CN116973018B - 一种持续表面剪切力光学测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种持续表面剪切力光学测量方法，其解决了传统方法中分辨率低、干扰流场等缺陷；本发明方法包括：设计并制备纳米材料结构色器件，采用旋转加载方式，对纳米材料结构色器件进行校准，校准过程中，多次改变旋转加载方式的条件参数，确定出纳米材料结构色器件的颜色‑剪切力映射关系表，完成校准过程，将校准完成的纳米材料结构色器件置入剪切力光学测量系统中，依据颜色‑剪切力映射关系表，完成飞行器模型表面剪切力的持续测量过程；整个方法中，旋转加载方式采用旋转加载台实现，旋转角速度是其中重要条件参数；本发明实现了飞行器模型表面剪切力的高时间/空间分辨率、可持续观测、高精度的非侵入式测量。
Description
技术领域
本发明属于表面剪切力应力测量技术领域，具体为一种持续表面剪切力光学测量方法。
背景技术
流体与固体壁面之间的摩擦阻力，是流体动力学领域的一个重要参数。飞行器表面的摩擦阻力会显著影响飞行器的性能，边界层流动理论指出，在壁面附近的边界层内，流体的粘性起着重要作用；流体的粘性是产生壁面摩擦力的主要原因，摩擦阻力以切向力的形式作用在飞行器表面上，壁面边界层流态会从层流状态自然地发展为湍流状态；转捩的发生和湍流状态会导致流动能量损失加剧，摩擦阻力和壁面传热相应地大幅增加，此时，流体做功效率下降，颤震威胁加剧，会严重影响飞行器的飞行性能和飞行安全。此外，阻力系数的减小和升阻比的提高，对于飞行器的起飞重量和有效航程都有着至关重要的影响，因此相关技术的研究也在持续进行。
飞行器减阻研究需要以气动阻力的准确测量为基础，摩擦阻力是飞行器各部分表面受到的剪切力的合力，是高超声速飞行器气动阻力的重要组成部分；摩擦阻力的准确测量，无论是在理论研究中还是工程实际中，都具有重要意义，但壁面摩擦阻力的测量始终是一个难题，一直以来没有很好的测量方法和技术。传统的摩擦力测量方法中，主要采用了机械或电子的方式，诸如机械式天平、侵入式探针和传感器等；这类方法均属局部方法，只能测量出单点摩擦力信息，并且会给流场的流动带来干扰，甚至给壁面带来破坏；所以，传统方法具体的缺陷表现如下：
1、摩擦天平法技术会破坏模型结构，影响表面流场特征；由于摩擦天平体积大，导致单位面积内测量点少，测量空间分辨率低。
2、荧光油膜技术通过荧光油膜厚度和油膜中荧光物质亮度的线性关系进行测量，通过不同帧之间图像颜色亮度变化进行表面摩擦力的测量；这种测量方法虽然对表面流场影响小，但是油膜的涂覆厚度难以控制，导致摩擦力测量精度低；此外，荧光油膜目前的配方稳定性差，材料性质不稳定，而且同一表面涂覆荧光油膜后只可进行一次测量，测量可重复性低。
3、液晶涂层技术是一种非接触式的壁面摩擦力矢量分布的全局测量方法，该方法利用了液晶分子的螺旋形结构特性，通过入射白光的选择性反射，实现表面剪切力的测量；这种方法类似荧光油膜法，涂层厚度同样难以控制，不能重复测量，材料性质不稳定；此外，液晶涂层测量剪切力时需同时在多个角度进行测量，相关装置系统复杂，试验校准难度大。
综上，如果能研发出一种能够高分辨率的测量出壁面摩擦力矢量分布的方法，尽可能的避开传统方法的一些缺陷，将带来重要的科学意义和工程价值，因此相关方法的研究成为了本领域技术人员的核心关注点。
发明内容
本发明的目的是针对传统方法的缺点和不足，提出一种新式的能够实现壁面摩擦力矢量分布测量的方法；该方法的核心要点是使用柔性纳米材料结构色探测器件来测量剪切力，通过表面摩擦力引起的结构颜色变化机理，从而实现飞行器模型表面剪切力的高时间/空间分辨率、可持续观测、高精度的非侵入式测量。
本发明采用了以下技术方案来实现目的：
一种持续表面剪切力光学测量方法，所述方法包括如下步骤：
S1、设计并制备纳米材料结构色器件；
S2、采用旋转加载方式，对纳米材料结构色器件进行校准；
S3、校准过程中，多次改变旋转加载方式的条件参数，确定出纳米材料结构色器件的颜色-剪切力映射关系表，完成校准过程；
S4、将校准完成的纳米材料结构色器件置入剪切力光学测量系统中，依据颜色-剪切力映射关系表，完成飞行器模型表面剪切力的持续测量过程。
进一步的，步骤S3中，旋转加载方式具体为：将纳米材料结构色器件紧固于旋转加载台的一侧，然后将校准质量块放置于纳米材料结构色器件的上表面；随后启动旋转加载台，纳米材料结构色器件在旋转加载台的转动下进行圆周运动；通过旋转过程，对纳米材料结构色器件施加离心力，进行校准。
