本发明涉及传感技术领域，尤其涉及高温下间接测量摩擦应力的方法及压差测量装置。
背景技术：
摩擦应力对于流场和在流场中运动的物体影响很大，是一项关键性测量目标。通过测量压差，可以计算得到摩擦应力。但在极端的环境时，例如高温高速的条件下，测量摩擦应力传感器或测量压差的传感器均无法正常使用。而且现有的摩擦应力测量装置，不论是直接测量装置还是间接测量装置，通常体积较大，且安装时需要对待测件表面进行改造，破坏待测件自身的表面形状，干扰了待测件外部流场的分布，尤其是在高超声速的高温高速环境下，非平滑表面会使流场产生很大的扰动，使得表面摩擦应力测量失效，同时气动热尖端集中会导致摩擦应力传感器处聚集大量的气动热，可能烧毁测量装置，甚至烧毁待测件表面。
技术实现要素：
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是解决现有的摩擦应力测量装置无法在高温环境中使用，且会扰动流场，无法准确测量真实的表面摩擦应力的问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种高温下间接测量摩擦应力的压差测量装置，包括测量头和压差传感器，所述测量头上设有测压直孔和测压斜孔，所述测压直孔和所述测压斜孔的进气端与待测件外表面的流场连通，所述压差传感器的两个测量部分别测量所述测压直孔和所述测压斜孔内的气压；
所述测量头嵌设于所述待测件，所述测压直孔和所述测压斜孔的进气端所在的端面与所述待测件的外表面齐平，所述测压直孔和所述测压斜孔的进气端的连线垂直于所述流场的来流方向，所述测压斜孔倾斜的迎向所述流场的来流方向。
优选地，所述测量头采用耐高温的金属或合金制成。
优选地，所述测压斜孔与所述流场的来流方向夹角范围为25°～70°。
优选地，所述测压直孔和所述测压斜孔的进气端之间的最小距离范围为0～20mm；所述测压直孔和所述测压斜孔为直径相等的圆孔，直径范围为0.1～2mm；所述测压直孔和所述测压斜孔的长度范围为10～20mm。
优选地，还包括两个压力输出连接器，所述压差传感器的两个测量部分别通过所述压力输出连接器与所述测压直孔和所述测压斜孔连接。
优选地，所述测压直孔和所述测压斜孔的出气端与所述压力输出连接器之间设有压力连接通道；所述压力连接通道的输出端设有密封螺纹，所述压力输出连接器与所述压力连接通道螺纹连接。
优选地，所述测量头为圆柱形金属件，所述测压直孔和所述测压斜孔的进气端分别设置在所述圆柱形金属件圆心的两侧；所述测量头上还设有法兰安装部，用于将所述测量头固定安装到所述待测件。
本发明还提供了一种高温下间接测量摩擦应力的方法，包括如下步骤：
上述任一项所述的压差测量装置所测压差与其所测压差处的摩擦应力的关系式为：
关系式中：δp为压差，a和b为待标定常数，τw为摩擦应力，ρ为气流密度，μ为动力粘度，h为特征高度，由所述压差测量装置的结构决定，
将所述压差测量装置装入标定装置中，在标定用流场的不同流速环境下，通过所述标定装置对所述关系式进行标定，得到至少两个a和b的关系式，解出a和b的数值；
将标定后的所述压差测量装置安装在待测件，测得压差δp；采用气流密度测量装置测量所述待测件表面的流场的气流密度ρ，采用动力粘度测量装置测量所述待测件表面的流场的动力粘度μ；
通过所述关系式：
优选地，所述标定装置包括流场通道、压差测量装置固定部和多个空速管；
多个所述空速管的探测部均伸入所述流场通道内，迎向所述标定用流场的来流方向，用于探测所述标定用流场的流速；
所述压差测量装置通过所述压差测量装置固定部安装在所述流场通道的侧壁上，且在安装后，所述测压直孔和所述测压斜孔的进气端所在的端面与所述流场通道的内表面齐平，所述测压直孔和所述测压斜孔的进气端与两个所述空速管之间的所述标定用流场连通，所述测压直孔和所述测压斜孔的进气端连线垂直于所述标定用流场的来流方向，所述测压斜孔倾斜的迎向所述流场的来流方向。
优选地，采用风洞或风机提供位于所述流场通道内的所述标定用流场；
通过所述空速管得到所述标定用流场流经所述压差测量装置前、后的流速，计算得到所述压差测量装置所测压差处的摩擦应力；
