CN116735069A - 一种新型流场压力光学测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种新型流场压力光学测量方法，属于高速流场压力测量技术领域，解决了现有技术空间分辨率低、破坏流场、信号干扰等各类局限性问题；包括：S1、采用柔性材料，设计具有压力敏感特性的超材料结构色器件；S2、设计完成后，制备并获得超材料结构色器件；S3、对超材料结构色器件进行压力定标，获得超材料结构色器件的压力定标数据；S4、搭建试验压力测量系统，应用超材料结构色器件，测量飞行器模型在高速流场下的表面压力，结合压力定标数据，得出模型表面二维压力场分布；本发明创新性的提出超材料结构色测量流场的思路理念，其应用性能稳定，试验可重复性高，可实现较高分辨率的二维压力分布测量。
Description
技术领域
本发明属于高速流场压力测量技术领域，具体为一种新型流场压力光学测量方法。
背景技术
随着航空航天工程的发展，高超声速飞行器的研制已成为本领域研究中的重点。高速流场的压力分布作为高超声速飞行器研究的重要方向，由于数值仿真的方式难以模拟复杂变化的流场环境，因此试验测量技术长久以来都是高速流场压力研究的重要手段。
现阶段，对高速流场进行压力测量的方法，主要包括测压孔测量、压力传感器测量和压敏漆测量等；然而，现有技术的上述方法均存在其各自的缺陷，这些缺陷主要为：
1、测压孔测量技术，会破坏飞行器模型的结构，从而影响模型表面流场特征；由于测压孔的布置，使得模型表面的压力测量点较少，因此空间分辨率低；此外，由于测压管路中存在气流传导损耗和迟滞，会导致测量信号的衰减和延时。
2、压力传感器测量技术，其使用MEMS技术在模型表面布置测压单元；这种测量方法虽然具有较高的精度，但是造价成本高、系统结构复杂、测量过程繁琐，且存在测量死角，同样有压力测量点少和电磁干扰等问题。
3、压敏漆测量技术，即PSP技术；其虽然具有较好的空间分辨率，对测量流场的干扰程度小等优点，但其在高速流场中模型表面会形成较大的逆压梯度，氧气分子难以进入近壁面，产生较大的表面氧分布不均匀现象，从而造成测量误差；此外，PSP技术对组分配方、荧光时间、喷涂厚度均匀性等因素都较为敏感，且喷涂后可有效测量的时间很短，因此其试验测量精度、可靠性和可重复性较低，难以满足高速流场强三维、非定常流场的试验压力测量需求。
综上，现有高速流场压力测量方法，由于其具有各类局限性，限制了对该类流场流动特征的认识；因此本领域技术人员迫切需要引入新的方法技术来开展进一步的深入研究，相关方法技术的研究已成为重点关注对象。
发明内容
本发明为了避免现有技术在高速流场压力测量过程中的局限性，提出了使用压力敏感超表面结构色探测器件来测量高速流场的试验方法；该方法采用柔性材料研制压力敏感超表面结构色器件，通过超表面结构色的压力敏感机理，设计出结构色随压力变化的超表面器件，从而实现对高速流场压力的实时测量；除具有现有测量技术的优点外，本发明方法的应用性能稳定，试验可重复性高，可实现较高分辨率的二维压力分布测量。
本发明采用了以下技术方案来实现目的：
一种新型流场压力光学测量方法，包括如下步骤：
S1、采用柔性材料，设计出具有压力敏感特性的超材料结构色器件的组成结构；
S2、设计完成后，制备并获得超材料结构色器件；
S3、对超材料结构色器件进行压力定标，获得超材料结构色器件的压力定标数据；
S4、搭建试验压力测量系统，应用超材料结构色器件，进行飞行器模型在高速流场下的表面压力测量过程，结合压力定标数据，得出模型表面二维压力场分布，作为测量结果。
