CN209148241U - 风洞试验油膜厚度内嵌式光纤频域干涉测量*** - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于油膜厚度测量领域，为提出风洞试验油膜厚度测量方法，实现实时在线测量，提高频域干涉的定位精度，本实用新型，风洞试验油膜厚度内嵌式光纤频域干涉测量***和方法，由宽谱光源、光纤传感器探头及其尾纤、光谱仪和计算机构成，在待测壁面安装内嵌式光纤传感器探头，宽谱光源发出的激光经光纤传感器探头投射到油膜，具有一定厚度的油膜的上下两个界面均会对入射光发生反射，两束反射光都再由光纤传感器探头接收并相遇发生干涉，构成参考光和测试光共光路干涉仪模型，光纤传感器探头将干涉光收集由尾纤连出到光谱仪并进行CCD采集，最后进入计算机机作频域分析，实现实时在线测量得到油膜厚度信息。本发明主要应用于油膜厚度测量场合。
Description
技术领域
本实用新型属于油膜厚度测量领域，特别是应用于风洞试验中实时在线测量油膜厚度。具体讲,涉及风洞试验油膜厚度内嵌式光纤频域干涉测量方法。
背景技术
壁面摩擦阻力是飞行器所受总阻力的一个重要组成部分，对于大型运输机与客机而言，由粘性产生的摩擦阻力占了总阻力的很大部分，因此减小壁面摩擦阻力是航空飞行器的关键空气动力学问题，有着十分明显的巨大经济效益。摩阻的变化是边界层转捩过程中的一个重要特征量，但由于转捩及湍流结构的复杂性与不确定性，还必须依靠风洞试验技术来解决。当前，有效的测量方法包括表面热膜测量剪应力法、表面压力积分法、剖面平均速度测量法、油膜干涉测量法等。这些方法有它们各自的优点，同时也存在缺点。例如，热膜法灵敏度高，能进行动态测量，但它的校准困难，稍有差错就使结果不准确，并且它的成本很高；平均速度法，除了可以获得表面摩擦应力外，还可用于确定紊流附面层的其它参数，但其工作量大，工作周期长。
近年来，国际上在壁面摩阻测量技术方面有了许多进展，主要集中在下面三个领域：微型传感器技术、薄油膜技术和液晶技术。这些技术的优势主要体现在对摩擦阻力的区域测量，表面摩阻传感器小型化，以及动态测量。通过测量油膜厚度的变化来间接测量摩阻，是目前较为快速准确的测量手段。综合各种因素分析，光学干涉法是一个简易、可靠、精确、高效的测量技术，现有的油膜厚度的光学测量方法主要有：油膜干涉法、激光荧光法和光学温度显示法等。其中，油膜干涉法灵敏度高，能进行动态测量，但需要在风洞中近壁面安装CCD(charge-coupled device电荷耦合器件)相机外测油膜，会直接改变流场状态，不适用于在线实时的测量，尤其是高速风洞中；激光荧光法的应用，对油膜测量方向做了开创性的工作，但目前只能作为定性分析，不能做定量测量。
为适应微型传感器的要求，以及快速在线的定量测量的要求，结合摩阻理论、表面油膜技术、光学干涉技术，提出了一种壁面内嵌式光纤频域干涉测量方法在风洞试验中动态测量油膜厚度。设计了一种小型的光纤传感器内嵌在待测壁面内，在平板模型上进行低速湍流的表面油膜厚度变化的测量，探索了一种新的油膜法测量表面摩擦阻力的实验技术，并分析了不同因素对测量结果的影响以及油膜厚度标定的方法。研究表明，该方法能有效地油膜厚度的实时在线测量，并实现多点测量。该方法也可以推广应用到低速风洞试验和大型运输机的飞行实验测量中。
发明内容
为克服现有技术的不足，本实用新型旨在提出风洞试验油膜厚度测量方法，实现实时在线测量，提高频域干涉的定位精度。为此，本实用新型采用的技术方案是，风洞试验油膜厚度内嵌式光纤频域干涉测量***，由宽谱光源、光纤传感器探头及其尾纤、光谱仪构成，在待测壁面安装内嵌式光纤传感器探头，宽谱光源发出的激光经光纤传感器探头投射到油膜，具有一定厚度的油膜的上下两个界面均会对入射光发生反射，两束反射光都再由光纤传感器探头接收并相遇发生干涉，构成参考光和测试光共光路干涉仪模型，光纤传感器探头将干涉光收集由尾纤连出到光谱仪并进行CCD采集。
光纤传感器探头为内嵌式自聚焦透镜，由于探头安装方式为垂直入射到油膜表面，所以要求透镜端面无倾角，以最大程度接收反射回光。