根据得到的所述摩擦应力，通过所述压差测量装置所测压差与其所测压差处的摩擦应力的关系式，得到a和b的关系式。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明提供的高温下间接测量摩擦应力的压差测量装置结构简单，便于安装布置，甚至可以设置在压力的测量系统中，对待测件表面流场影响小，且不会产生气动热，能够用于准确测量高温下真实的表面摩擦应力。本发明提供的高温下间接测量摩擦应力的方法利用了间接测压测量的原理，能够克服压差传感器无法测量高温流场的问题，用于准确测量真实的表面摩擦应力。
附图说明
图1是本发明实施例中测量头的结构示意图；
图2是图1中的a-a线剖面图；
图3是图1中的b-b线剖面图；
图4是本发明实施例中压力输出连接器的结构示意图；
图5是本发明实施例中高温下间接测量摩擦应力的压差测量装置测量头与压力输出连接器装配后，a-a线剖面示意图；
图6是本发明实施例中高温下间接测量摩擦应力的压差测量装置测量头与压力输出连接器装配后，b-b线剖面示意图；
图7是本发明实施例中标定装置结构示意图；
图8是图7中的d-d线剖面图；
图9是本发明实施例中标定装置的顶视图；
图中：1：测量头；11：测压斜孔；12：测压直孔；13：密封螺纹；14：压力连接通道；15：安装定位孔；2：压力输出连接器；3：流场通道；4：空速管；41：空速管定位桩；5：压差测量装置固定部。
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的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的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。
本发明所提供的高温下间接测量摩擦应力的压差测量装置，采用间接测压式测量摩擦应力，其测量原理如下：设计两个类型的测压孔，其中一个为测压直孔12，测量可得待测件表面静压，另一个为测压斜孔11，测量可得带有一定损失的总压，通过压差传感器测量两个测压孔的压差，测量所得的压差与测量处的摩擦应力存在对应关系，对于摩擦应力τw，即单位面积内的摩擦阻力，τw与两个测压孔之间的压差δp的对应关系为：
当雷诺数reh较小时，粘性力占主导，δp∝τw；
当雷诺数reh较大时，惯性力占主导，
得到压差与摩擦应力之间的关系可表示为：
其中，ρ为气流密度，μ为动力粘度，气流密度和动力粘度可通过现有技术已有的测量装置进行测量；h为特征高度，由压差测量装置的结构决定，
通过标定装置对压差测量装置进行标定后，得到a和b，建立待测件表面摩擦应力与测量所得的压差之间的真实关系式，再结合气流密度测量装置测量的流场的气流密度，动力粘度测量装置测量的流场的动力粘度，以及本发明所提供的压差测量装置测量的待测件表面压差，即求解得到真实的表面摩擦应力，最终实现在高温环境下间接测量摩擦应力或摩擦阻力。
如图1至图6所示，本发明实施例提供的一种高温下间接测量摩擦应力的压差测量装置，包括测量头1和压差传感器(图中未示出)，测量头1上设有测压直孔12和测压斜孔11，测压直孔12和测压斜孔11的进气端与沿待测件外表面流动的流场连通，压差传感器的两个测量部分别与测压直孔12和测压斜孔11内的出气端连通，即分别测量测压直孔12和测压斜孔11内的气压。本发明中的压差传感器是用于测量测压斜孔11与测压直孔12输入的压力差，在此对其不做进一步限定。显然，在其他实施例中，也可以采用两个压力传感器分别测量测压直孔12和测压斜孔11输入的压力，再计算出二者的压差，能够实现测量两个测压孔压差的功能即可。
测量头1嵌设于待测件，测压直孔12和测压斜孔11的进气端所在的端面与待测件的外表面齐平，即，流场的来流方向位于测压直孔12和测压斜孔11的进气端所在平面内，避免测量头1的形状对待测件表面流场造成干扰。
本实施例所提供的高温下间接测量摩擦应力的压差测量装置采用了嵌入式斜管结构，不会在使用中产生气动热尖端集中现象，因此本实施例的压差测量装置可以用于在高温高速环境中工作。由于测量头1直接与高温流场连通，因此，优选地，测量头1采用耐高温的金属或合金制成，例如不锈钢。