具体的，步骤S1中，依据通过压力改变器件表面等离子体共振频率及强度，实现器件结构色控制，从而通过器件结构色的变化来进行压力测量的原理，设计出超材料结构色器件的组成结构。
进一步的，步骤S1中，超材料结构色器件的组成结构，由下至上包括：底层金属、中间介质、上层金属；其中，底层金属为反射层，中间介质为波导层，中间介质采用PDMS柔性材料，上层金属为光栅金属层；设计过程中，依据超材料结构色器件的组成结构，实现超表面结构颜色的产生方法。
进一步的，所述超表面结构颜色的产生方法，具体为：入射光通过亚波长光栅金属层和PDMS柔性材料表面SPP模式耦合，即如下式描述的波矢匹配：
式中，和/>共同表示表面SPP和入射光波矢在水平面内的投影，具体描述如下式：
和/>分别代表/>和/>方向的光栅倒格矢基矢量，具体描述如下式：
和/>表示不同衍射级次；
对波矢匹配公式进行简化，得出下式：
此式中，为入射光波长；/>和/>分别为中间介质层和底层金属随波长变化的介电常数；/>和/>分别表示上层的金属光栅在/>和/>方向上的尺寸；/>为入射角；由此即完成了波矢匹配过程；
波矢匹配过后，通过入射光的照射，会激发在底层金属与中间介质分界面的表面SPP波，依据表面SPP波在中间介质中的波长，以及中间介质腔的法布里-珀罗共振波长，约束光场的分布；最终，通过设计光栅金属层的超表面光栅结构和PDMS柔性材料的法布里-珀罗介质腔结构，实现器件的超表面结构颜色的产生。
具体的，步骤S2中，采用标准的超净间半导体微纳加工技术，制备所述超材料结构色器件；其中，底层金属的材料为Ti或Au。
具体的，制备超材料结构色器件的具体步骤如下：
S21、采用电子束溅射方式，在Si基片上制备以Ti或Au为材料的金属反射层；
S22、将PDMS柔性材料的基本组分与固化剂按照10比1的比例进行混合，得到PDMS预聚物，将PDMS预聚物均匀滴加至金属反射层上，采用匀胶机进行均匀旋涂，然后在温度为80℃的恒温台上加热固化；
S23、采用电子束光刻方式，在固化后得到的PDMS薄膜上制备超表面图案掩膜，随后依次使用等离子体刻蚀、电子束溅射和金属剥离的方式，在PDMS薄膜上制备超表面金属图案，形成光栅金属层；
S24、采用划片技术，完成整个超材料结构色器件的制备。
具体的，步骤S3中，所述压力定标数据为超材料结构色器件在不同压力值下的压力-颜色映射关系表。
进一步的，压力定标的具体过程为：将制备完成后的超材料结构色器件固定于校准恒压腔内，校准恒压腔上设有光学窗；压力定标时，将校准恒压腔连接真空泵，通过真空泵来控制校准恒压腔内的压力值；随后使用匀质白光，透过光学窗照射校准恒压腔内的超材料结构色器件，采用CCD相机对超材料结构色器件的结构颜色进行拍摄；依据不断控制的梯度压力值和拍摄的结构颜色数据，获得超材料结构色器件的压力-颜色映射表。
进一步的，步骤S4中，通过试验压力测量系统进行压力测量的具体过程为：将超材料结构色器件粘贴固定于飞行器模型的表面，然后将飞行器模型安装于高速流场的测试位置；开始测试后，使用匀质白光对超材料结构色器件进行照射，同时使用高频CCD相机对超材料结构色器件所在区域进行连续拍摄，从而获得测量数据。
具体的，所述高频CCD相机的分辨率为2K×2K，拍摄后输出图像的灰度等级为4096级，跨帧延时的最短值为200nm；获得测量数据后，结合超材料结构色器件的压力-颜色映射关系表，使用数字图像处理技术对单帧图像内各点的压力进行计算处理，得到飞行器模型表面二维压力场分布，作为高速流场压力测量试验的测量结果。
综上所述，由于采用了本技术方案，本发明的有益效果如下：