进一步的，所施加的离心力的方向，与旋转加载台启动后产生的离心力方向相同；通过改变旋转加载台的旋转角速度/>，来改变施加离心力/>的大小，实现不同载荷条件下的校准过程。
具体的，在旋转过程中，采用均质白光对纳米材料结构色器件持续照射，再通过CCD相机对纳米材料结构色器件的颜色持续拍摄，多次改变旋转加载台的旋转角速度后，记录不同离心力/>对于颜色的变化关系，得出纳米材料结构色器件的颜色-剪切力映射关系表。
具体的，校准过程中，所使用的校准质量块采用可见光透明材质；校准质量块放置于纳米材料结构色器件上表面的居中区域。
综上所述，由于采用了本技术方案，本发明的有益效果如下：
本发明在传统方法未曾涉及的测量技术上，创造性的提出了使用纳米材料结构色器件，基于光学原理来进行持续表面剪切力的测量；纳米材料结构色器件使用了柔性材料，经设计后对剪切力敏感，能通过颜色变化反映出剪切力测量结果。
本发明由于上述特点，成为了一种非侵入式测量方法，该方法对流场干扰小，多次反复测量的性能始终稳定，实现了可重复测量的目的；同时，本发明的响应率高、环境电磁干扰小、对测量装置的需求简单、测量精度高，最终实现了较高分辨率的二维剪切力分布测量过程；经过理论计算后，本发明的测量原理可行，且在仿真模拟中也具有较好的颜色随剪切力变化效果。
附图说明
图1为本发明方法的整体流程示意图；
图2为采用了旋转加载方式的校准过程示意图；
图3为剪切力光学测量系统及测量过程的示意图；
图4为纳米材料结构色器件的典型组成结构示意图；
图5为纳米材料结构色器件的制备工艺流程示意图。
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。
实施例1
一种持续表面剪切力光学测量方法，该方法的整体流程可参看图1的示意，具体如下：
S1、设计并制备纳米材料结构色器件；
S2、采用旋转加载方式，对纳米材料结构色器件进行校准；
S3、校准过程中，多次改变旋转加载方式的条件参数，确定出纳米材料结构色器件的颜色-剪切力映射关系表，完成校准过程；
S4、将校准完成的纳米材料结构色器件置入剪切力光学测量系统中，依据颜色-剪切力映射关系表，完成飞行器模型表面剪切力的持续测量过程。
本实施例中，通过纳米材料结构色器件进行测量的原理为：依据剪切力作用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，从而依据结构色的变化，得出剪切力测量结果；其中器件的结构色即在匀质白光照射下呈现出的颜色。
本实施例将对步骤S2及步骤S3中的旋转加载方式进行详细说明，旋转加载方式是校准过程的核心，可参看图2的示意。
为了对制备完成的纳米材料结构色器件进行校准，采用如下方式：将纳米材料结构色器件紧固于旋转加载台的一侧，并将校准质量块放置于纳米材料结构色器件的上表面；随后启动旋转加载台，纳米材料结构色器件在旋转加载台的转动下进行圆周运动；通过旋转过程，对纳米材料结构色器件施加离心力，进行校准。
旋转过程实现校准的原理为：对纳米材料结构色器件所施加的离心力的方向，与旋转加载台启动后产生的离心力方向相同；因此，可通过改变旋转加载台的旋转角速度/>，来改变施加离心力/>的大小，实现不同载荷条件下的校准过程。
在本实施例的旋转过程中，采用均质白光对纳米材料结构色器件持续照射，再通过CCD相机对纳米材料结构色器件的颜色持续拍摄，多次改变旋转加载台的旋转角速度后，记录不同离心力/>对于颜色的变化关系，得出纳米材料结构色器件的颜色-剪切力映射关系表。
本实施例中使用的校准质量块，采用了可见光透明材质，以方便白光的透射及器件颜色的观测；在放置时，将校准质量块放置于纳米材料结构色器件上表面的居中区域。
校准过程中，记录不同离心力对于颜色的变化关系后，建立离心力/>和表面摩擦力的转化关系，再依据校准过程中CCD相机拍摄的颜色变化图像，实现对表面剪切力的实时校准，具体如下：
旋转加载台转动时，校准质量块产生的离心力为：
式中，为校准质量块的质量，/>为校准质量块中心到旋转加载台中心转轴的距离，即纳米材料结构色器件中心点圆周运动的半径；/>为旋转加载台的旋转角速度；
通过依次提高旋转加载台的旋转角速度，得到不同的离心力/>；随后，在校准质量块与纳米材料结构色器件发生相对位移前，可得到：