如图1和图5所示，图中的箭头表示流场的来流方向，测压直孔12和测压斜孔11的进气端的连线垂直于流场的来流方向，测压斜孔11倾斜的迎向流场的来流方向，与流场的来流方向夹角范围为25°～70°，优选为60°。
为保证测压直孔12和测压斜孔11处于同一流场状态，提高测量精度，两个测压孔的顶端之间应保持较小的距离，且越近越好，但是由于设计上两个测压孔不可能无限接近，优选地，测压直孔12和测压斜孔11顶端之间的最小距离范围为0～20mm。
当测压孔的直径过小时，其灵敏性较低，会影响测量的灵敏度；当测压孔直径过大时，测压孔会干扰流场，影响测量的准确性。为保证压力差测量的灵敏性和精确性，测压直孔12和测压斜孔11为直径相等的圆孔，直径范围为0.1～2mm，优选为1mm。
两个测压孔的长度也会对测量精度产生影响，此处的两个测压孔的长度指的是测压直孔12的长度和测压斜孔11在测压直孔12方向上的投影长度。两个测压孔的长度太短会对流场产生干扰，太长会导致测量头1的尺寸过大，不宜安装，因此，两个测压孔的长度不应小于10mm，优选为10～20mm。
为了尽量避免测量头1改变待测件的外形，减小装配测量头1对待测件的表面弧度的影响，进而减少对流场造成的干扰，测量头1与流场接触的面积应尽量小，且测量头1表面的粗糙程度应与待测件表面一致。如图1至图3所示，具体到本实施例中，测量头1为圆柱形不锈钢金属件，直径范围为20～30mm，优选为20mm。测压直孔12和测压斜孔11的顶端分别设置在圆柱形金属件圆心的两侧。测量头1上还设有法兰安装部，法兰安装部位于圆柱形金属件的底部，设有若干个安装定位孔15，用于将测量头1固定安装到待测件，安装时应确保流场的来流方向与测压直孔12和测压斜孔11之间的位置关系。测量头1与流场来流方向的关系如图1、图5和图6所示。
具体地，该压差测量装置还包括两个压力输出连接器2，测量头1通过压力输出连接器2向压差传感器的测量部输出压力，压力输出连接器2的结构如图4和图5所示。压差传感器(图中未示出)的两个测量部分别通过压力输出连接器2与测压直孔12和测压斜孔11连接。
优选地，如图2、图3、图5和图6所示，测压直孔12和测压斜孔11的出气端与压力输出连接器2之间设有压力连接通道14。压力连接通道14的输入端与测压直孔12或测压斜孔11的出气端连通，输出端设有密封螺纹13，压力连接通道14与压力输出连接器2螺纹连接，保证测压直孔12或测压斜孔11与压力输出连接器2的密封连接，使压力传输通路不受到干扰。
综上所述，本实施例提供了一种高温下间接测量摩擦应力的压差测量装置，结构简单，安装方便，甚至可以设置在压力的测量系统中。使用时，测量头1嵌入待测物，与待测物的表面齐平，且测量头1上的测压孔经过设计，避免了对待测物表面流场的干扰，能够用于间接测量真实的表面摩擦应力。
本发明还提供了一种高温下间接测量摩擦应力的方法，包括如下步骤：
上述实施例中的压差测量装置所测压差与其所测压差处的摩擦应力的关系式为：
关系式中：δp为压差，a和b为待标定常数，τw为摩擦应力。ρ为气流密度，μ为动力粘度，这二者可由现有技术中的测量装置进行测量。h为特征高度，由压差测量装置的结构决定，
将所述压差测量装置装入标定装置中，在标定用流场的不同流速环境下，通过所述标定装置对所述关系式进行标定，得到至少两个a和b的关系式，解出a和b的数值。
将标定后的压差测量装置安装在待测件上，测得压差δp；采用气流密度测量装置测量待测件表面的流场的气流密度ρ，采用动力粘度测量装置测量待测件表面的流场的动力粘度μ。
优选地，本实施例中通过流场的温度和气压计算得到待测件表面的流场的气流密度ρ和动力粘度μ。
气流密度的表达式为：
其中，ρ为气流密度，p为气压，t为温度，r为气体常数，空气的r＝287j/kg·k。即本实施例中的气流密度测量装置包括测温装置。测温装置可选高温计、热像仪或热电偶等，测气压装置可选压力传感器等。
动力粘度是温度和气体种类的参数，动力粘度的关系式可表达为：
其中，μ0为15℃时的动力粘度，μ0＝1.7894e-5，b为与气体种类有关的常数，空气的b＝110.4k。即本实施例中的动力粘度测量装置包括测量装置和测气压装置，其中测温装置可选高温计、热像仪或热电偶等。