本发明创造性的采用柔性材料，研制出压力敏感超表面结构色器件，并通过超表面结构色的压力敏感机理，实现对高速流场压力的实时测量；本发明还维持了现有技术的优点，并在此基础上，实现了对高速流场干扰小、性能稳定、可重复测量、响应率高、环境电磁干扰小、装置简单、测量精度高等新的优秀特点，可进行较高分辨率的二维压力分布测量试验，具有优秀的应用前景。
附图说明
图1为本发明方法的整体流程示意图；
图2为超材料结构色器件的典型组成结构示意图；
图3为超材料结构色器件的制备工艺流程示意图；
图4为压力定标系统及定标过程的示意图；
图5为试验压力测量系统及测量过程的示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以按各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种新型流场压力光学测量方法，图1示出了该方法的整体流程，本实施例将详细介绍每一步骤的具体内容过程。
一、超材料结构色器件的设计；
采用柔性材料，设计出具有压力敏感特性的超材料结构色器件的组成结构。此处介绍本方法设计过程中的基本原理，涉及人工超表面结构；其通过亚波长周期阵列单元，增强光与物质的相互作用，进而可以操控电磁波振幅、相位和偏振等物理量。
本实施例中，依据通过压力改变器件表面等离子体共振频率及强度，实现器件结构色控制，从而通过器件结构色的变化来进行压力测量的原理，设计出超材料结构色器件的组成结构。
经过设计后的超材料结构色器件的组成结构，呈现“金属-弹性介质-金属天线”的类三明治结构，器件典型结构可参看图2的示意；由下至上包括：底层金属、中间介质、上层金属；其中，底层金属为反射层，中间介质为波导层，中间介质采用PDMS柔性材料，上层金属为光栅金属层；设计过程中，依据超材料结构色器件的组成结构，实现超表面结构颜色的产生方法。
本实施例中，可参看图2的示意，超表面结构颜色的产生方法，具体为：入射光通过亚波长光栅金属层和PDMS柔性材料表面等离子体(surface plasmon polariton，SPP)模式耦合，即如下式描述的波矢匹配：
式中，和/>共同表示表面SPP和入射光波矢在水平面内的投影，具体描述如下式：
和/>分别代表/>和/>方向的光栅倒格矢基矢量，具体描述如下式：
和/>表示不同衍射级次；
对波矢匹配公式进行简化，得出下式：
此式中，为入射光波长；/>和/>分别为中间介质层和底层金属随波长变化的介电常数；/>和/>分别表示上层的金属光栅在/>和/>方向上的尺寸；/>为入射角；由此即完成了波矢匹配过程；
波矢匹配过后，通过入射光的照射，会激发在底层金属与中间介质分界面的表面等离子体波，由于表面SPP波在介质中的趋肤深度较大，依据表面SPP波在中间介质中的波长，以及中间介质腔的法布里-珀罗共振波长，约束光场的分布。
本实施例中，当表面SPP波在中间介质中的波长，与中间介质腔的法布里-珀罗共振波长相等时，会进一步约束光场的分布，使得辐射光场减弱，反应在反射光谱上就是出现某个频带的暗带。
因此，通过设计光栅金属层的超表面光栅结构和PDMS柔性材料的法布里-珀罗介质腔结构，可以调控反射光谱，实现超表面结构颜色的产生。
二、超材料结构色器件的制备；
采用标准的超净间半导体微纳加工技术，制备超材料结构色器件。
本实施例中，器件的完整制备工艺过程如图3所示，具体为：
S21、采用电子束溅射(E-beam Evaporator)方式，在Si基片上制备以Ti或Au为材料的金属反射层；
