一種高精度非接觸氣動(dòng)摩擦阻力測(cè)量裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本實(shí)用新型涉及激光測(cè)速技術(shù)領(lǐng)域中的粒子圖像測(cè)速（Particle Image Velocimetry，簡(jiǎn)稱(chēng)PIV)技術(shù)，具體來(lái)說(shuō)，是一種高精度非接觸式氣動(dòng)摩擦阻力測(cè)量方法及 測(cè)量裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 對(duì)于航空航天飛行器而言，由氣流相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的壁面摩擦阻力是影響飛行器空 氣動(dòng)力學(xué)特性的重要力學(xué)指標(biāo)，是在地面風(fēng)洞試驗(yàn)中需要準(zhǔn)確測(cè)量的物理量。測(cè)量壁面摩 擦阻力的方法包括：直接測(cè)量方法，邊界層動(dòng)量積分方法，Preston管法，Stanton管法，熱 比擬方法，油膜干涉法和液晶涂層法等。這些方法的實(shí)驗(yàn)裝置都存在著不足，直接測(cè)量實(shí)驗(yàn) 裝置簡(jiǎn)單，但測(cè)量范圍小，操縱困難且誤差較大，Preston管和Stanton管方法的實(shí)驗(yàn)裝置 實(shí)際上是一個(gè)矩形的空速管，測(cè)量時(shí)需要將測(cè)試探頭放入流場(chǎng)；熱比擬方法，油膜干涉法和 液晶涂層法的實(shí)驗(yàn)裝置包括熱膜，油滴以及涂層，引入這些不僅會(huì)對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生干擾，而且易 受溫度及光照條件影響，實(shí)驗(yàn)可重復(fù)性較差，精度較低。而近年發(fā)展起來(lái)的PIV技術(shù)以非接 觸光學(xué)測(cè)量的方法測(cè)量靠近壁面的流場(chǎng)速度，能夠解決探頭/涂層干擾問(wèn)題。在PIV測(cè)速 的基礎(chǔ)上應(yīng)用牛頓內(nèi)摩擦定律，即可獲得壁面摩擦阻力。由于壁面摩擦阻力計(jì)算依賴(lài)于壁 面處流向速度的法向梯度，因此提高摩擦阻力測(cè)量精度的關(guān)鍵是得到空間分辨率較高的速 度場(chǎng)。然而傳統(tǒng)的PIV測(cè)量裝置在測(cè)量摩擦阻力時(shí)多采用焦距在90mm以下的鏡頭，空間分 辨率不高。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0003] 本實(shí)用新型提供一種高精度非接觸氣動(dòng)摩擦阻力測(cè)量裝置，用于在空氣動(dòng)力學(xué)風(fēng) 洞試驗(yàn)中通過(guò)非接觸光學(xué)方法，快速測(cè)量模型表面氣動(dòng)摩擦阻力的一維分布。
[0004] 本實(shí)用新型高精度非接觸氣動(dòng)摩擦阻力測(cè)量裝置，包括風(fēng)洞、激光器、片光系統(tǒng)、 C⑶相機(jī)、同步控制器與計(jì)算機(jī)。
[0005] 其中，風(fēng)洞用來(lái)產(chǎn)生并且控制氣流，用來(lái)模擬飛行器或?qū)嶓w周?chē)鷼怏w的流動(dòng)情況， 并可量度氣流對(duì)實(shí)體的作用效果以及觀察物理現(xiàn)象。激光器采用雙脈沖NchYAG激光器， 用于照明流場(chǎng)；激光器的發(fā)射端安裝有片光系統(tǒng)，片光系統(tǒng)用來(lái)將激光器發(fā)射的激光束擴(kuò) 散成片光。由于需測(cè)量流向平均速度沿飛行器模型表面外法線方向分布，因此片光應(yīng)與流 場(chǎng)的速度方向平行且垂直于飛行器模型需要進(jìn)行摩擦阻力測(cè)量的表面。CCD相機(jī)是一種半 導(dǎo)體器件，能夠把光學(xué)影像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，并存入計(jì)算機(jī)。由于邊界層厚度尺寸較小，粒 子濃度相對(duì)較低，為了拍攝到分辨率較高的圖像，CCD相機(jī)選擇騰龍SP AF180mm F/3. 5Di LD[IF]MACR01:1長(zhǎng)焦微距鏡頭，使C⑶相機(jī)的光軸與片光平面相垂直；通過(guò)CCD相機(jī)采集 一定時(shí)間內(nèi)沿飛行器模型需要進(jìn)行摩擦阻力測(cè)量的表面外法線方向一定高度內(nèi)的示蹤粒 子的跨幀圖像對(duì)，轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)并存入控制計(jì)算機(jī)。同步控制器具有三個(gè)接口，分別通過(guò) 連接線與激光器、CCD相機(jī)以及計(jì)算機(jī)相連接。通過(guò)同步控制器接收計(jì)算機(jī)發(fā)送的數(shù)字信 號(hào)，同時(shí)用來(lái)觸發(fā)CCD相機(jī)和激光器工作，使得CCD相機(jī)可在雙曝光模式下采集示蹤粒子的 跨幀圖像對(duì)。