本实施例中的气流密度测量装置和动力粘度测量装置可共用测温装置，即通过测温装置和测气压装置，即可测量待测件表面的流场的气流密度ρ和动力粘度μ。当然，在其他实施例中，也可以采用其他方式测量气流密度ρ和动力粘度μ。
通过关系式：
如图7至图9所示，本实施例中所用的标定装置包括流场通道3、压差测量装置固定部5和多个空速管4。图中的箭头表示流场的流动，即来流方向。多个空速管4的探测部均伸入流场通道3内，迎向标定用流场的来流方向，用于探测标定用流场的流速。
待标定的压差测量装置通过压差测量装置固定部5安装在流场通道3的侧壁上，且在安装后，测压直孔12和测压斜孔11的进气端所在的端面与流场通道3的内表面齐平，测压直孔12和测压斜孔11的进气端与两个空速管4之间的标定用流场连通，即各个空速管4的所测量的标定用流场范围应覆盖测量头1处的所测的标定用流场范围。换言之，至少一个空速管4测量未流经测量头1的标定用流场，至少一个空速管4测量流经测量头1后的标定用流场，为标定提供准确的流场数据。测压直孔12和测压斜孔11的进气端连线垂直于标定用流场的来流方向，测压斜孔11倾斜的迎向流场的来流方向。
优选地，流场通道3采用与测量头1相同的材质制成，其内表面的粗糙度与测量头1的粗糙度一致。具体到本实施例中，流场通道3由不锈钢结构构成，纵截面为正方形，可以适用于各种极端流场环境，能够承受较高的温度和较强的扰动，不易变形，并与本实施例中所用的测量头1材质相同，可适用于高温的标定环境。流场通道3由经过打磨的不锈钢板焊接连接，焊接处焊缝光滑无毛刺，避免对标定用流场造成干扰。
如图7和图8所示，具体到本实施例中，4个小尺寸l型空速管4均通过空速管定位桩41固定在流场通道3的一个侧面上，且空速管4的探测部伸入流场通道3的深度沿标定用流场的来流方向依次增加，确保先接触到标定用流场的空速管4不会影响到在后的空速管4测量，避免各个空速管4之间相互干扰，影响标定用流场的流动。优选地，4个空速管4中相邻的两个空速管4的距离均相等。
通过多个空速管4测量标定用流场的流速，对标定用流场流线速度进行模拟，能够得到真实的流场流速变化曲线，以便更加准确的计算摩擦应力。显然，在其他实施例中，也可以根据需要改变空速管4的数目。
具体到本实施例中，压差测量装置固定部5处于与空速管4相邻的侧壁上的平面中心区域，包括测量头定位桩和4个定位螺栓。测量头定位桩为中空结构，末端与流场通道3连通，定位螺栓设置在测量头定位桩的顶端。安装时，测量头1插入测量头定位桩，与标定用流场连通，定位螺栓插入测量头1上安装定位孔15将测量头1固定，安装时应同时保证测量头1与流场通道3的位置关系和两个测压孔与来流方向之间的位置关系。
本实施例中通过测量温度和压力，间接测量气体密度和动力粘度，优选地，标定装置还包括测温装置和测气压装置，这二者均为现有技术。且由于对于同一状态的流场，气流密度和动力粘度属于稳定大气参数，测温装置和测气压装置可以设置在流场通道3的外侧。
本实施例中，将待标定的压差测量装置装入上述标定装置进行标定时，采用风洞或风机提供位于流场通道3内的标定用流场，标定用流场为平稳流场。通过空速管4得到标定用流场流经待标定的压差测量装置前、后的流速，计算得到压差测量装置所测压差处的摩擦应力。
具体地，求解摩擦应力时，可根据动能定理与摩擦力做功的公式进行计算。首先确定标定用流场沿流线方向变化的流场速度，然后计算这一段的流速衰减和流场通道3表面摩擦阻力的关系，即摩擦阻力做功导致标定用流场的流场速度减小，最后得到这一段流场通道3的摩擦阻力曲线，摩擦应力为单位面积上的摩擦阻力。
根据得到的摩擦应力，通过压差测量装置所测压差与其所测压差处的摩擦应力的关系式，得到a和b的关系式。得到两个a和b的关系式即可利用二元一次方程组解出a和b的数值。
优选地，还可以再解出a和b的数值后，由不同流速的标定用流场得到第三个a和b的关系式，带入通过压差测量装置所测压差与其所测压差处的摩擦应力进行验算。
在标定时测量多组摩擦应力和压差的关系，可得到摩擦应力与压差的函数曲线，由所测压差与其所测压差处的摩擦应力的关系式可知，该函数曲线经过零点，且解区间导数为正。因此，求解摩擦应力时，取曲线中经过(0,0)点的升幂区间，并且在第一区间中的解。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。