S22、将PDMS柔性材料的基本组分与固化剂按照10比1的比例进行混合，得到PDMS预聚物，将PDMS预聚物均匀滴加至金属反射层上，采用匀胶机进行均匀旋涂，然后在温度为80℃的恒温台上加热固化；
S23、采用电子束光刻(E-beam Lithography)方式，在固化后得到的PDMS薄膜上制备超表面图案掩膜，随后依次使用等离子体刻蚀(Reactive ion etching)、电子束溅射和金属剥离(Lift-off)的方式，在PDMS薄膜上制备超表面金属图案，形成光栅金属层；
S24、采用划片技术，完成整个超材料结构色器件的制备。
三、超材料结构色器件的压力定标；
对超材料结构色器件进行压力定标，获得超材料结构色器件的压力定标数据；其中，压力定标数据为超材料结构色器件在不同压力值下的压力-颜色映射关系表。
本实施例中，如图4所示，为获得结构色器件颜色和表面压力的映射关系，进行压力测量试验前需要对结构色器件进行定标操作；压力定标的具体过程为：将制备完成后的超材料结构色器件固定于校准恒压腔内，校准恒压腔上设有光学窗；压力定标时，将校准恒压腔连接真空泵，通过真空泵来控制校准恒压腔内的压力值；随后使用匀质白光，透过光学窗照射校准恒压腔内的超材料结构色器件，采用CCD相机对超材料结构色器件的结构颜色进行拍摄；依据不断控制的梯度压力值和拍摄的结构颜色数据，获得超材料结构色器件的压力-颜色映射表。
四、应用超材料结构色器件，进行流场压力测量试验；
搭建试验压力测量系统，应用超材料结构色器件，进行飞行器模型在高速流场下的表面压力测量过程，结合压力定标数据，得出模型表面二维压力场分布，作为测量结果。
图5示出了试验压力测量系统的示意及测量过程；本实施例中，首先将超材料结构色器件粘贴固定于飞行器模型的表面，然后将飞行器模型安装于高速流场的测试位置；开始测试后，使用匀质白光对超材料结构色器件进行照射，同时使用高频CCD相机对超材料结构色器件所在区域进行连续拍摄，从而获得测量数据。
测量时，高频CCD相机的分辨率为2K×2K，拍摄后输出图像的灰度等级为4096级，跨帧延时的最短值为200nm。
获得测量数据后，结合超材料结构色器件的压力-颜色映射关系表，使用数字图像处理技术对单帧图像内各点的压力进行计算处理，得到飞行器模型表面二维压力场分布，作为高速流场压力测量试验的测量结果。
Claims (10)
1.一种新型流场压力光学测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、采用柔性材料，设计出具有压力敏感特性的超材料结构色器件的组成结构；
S2、设计完成后，制备并获得超材料结构色器件；
S3、对超材料结构色器件进行压力定标，获得超材料结构色器件的压力定标数据；
S4、搭建试验压力测量系统，应用超材料结构色器件，进行飞行器模型在高速流场下的表面压力测量过程，结合压力定标数据，得出模型表面二维压力场分布，作为测量结果。
2.根据权利要求1所述的一种新型流场压力光学测量方法，其特征在于：步骤S1中，依据通过压力改变器件表面等离子体共振频率及强度，实现器件结构色控制，从而通过器件结构色的变化来进行压力测量的原理，设计出超材料结构色器件的组成结构。
3.根据权利要求1所述的一种新型流场压力光学测量方法，其特征在于：步骤S1中，所述超材料结构色器件的组成结构，由下至上包括：底层金属、中间介质、上层金属；其中，底层金属为反射层，中间介质为波导层，中间介质采用PDMS柔性材料，上层金属为光栅金属层；设计过程中，依据超材料结构色器件的组成结构，实现超表面结构颜色的产生方法。