[0006] 1、本實(shí)用新型高精度非接觸氣動(dòng)摩擦阻力測(cè)量裝置，在圖像采集過(guò)程中采用長(zhǎng)焦 微距鏡頭能夠以較高的分辨率記錄粒子圖像，由此利用單像素系綜相關(guān)算法進(jìn)行圖像處理 可以得到每一個(gè)像素上的時(shí)間平均速度，具有很高的空間分辨率，為準(zhǔn)確獲得壁面摩擦阻 力奠定了基礎(chǔ)；
[0007] 2、本實(shí)用新型高精度非接觸氣動(dòng)摩擦阻力測(cè)量方法及測(cè)量裝置，能夠獲得更高精 度的壁面摩擦阻力一維分布，并且對(duì)測(cè)量設(shè)備要求較低，測(cè)量時(shí)間快，對(duì)溫度、濕度等外界 條件不敏感。
【附圖說(shuō)明】
[0008] 圖1為本實(shí)用新型高精度非接觸氣動(dòng)摩擦阻力測(cè)量?jī)x結(jié)構(gòu)示意圖。
[0009] 圖2為本應(yīng)用實(shí)用新型精度非接觸氣動(dòng)摩擦阻力測(cè)量?jī)x的粒子圖像測(cè)速方法流 程圖。
[0010]圖3為單像素精度算法示意圖。
[0011] 圖4為根據(jù)牛頓內(nèi)摩擦定律計(jì)算壁面摩擦阻力的原理示意圖。
[0012] 圖中：
[0013] 1-風(fēng)洞 2-激光器 3-片光系統(tǒng)
[0014] 4-CCD相機(jī) 5-同步控制器 6-計(jì)算機(jī)
[0015] 7-示蹤粒子
【具體實(shí)施方式】
[0016] 下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0017] 本實(shí)用新型高精度非接觸氣動(dòng)摩擦阻力測(cè)量裝置，包括風(fēng)洞1、激光器2、片光系 統(tǒng)3、C⑶相機(jī)4、同步控制器5與計(jì)算機(jī)6。
[0018] 其中，風(fēng)洞1用來(lái)產(chǎn)生并且控制氣流，用來(lái)模擬飛行器或?qū)嶓w周?chē)鷼怏w的流動(dòng)情 況，并可量度氣流對(duì)實(shí)體的作用效果以及觀察物理現(xiàn)象，它是進(jìn)行空氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)最常用、最 有效的工具之一。激光器2采用雙脈沖NchYAG激光器2,用于照明流場(chǎng)；激光器2的發(fā)射 端安裝有片光系統(tǒng)3,片光系統(tǒng)3用來(lái)將激光器2發(fā)射的激光束擴(kuò)散成片光。由于需測(cè)量流 向平均速度沿飛行器模型表面外法線方向分布，因此片光應(yīng)與流場(chǎng)的速度方向平行且垂直 于飛行器模型需要進(jìn)行摩擦阻力測(cè)量的表面。CCD相機(jī)4是一種半導(dǎo)體器件，能夠把光學(xué)影 像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，并存入計(jì)算機(jī)6。由于邊界層厚度尺寸較小，粒子濃度相對(duì)較低，為了拍 攝到分辨率較高的圖像，CCD相機(jī)4選擇騰龍SP AF180mm F/3. 5Di LD[IF]MACR01:1長(zhǎng)焦 微距鏡頭，使CCD相機(jī)4的光軸與片光平面相垂直；通過(guò)CCD相機(jī)4采集一定時(shí)間內(nèi)沿飛行 器模型需要進(jìn)行摩擦阻力測(cè)量的表面外法線方向一定高度內(nèi)的示蹤粒子7的跨幀圖像對(duì)， 轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)并存入控制計(jì)算機(jī)6。同步控制器5具有三個(gè)接口，分別通過(guò)連接線與激光 器2、C⑶相機(jī)4以及計(jì)算機(jī)6相連接。通過(guò)同步控制器5接收計(jì)算機(jī)6發(fā)送的數(shù)字信號(hào)， 同時(shí)用來(lái)觸發(fā)CCD相機(jī)4和激光器2工作，使得CCD相機(jī)4可在雙曝光模式下采集示蹤粒 子7的跨幀圖像對(duì)。
[0019] 通過(guò)上述結(jié)構(gòu)高精度非接觸氣動(dòng)摩擦阻力測(cè)量裝置，通過(guò)下述步驟實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)摩擦 阻力的測(cè)量：