻力平板的下表面与与风洞顶壁下表面平齐，保证湍流边界层从上游往下游运动过程中，受到的干扰最小；数码相机的镜头大致正对着观测待测阻力平板右端与风洞顶壁之间的缝隙，数码相机起到记录待测阻力平板右端与风洞顶壁之间的缝隙宽度的作用。

在本发明的一个具体实施例中，相机头部安装有微距镜头，达到放大和测量缝隙宽度的作用。

另外，提供一种抗强电磁干扰的附面层摩擦阻力测量方法，具体步骤如下：

步骤1：在没有风的情况下，打开整个测量系统，此时悬线自然竖直下垂，用相机记录平板右侧边缘所处的位置，用“A”标识；

步骤2：运行风洞；由于湍流摩擦阻力的作用，待测阻力平板将会整体向右侧运动，用相机记录“有风状态”下的平板边缘的位置，用“B”标识；

步骤3：根据相机图像的放大倍数，计算AB两条线之间的水平距离Δx，即平板的位移；摩擦阻力越大，平板的位移就越大，故Δx能够反映平板所受摩擦阻力f的大小；

步骤4：对附面层摩擦阻力f与光斑位置Δx之间的关系进行数学推导，根据单摆运动理论计算准确的摩擦阻力数值；给出附面层湍流摩擦阻力f的近似数学表达式如下：

其中，m为待测阻力平板的质量；g为重力加速度；H代表悬线的长度；分析知，增加悬线的长度或者采用高分辨相机能够提升所述方法的灵敏度，调节待测平板的质量mg能够改变阻力测量的有效范围。

本发明旨在提出一种能够在强电磁干扰环境下对微小附面层摩擦阻力进行测量的方法和装置，解决传统测量方法和装置(包括测力传感器、热膜应力传感器和热线风速仪)在等离子体放电环境中容易损坏、测量结果误差大、可靠性低的显著缺点。此外，本发明中的测量方法和装置还具有成本低、测量灵敏度高和测量范围方便调节等特点，因此在气动摩擦阻力的科学研究和工程评估中应用前景广阔。

本发明中的附面层摩擦阻力测量装置属于非电光学测量手段，与传统电学测量手段如测力传感器、热膜切应力传感器和热线探针相比，具有抗电磁干扰能力强、测量结果可靠性高的突出优点。

该发明装置可以通过悬线长度、平板质量和激光束传播长度等参数，对摩擦阻力的测量范围和测量灵敏度进行快捷调节，适应性好。

该发明装置对于点激光源和相机的性能要求极低，整个测量方案的成本低廉，经济性好。

附图说明

图1示出抗强电磁干扰的附面层摩擦阻力测量装置：光斑位移监控方案；

图2示出抗强电磁干扰的附面层摩擦阻力测量装置：缝隙宽度监控方案。

具体实施方式

如图1所示，所发明的附面层摩擦阻力测量装置由悬线、待测阻力平板、反光镜、点激光源、相机和白板构成。其中四根长度相等的悬线自顶板垂下，悬线下端的四个端点通过例如胶水或螺丝固定在待测阻力平板上表面的四个顶角，使待测阻力平板处于水平状吊挂状态(由于图1为正视图，后两条悬线受前两条悬线遮挡，故只能看到两条)。待测阻力平板的重力与悬线拉力平衡，构成可以在水平方向做自由小幅度运动的单摆系统。待测阻力平板的下表面与与风洞顶壁下表面平齐，保证湍流边界层从上游往下游运动过程中，受到的干扰最小。在右侧任一条悬线的中部，黏贴有一个轻质的反光镜，镜面的角度与悬线角度保持一致。风洞顶壁上表面的适当位置布置点激光源，该位置通常在待测阻力平板的右侧，与待测阻力平板保持一段距离，并且该位置通常处在反光镜的法向平面内。由点激光源发出的激光束射向反光镜，经过反光镜反射后，投影到垂直放置的白板上。该白板位于点激光源右侧，呈竖立状，白板正面向左，白板正面与前两条悬线决定的平面通常呈现正交状态。数码相机起到记录垂直白板上激光位置变化的作用。