风洞试验油膜厚度内嵌式光纤频域干涉测量方法，在待测壁面安装内嵌式光纤传感器探头，利用油膜上下两个界面对光纤传感器射出的宽带激光的反射回光发生干涉，探头将干涉光收集由尾纤连出到光谱仪并进行CCD采集，最后进入上位机作频域分析，实现那实时在线测量得到油膜厚度信息。
风洞试验油膜厚度内嵌式光纤频域干涉测量方法，在待测壁面安装内嵌式光纤传感器探头，将宽谱光源发出的激光经光纤探头投射到油膜，油膜上下两个界面对光纤传感器探头射出的宽带激光的反射回光发生干涉，光纤传感器探头将干涉光收集由尾纤连出到光谱仪并进行CCD采集，最后进入计算机机作频域分析，实现实时在线测量得到油膜厚度信息。
频域分析具体是进行快速傅里叶变换FFT，计算得到油膜厚度信息，具体计算公式如下：
其中，I(λ)为油膜产生的干涉信号，B(λ)为光谱强度，L为光程差，这里是油膜厚度的2倍；
对干涉信号I进行FFT处理，FFT(I)＝G(0)+G(f)，G(0)表示解调信号的直流部分，G(f)为解调信号的交流部分，实时得到的交流信号部分的频率f(t)，则油膜厚度可实时计算为:h(t)＝c·f(t)/2，其中，c是光速；
得到的油膜厚度h再由油膜干涉条纹法计算并标定。
本实用新型的特点及有益效果是：
(1)克服现有的风洞试验中油膜厚度的测量方法，对传感器体积过大、抗干扰能力不强，扫描速度较慢的缺点；提出了一种在风洞试验中动态在线测量油膜厚度的内嵌式光纤频域干涉测量方法。在待测壁面安装内嵌式光纤传感器探头，利用油膜上下两个界面对光纤传感器射出的宽带激光的反射回光发生干涉，探头将干涉光收集由尾纤连出到光谱仪并进行CCD采集，最后进入上位机作频域分析，得到油膜厚度信息。
(2)克服原先油膜干涉法测量要求在风洞中外设CCD接收装置，改变干涉流场的缺点，设计了一种小型的光纤传感器内嵌在待测壁面内，在平板模型上进行低速湍流的表面油膜厚度变化的测量。满足了现场测试的微型传感器的要求，并可实现多点测量，采用自聚焦透镜的设计光纤探头，该光纤探头兼具发射宽带光源和回收干涉光的作用。通过内嵌式的设计方案，***不需要在风洞试验环境中外挂大型的CCD接收装置，而是可以通过光纤尾纤连接到处理设备处。
(3)提出一种油膜干涉法做***初始标定的方法。在风洞试验开始前采用油膜干涉法，对内嵌式光纤传感***进行标定，拟合出频域干涉解调出来的频率和油膜厚度的曲线，准确定位两个反射面的深度信息。
附图说明：
图1示出本实用新型的油膜厚度内嵌式光纤频域干涉测量***原理示意图。
图2示出本实用新型的***标定方法的示意图。
图1中：1为风洞流场，2为待测油膜，3平行平板(模拟飞行器壁面)，4为内嵌式光纤传感器(自聚焦透镜设计)，5为宽带光源，6为宽带光纤环形器，7为光谱仪***，主要由8色散元件、9透镜和10CCD相机三部分组成，作用是采集干涉光谱。11为模数转换器(ADC)采集干涉的信号，12为计算机(PC)，将上位机软件对干涉信号进行频谱分析。宽带光源5的激光由环形器6到光纤探头4垂直入射到油膜2上，具有一定厚度的油膜2的上下表面均会将对宽带光发生反射，两束反射光都将再通过光纤探头回收并相遇发生干涉(这两束光由于光程不同会产生不同频率的干涉信号)，干涉光再由环形器的右端口到达光谱仪7，通过色散元件8，透镜9后，被CCD10采集后由采集卡11上传数据到上位机PC12作频谱分析。
图2中：利用单色光源对油膜照射油膜，在空间架设CCD相机获取油膜干涉的条纹，并由条纹计算油膜厚度，并对内嵌式光纤频域干涉***的测量结果进行标定。
具体实施方式
本实用新型：
(1)提出了一种在风洞试验中动态在线测量油膜厚度的内嵌式光纤频域干涉测量方法。在待测壁面安装内嵌式光纤传感器探头，利用油膜上下两个界面对光纤传感器射出的宽带激光的反射回光发生干涉，探头将干涉光收集由尾纤连出到光谱仪并进行CCD采集，最后进入上位机作频域分析，可以实时在线测量得到油膜厚度信息。