4.根据权利要求3所述的一种新型流场压力光学测量方法，其特征在于：所述超表面结构颜色的产生方法，具体为：入射光通过亚波长光栅金属层和PDMS柔性材料表面SPP模式耦合，即如下式描述的波矢匹配：
式中，和/>共同表示表面SPP和入射光波矢在水平面内的投影，具体描述如下式：
和/>分别代表/>和/>方向的光栅倒格矢基矢量，具体描述如下式：
和/>表示不同衍射级次；
对波矢匹配公式进行简化，得出下式：
此式中，为入射光波长；/>和/>分别为中间介质层和底层金属随波长变化的介电常数；/>和/>分别表示上层的金属光栅在/>和/>方向上的尺寸；/>为入射角；由此即完成了波矢匹配过程；
波矢匹配过后，通过入射光的照射，会激发在底层金属与中间介质分界面的表面SPP波，依据表面SPP波在中间介质中的波长，以及中间介质腔的法布里-珀罗共振波长，约束光场的分布；最终，通过设计光栅金属层的超表面光栅结构和PDMS柔性材料的法布里-珀罗介质腔结构，实现器件的超表面结构颜色的产生。
5.根据权利要求3所述的一种新型流场压力光学测量方法，其特征在于：步骤S2中，采用标准的超净间半导体微纳加工技术，制备所述超材料结构色器件；其中，底层金属的材料为Ti或Au。
6.根据权利要求5所述的一种新型流场压力光学测量方法，其特征在于：制备超材料结构色器件的具体步骤如下：
S21、采用电子束溅射方式，在Si基片上制备以Ti或Au为材料的金属反射层；
S22、将PDMS柔性材料的基本组分与固化剂按照10比1的比例进行混合，得到PDMS预聚物，将PDMS预聚物均匀滴加至金属反射层上，采用匀胶机进行均匀旋涂，然后在温度为80℃的恒温台上加热固化；
S23、采用电子束光刻方式，在固化后得到的PDMS薄膜上制备超表面图案掩膜，随后依次使用等离子体刻蚀、电子束溅射和金属剥离的方式，在PDMS薄膜上制备超表面金属图案，形成光栅金属层；
S24、采用划片技术，完成整个超材料结构色器件的制备。
7.根据权利要求1所述的一种新型流场压力光学测量方法，其特征在于：步骤S3中，所述压力定标数据为超材料结构色器件在不同压力值下的压力-颜色映射关系表。
8.根据权利要求7所述的一种新型流场压力光学测量方法，其特征在于，压力定标的具体过程为：将制备完成后的超材料结构色器件固定于校准恒压腔内，校准恒压腔上设有光学窗；压力定标时，将校准恒压腔连接真空泵，通过真空泵来控制校准恒压腔内的压力值；随后使用匀质白光，透过光学窗照射校准恒压腔内的超材料结构色器件，采用CCD相机对超材料结构色器件的结构颜色进行拍摄；依据不断控制的梯度压力值和拍摄的结构颜色数据，获得超材料结构色器件的压力-颜色映射表。
9.根据权利要求7所述的一种新型流场压力光学测量方法，其特征在于，步骤S4中，通过试验压力测量系统进行压力测量的具体过程为：将超材料结构色器件粘贴固定于飞行器模型的表面，然后将飞行器模型安装于高速流场的测试位置；开始测试后，使用匀质白光对超材料结构色器件进行照射，同时使用高频CCD相机对超材料结构色器件所在区域进行连续拍摄，从而获得测量数据。
10.根据权利要求9所述的一种新型流场压力光学测量方法，其特征在于：所述高频CCD相机的分辨率为2K×2K，拍摄后输出图像的灰度等级为4096级，跨帧延时的最短值为200nm；获得测量数据后，结合超材料结构色器件的压力-颜色映射关系表，使用数字图像处理技术对单帧图像内各点的压力进行计算处理，得到飞行器模型表面二维压力场分布，作为高速流场压力测量试验的测量结果。
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