该装置测量平板摩擦阻力的流程如下：

步骤1：在没有风的情况下，打开整个测量系统，此时悬线自然竖直下垂，处于图1中的实线位置，激光光束按照“无风状态”下的深色线条进行传播，用相机记录激光光斑在平板上的位置，用“A”标识。

步骤2：运行风洞。由于湍流摩擦阻力的作用，待测阻力平板将会整体向右侧运动，导致悬线和反光镜向右摆动到图中的虚线位置，这将使激光束方向上偏。

步骤3：用相机记录“有风状态”下的激光光斑位置。理论上，“有风状态”下的激光光斑位置将位于“无风状态”的上部，其位置在图1中用“B”进行标识。光斑A和B之间的竖直距离Δy跟反光镜的角度变化呈正比，而反光镜的角度变化又与待测阻力平板向右偏离的位置呈正比，故光斑位移能够反映待测平板所受附面层摩擦阻力f大小。

步骤4：对附面层摩擦阻力f与光斑位置Δy之间的关系进行数学推导，根据光路参数计算准确的摩擦阻力数值。在此省略推导过程，仅给出附面层湍流摩擦阻力f的近似数学表达式如下：

其中，m为待测阻力平板的质量；g为重力加速度；L为反光镜至白板之间的水平距离。分析上述关系式可知，在平板重力mg和摩擦阻力f不变的情况下，可以通过增大反光镜与白板距离L的方式来提高Δy。因为相同摩擦阻力f下的光斑位移Δy代表系统的灵敏度，所以该测量系统具有灵敏度可以方便调节的优点。进一步，若光斑位移范围Δy保持不变，可以通过增大平板重力mg的方式来扩大可以测量的摩擦阻力f范围。因此，该测量系统还具备测量范围可以调节的特点。

除了图1中的实现形式外，还可以通过测量平板和风洞顶壁之间的缝隙宽度变化来对附面层摩擦阻力进行测量，具体结构如图2所示。该结构包括悬线、待测阻力平板和相机，其中悬线、待测阻力平板的布置与图1相同，不同之处在于，相机只用于观测待测阻力平板右端与风洞顶壁之间的缝隙宽度。为了防止产生图像畸变，相机正对着该缝隙进行拍摄，相机头部安装有微距镜头，达到放大和测量缝隙宽度的作用。假定在无风状态下的平板边缘位置为A，有风状态下的平板边缘位置为B，那么AB之间的水平距离Δx(即平板的位移)与平板所受的摩擦阻力f呈正相关。根据单摆运动理论，可以对f的数学表达式进行推导，结果如下：

其中，m和g的含义保持不变；H代表悬线的长度。分析可知，增加悬线的长度或者采用高分辨相机可以提升图2中测量方案的灵敏度，而调节待测平板的质量mg则可以改变阻力测量的有效范围。

根据图1、图2和相应工作原理的描述，可以看出本发明中的附面层摩擦阻力测量装置属于非电测量手段，其实质是利用单摆装置将输入的阻力信号转换成输出的光信号。这一光信号可以是激光光斑的线位移(图1)，也可以是缝隙宽度的变化(图2)，当然也包括悬线角位移或者其他光学的位移信号(同样属于本专利诉求)。由于这一测量过程不涉及到微弱mv级别电压信号的处理，因此可以等离子体气动激励和磁流体激励诱导的强电磁干扰环境下工作，设备安全性、测量重复性和可靠性与传统手段相比均有显著提升。

本发明不对悬线的条数(可以是三条、四条或者更多)、悬线的类型(如尼龙、细钢丝)、激光束的产生方式、相机的类型、以及所应用的场合中有无电磁干扰做出限制。只要是利用单摆装置，将微小的附面层摩擦阻力转换为某种位移信号进行测量，均属于本专利的覆盖范畴。

Claims (7)