(2)设计了一种小型的光纤传感器内嵌在待测壁面内，在平板模型上进行低速湍流的表面油膜厚度变化的测量。为了满足现场测试的微型传感器的要求，并实现多点测量，采用自聚焦透镜的设计光纤探头，该光纤探头兼具发射宽带光源和回收干涉光的作用。通过内嵌式的设计方案，***不需要在风洞试验环境中外挂大型的CCD接收装置，而是可以通过光纤尾纤连接到设备处。
(3)提出一种油膜干涉法做***初始标定的方法。在风洞试验开始前采用油膜干涉法，对内嵌式光纤传感***进行标定，拟合出频域干涉解调出来的频率和油膜厚度的曲线，即可准确定位两个反射面的深度信息。
本实用新型提供一种风洞试验油膜厚度内嵌式光纤频域干涉测量***，它能克服如下缺点：(1)本实用新型能克服现有油膜厚度测量方法不能实时在线测量，工作周期长的缺点。(2)本实用新型能克服传感器外设而干扰流场的缺点。(3)本实用新型能克服现有方法校准困难的缺点。
本实用新型具有如下优点：(1)采用宽带光源进行光纤频域干涉测量油膜厚度，无需进行轴向机械扫描，使用CCD相机快速曝光，可以实现实时在线测量；(2)采用内嵌式微型光纤传感器设计，将兼具发射宽带光源和回收干涉光的作用，排除了外设传感器干扰流场。(3)采用油膜干涉法，快速标定内嵌式光纤传感器经过光谱解调后的频率和油膜厚度的对应曲线，提高频域干涉的定位精度。
本实用新型采取的技术方案是，风洞试验中油膜厚度内嵌式光纤频域干涉测量***，包括：
本***主要由宽谱光源、干涉仪和光谱仪组成。其中光源的中心波长影响***的测量的油膜厚度，而光源的谱宽决定了***轴向的理论分辨率。
(1)光纤频域干涉仪：
频域干涉仪由分光原件、参考臂和样品臂等组成。这里，利用油膜的两个分界面对激光的反射构成参考臂和样品臂共光路的干涉模型，两路反射光由于油膜厚度产生光程差而发生干涉，并且油膜厚度直接关系干涉信号的频率。
(2)内嵌式光纤自聚焦探头
设计的内嵌式微型光纤自聚焦探头，利用自聚焦透镜的折射率渐变的特点，兼具发射宽带光源和回收干涉光的作用。通过内嵌式的设计方案，***不需要在风洞试验环境中外挂大型的CCD接收装置，而是可以通过光纤尾纤连接到设备处。同时，可以通过传感器的一致性，实现多点同时探测。
(3)光谱仪解调
收集的干涉光通过环形器返回到光谱仪，由CCD相机曝光记录干涉信号，光谱仪的CCD相机的像素直接决定了***的测量厚度和测量速度。
(4)上位机频谱分析
利用Cyclone IV FPGA作为光谱仪的控制平台，控制AD芯片读写信号、控制信号，同时控制USB 2.0芯片和PC进行数据通讯，上位机并做FFT进行频谱分析，计算出相应的油膜厚度。
为克服现有技术的不足，做到(1)克服现有的风洞试验中油膜厚度的测量方法，对传感器体积过大、抗干扰能力不强，扫描速度较慢的缺点；提出了一种在风洞试验中动态在线测量油膜厚度的内嵌式光纤频域干涉测量方法。在待测壁面安装内嵌式光纤传感器探头，利用油膜上下两个界面对光纤传感器射出的宽带激光的反射回光发生干涉，探头将干涉光收集由尾纤连出到光谱仪并进行CCD采集，最后进入上位机作频域分析，得到油膜厚度信息。
(2)克服原先油膜干涉法测量要求在风洞中外设CCD接收装置，改变干涉流场的缺点，设计了一种小型的光纤传感器内嵌在待测壁面内，在平板模型上进行低速湍流的表面油膜厚度变化的测量。满足了现场测试的微型传感器的要求，并可实现多点测量，采用自聚焦透镜的设计光纤探头，该光纤探头兼具发射宽带光源和回收干涉光的作用。通过内嵌式的设计方案，***不需要在风洞试验环境中外挂大型的CCD接收装置，而是可以通过光纤尾纤连接到处理设备处。
(3)提出一种油膜干涉法做***初始标定的方法。在风洞试验开始前采用油膜干涉法，对内嵌式光纤传感***进行标定，拟合出频域干涉解调出来的频率和油膜厚度的曲线，准确定位两个反射面的深度信息。
本实用新型是这样实现的：
本***主要由宽谱光源、干涉仪和光谱仪组成。其中光源的中心波长影响***的测量的油膜厚度，而光源的谱宽决定了***轴向的理论分辨率。
(1)光纤频域干涉仪：