式中，为校准质量块受到的摩擦力；在经过不同摩擦力/>大小的梯度校准试验后，得到摩擦力/>与纳米材料结构色器件的颜色/>之间的映射关系：
通过映射关系，确定颜色-剪切力映射关系表，从而完成整个校准过程，得到的纳米材料结构色器件可用于实际飞行器模型的测量过程。
本实施例同时也对步骤S4的详细内容进行说明，剪切力光学测量系统及其测量示意请参看图3。
将校准完成的纳米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，令高速流场的气流来流方向与飞行器模型的表面相对平行，从而产生气动摩擦阻力，用于剪切力的测量；同时，使用匀质白光对纳米材料结构色器件进行照射，使用高频CCD相机对纳米材料结构色器件所在区域进行连续拍摄，获得测量数据。
本实施例中，在实际测量时，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，结合纳米材料结构色器件的颜色-剪切力映射关系表，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剪切力分布，作为测量结果。
实施例2
在实施例1的基础上，本实施例对其中设计并制备纳米材料结构色器件的过程给出一种最优示例。
首先是设计过程，设计出的纳米材料结构色器件的典型组成结构如图4所示；材料的选取已确定为纳米材料，纳米材料是一类具有特殊性质的人造材料，随着微纳加工工艺的发展，通过微米、纳米级尺度结构的人工结构可以实现自然界材料所不具备的新型电磁性能；和自然材料相比，纳米材料作为一种典型柔性材料，具有更高的可塑性，可依据需要的器件电磁性能进行人工设计，具有广泛的应用前景。
纳米材料超结构通过亚波长周期阵列单元增强光与物质的相互作用，进而操控电磁波振幅、相位、偏振等物理量。依据剪切力作用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剪切力测量的原理，设计出纳米材料结构色器件的组成结构。
经过设计后的纳米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4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。
依据纳米材料结构色器件的组成结构，实现结构颜色的产生：
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 plasmonpolariton，SPP)模式耦合，即如下式描述的波矢匹配：
式中，和/>表示不同衍射级次；/>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：
其中，和/>分别代表/>和/>方向上的单位矢量；
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，实现器件结构颜色的产生。
在上述的设计过程完成后，进行纳米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，制备纳米材料结构色器件。
本实施例中，器件的完整制备工艺过程如图5所示，具体为：
S11、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；
S12、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；
S13、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；
S14、采用划片技术，完成整个纳米材料结构色器件的制备。
Claims (6)
1.一种持续表面剪切力光学测量方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
S1、设计并制备纳米材料结构色器件；
S2、采用旋转加载方式，对纳米材料结构色器件进行校准；
S3、校准过程中，多次改变旋转加载方式的条件参数，确定出纳米材料结构色器件的颜色-剪切力映射关系表，完成校准过程；
S4、将校准完成的纳米材料结构色器件置入剪切力光学测量系统中，依据颜色-剪切力映射关系表，完成飞行器模型表面剪切力的持续测量过程；
步骤S3中，旋转加载方式具体为：将纳米材料结构色器件紧固于旋转加载台的一侧，并将校准质量块放置于纳米材料结构色器件的上表面；随后启动旋转加载台，纳米材料结构色器件在旋转加载台的转动下进行圆周运动；通过旋转过程，对纳米材料结构色器件施加离心力，进行校准；