1.一种抗强电磁干扰的附面层摩擦阻力测量装置，其特征在于，包括悬线、待测阻力平板、反光镜、点激光源、相机和白板；其中

待测阻力平板处于吊挂状态，其重力与悬线拉力平衡，构成可以在水平方向做自由小幅度运动的单摆系统；待测阻力平板的下表面与与风洞顶壁下表面平齐，保证湍流边界层从上游往下游运动过程中，受到的干扰最小；在右侧悬线的中部，黏贴有一个轻质的反光镜，镜面的角度与悬线角度保持一致；由点激光源发出的激光束经过反光镜反射后，投影到垂直放置的白板上；数码相机的镜头大致正对着白板上的激光束投影位置，数码相机起到记录垂直白板上激光位置变化的作用。

2.一种抗强电磁干扰的附面层摩擦阻力测量方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤1：在没有风的情况下，打开整个测量系统，此时悬线自然竖直下垂，激光光束按照“无风状态”进行传播，用相机记录激光光斑在平板上的位置，用“A”标识；

步骤2：运行风洞；由于湍流摩擦阻力的作用，待测阻力平板将会整体向右侧运动，导致悬线和反光镜向右摆动，这将使激光束方向上偏；

步骤3：用相机记录“有风状态”下的激光光斑位置；理论上，“有风状态”下的激光光斑位置将位于“无风状态”的上部，其位置用“B”进行标识；光斑A和B之间的竖直距离Δy跟反光镜的角度变化呈正比，而反光镜的角度变化又与待测阻力平板向右偏离的位置呈正比，故光斑位移能够反映待测平板所受附面层摩擦阻力f大小；

步骤4：对附面层摩擦阻力f与光斑位置Δy之间的关系进行数学推导，根据光路参数计算准确的摩擦阻力数值；给出附面层湍流摩擦阻力f的近似数学表达式如下：

其中，m为待测阻力平板的质量；g为重力加速度；L为反光镜至平板之间的距离。

3.如权利要求2所述的抗强电磁干扰的附面层摩擦阻力测量方法，其特征在于，在平板重力mg和摩擦阻力f不变的情况下，通过增大反光镜与平板距离L的方式来提高Δy；因为相同摩擦阻力f下的光斑位移Δy代表系统的灵敏度，所以灵敏度方便调节。

4.如权利要求2所述的抗强电磁干扰的附面层摩擦阻力测量方法，其特征在于，若光斑位移范围Δy保持不变，通过增大平板重力mg的方式来扩大可测量的摩擦阻力f范围。

5.一种抗强电磁干扰的附面层摩擦阻力测量装置，其特征在于，包括悬线、待测阻力平板和相机；其中

待测阻力平板处于吊挂状态，其重力与悬线拉力平衡，构成可以在水平方向做自由小幅度运动的单摆系统；待测阻力平板的下表面与与风洞顶壁下表面平齐，保证湍流边界层从上游往下游运动过程中，受到的干扰最小；数码相机的镜头大致正对着观测待测阻力平板右端与风洞顶壁之间的缝隙，数码相机起到记录待测阻力平板右端与风洞顶壁之间的缝隙宽度的作用。

6.如权利要求5所述的抗强电磁干扰的附面层摩擦阻力测量装置，其特征在于，相机头部安装有微距镜头，达到放大和测量缝隙宽度的作用。

7.一种抗强电磁干扰的附面层摩擦阻力测量方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤1：在没有风的情况下，打开整个测量系统，此时悬线自然竖直下垂，用相机记录平板右侧边缘所处的位置，用“A”标识；

步骤2：运行风洞；由于湍流摩擦阻力的作用，待测阻力平板将会整体向右侧运动，用相机记录“有风状态”下的平板边缘的位置，用“B”标识；

步骤3：根据相机图像的放大倍数，计算AB两条线之间的水平距离Δx，即平板的位移；摩擦阻力越大，平板的位移就越大，故Δx能够反映平板所受摩擦阻力f的大小；

步骤4：对附面层摩擦阻力f与光斑位置Δx之间的关系进行数学推导，根据单摆运动理论计算准确的摩擦阻力数值；给出附面层湍流摩擦阻力f的近似数学表达式如下：

其中，m为待测阻力平板的质量；g为重力加速度；H代表悬线的长度；分析知，增加悬线的长度或者采用高分辨相机能够提升所述方法的灵敏度，调节待测平板的质量mg能够改变阻力测量的有效范围。

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