频域干涉仪由分光原件、参考臂和样品臂等组成。这里，利用油膜的两个分界面对激光的反射构成参考臂和样品臂共光路的干涉模型，两路反射光由于油膜厚度产生光程差而发生干涉，并且油膜厚度直接关系干涉信号的频率。
(2)内嵌式光纤自聚焦探头
设计的内嵌式微型光纤自聚焦探头，利用自聚焦透镜的折射率渐变的特点，兼具发射宽带光源和回收干涉光的作用。通过内嵌式的设计方案，***不需要在风洞试验环境中外挂大型的CCD接收装置，而是可以通过光纤尾纤连接到设备处。同时，可以通过传感器的一致性，实现多点同时探测。
(3)光谱仪解调
收集的干涉光通过环形器返回到光谱仪，由CCD相机曝光记录干涉信号，光谱仪的CCD相机的像素直接决定了***的测量厚度和测量速度。
(4)上位机频谱分析
利用Cyclone IV FPGA作为光谱仪的控制平台，控制AD芯片读写信号、控制信号，同时控制USB 2.0芯片和PC进行数据通讯，上位机并做FFT进行频谱分析，计算出相应的油膜厚度。
下面结合附图和实验本实用新型做进一步说明。
本实用新型中，宽带光源使用SLED激光器，中心波长为1550nm，带宽1500-1600nm，共100nm。宽带光源通过光纤环形器进入光纤传感器探头，参考光路和测试光路形成共光路模型，油膜两层界面反射回光还是由光纤探头接收，由于两层油膜厚度产生光程差发生干涉，并通过光纤环形器连接到光谱仪上。
进一步地，光谱仪由色散元件，透镜，以及CCD相机组成，其中CCD相机为1024像素(及以上)的配置，CCD像素直接关系油膜厚度的测量分辨率，在数据处理速度可以达到的情况下，CCD像素越高，理论测量分辨率越高。
进一步地，干涉光由光谱仪进行光电转换，经过滤波后被ADC模数转换器采集。其中ADC采集的时钟信号是由FPGA将采样触发信号时钟产生的。得到的数据由USB芯片传输到计算机上作频谱分析。
进一步地，***由外设的油膜干涉CCD采集装置进行标定，如图2所示，在风洞试验之前先进行油膜厚度的预标定，将由内嵌式光纤频域干涉测量的频率结果和由CCD条纹计算出来的油膜厚度拟合曲线，之后可以撤去外设设备，进行风洞试验。
Claims (2)
1.一种风洞试验油膜厚度内嵌式光纤频域干涉测量***，其特征是，由宽谱光源、光纤传感器探头及其尾纤、光谱仪构成，在待测壁面安装内嵌式光纤传感器探头，宽谱光源发出的激光经光纤传感器探头投射到油膜，具有一定厚度的油膜的上下两个界面均会对入射光发生反射，两束反射光都再由光纤传感器探头接收并相遇发生干涉，构成参考光和测试光共光路干涉仪模型，光纤传感器探头将干涉光收集由尾纤连出到光谱仪并进行CCD采集。
2.如权利要求1所述的风洞试验油膜厚度内嵌式光纤频域干涉测量***，其特征是，光纤传感器探头为内嵌式自聚焦透镜，由于探头安装方式为垂直入射到油膜表面，所以要求透镜端面无倾角，以最大程度接收反射回光。
Priority Applications (1)
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN108981596A (zh) * | 2018-08-31 | 2018-12-11 | 天津大学 | 风洞试验油膜厚度内嵌式光纤频域干涉测量***和方法 |
| CN116952525A (zh) * | 2023-09-20 | 2023-10-27 | 中国空气动力研究与发展中心低速空气动力研究所 | 一种用于风洞实验的翼型壁面摩阻非接触测量方法及*** |
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2018
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| CN116952525B (zh) * | 2023-09-20 | 2023-12-01 | 中国空气动力研究与发展中心低速空气动力研究所 | 一种用于风洞实验的翼型壁面摩阻非接触测量方法及*** |
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