在旋转过程中，采用匀质白光对纳米材料结构色器件持续照射，再通过CCD相机对纳米材料结构色器件的颜色持续拍摄，多次改变旋转加载台的旋转角速度后，记录不同离心力/>对于颜色的变化关系，得出纳米材料结构色器件的颜色-剪切力映射关系表；
校准过程中，所使用的校准质量块采用可见光透明材质；校准质量块放置于纳米材料结构色器件上表面的居中区域；
步骤S4中，通过剪切力光学测量系统进行剪切力测量的具体过程为：将校准完成的纳米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，令高速流场的气流来流方向与飞行器模型的表面相对平行，从而产生气动摩擦阻力，用于剪切力的测量；同时，使用匀质白光对纳米材料结构色器件进行照射，使用高频CCD相机对纳米材料结构色器件所在区域进行连续拍摄，获得测量数据；依据测量数据和颜色-剪切力映射关系表，使用数字图像处理技术对单帧图像内各点的剪切力进行计算处理，得到飞行器模型表面二维剪切力分布，作为测量结果。
2.根据权利要求1所述的一种持续表面剪切力光学测量方法，其特征在于：所施加的离心力的方向，与旋转加载台启动后产生的离心力方向相同；通过改变旋转加载台的旋转角速度/>，来改变施加离心力/>的大小，实现不同载荷条件下的校准过程。
3.根据权利要求1所述的一种持续表面剪切力光学测量方法，其特征在于：记录不同离心力对于颜色的变化关系后，建立离心力/>和表面摩擦力的转化关系，再依据校准过程中CCD相机拍摄的颜色变化图像，实现对表面剪切力的实时校准。
4.根据权利要求3所述的一种持续表面剪切力光学测量方法，其特征在于：实时校准的具体过程如下：
旋转加载台转动时，校准质量块产生的离心力为：
式中，为校准质量块的质量，/>为校准质量块中心到旋转加载台中心转轴的距离，即纳米材料结构色器件中心点圆周运动的半径；/>为旋转加载台的旋转角速度；
通过依次提高旋转加载台的旋转角速度，得到不同的离心力/>；随后，在校准质量块与纳米材料结构色器件发生相对位移前，可得到：
式中，为校准质量块受到的摩擦力；在经过不同摩擦力/>大小的梯度校准试验后，得到摩擦力/>与纳米材料结构色器件的颜色/>之间的映射关系：
通过映射关系，确定颜色-剪切力映射关系表。
5.根据权利要求1所述的一种持续表面剪切力光学测量方法，其特征在于：步骤S1中，纳米材料结构色器件的设计过程如下：
依据剪切力作用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剪切力测量的原理，设计出纳米材料结构色器件的组成结构；
纳米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；
依据纳米材料结构色器件的组成结构，实现结构颜色的产生：
入射光通过亚波长光栅金属层和PDMS柔性材料表面SPP模型耦合，即如下式描述的波矢匹配：
式中，和/>表示不同衍射级次；/>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：
其中，和/>分别代表/>和/>方向上的单位矢量；
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；由此完成波矢匹配过程；
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，实现器件结构颜色的产生。
6.根据权利要求5所述的一种持续表面剪切力光学测量方法，其特征在于：步骤S1中，纳米材料结构色器件的制备过程如下：
采用标准的超净间半导体微纳加工技术进行制备过程，其中，底层金属的材料为Ti或Au；具体的制备步骤如下所示：
S11、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；
S12、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；
S13、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；
S14、采用划片技术，完成整个纳米材料结构色器件的制备。
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