压力敏感涂料校准装置及校准系统的制作方法

本实用新型涉及压力敏感涂料校准技术领域，特别是涉及一种压力敏感涂料校准装置及校准系统。

背景技术：

压力敏感涂料(Pressure-sensitive paint，PSP)技术是一种先进的气动力光学测量技术，相比于传统的基于测压孔的测量方法，PSP可以提供非接触式的全场压力数据，不影响流场，具有测量分辨率高、成本低的优点。PSP已广泛应用于航空航天领域的各种风动试验中。

PSP测压技术是基于涂料的光致发光和氧猝灭的原理，通过在模型表面涂覆包含特殊发光分子的涂料，使用一定波长的激发光源照射涂料，涂料中的发光分子吸收激发光子的能量后，由基态跃迁至激发态。处于激发态的发光分子可以通过辐射光子的方式回到基态，称为“发光”；也可以通过与系统内的其它分子发生相互作用和能量交换而回到基态，称为“猝灭”。空气中的氧气是一种有效的猝灭物，当PSP中的氧气分子浓度越高，猝灭效应越明显，PSP的发光强度则越低。而PSP中的氧气分子浓度与其表面的氧气压力成正比，因此，PSP的发光强度随表面氧气压力的升高而降低。试验时即可通过测量PSP的光强分布换算得到模型表面的气压分布。

使用PSP进行空气动力学试验前，需要对涂料发光强度和表面压力的关系进行校准，校准分为稳态校准和非稳态校准。稳态校准是在压力稳定的状态下获取不同温度和压力时PSP的发光强度，从而获得不同温度下的光强-压力曲线，主要用于稳态空气动力学试验。非稳态校准一般是通过产生不同频率的周期压力信号，获得PSP在不同频率压力波动下的衰减和相位差；由于许多空气动力学现象是非稳态的，而非稳态信号可以通过傅里叶变换转换为频域信号进行分析，因此PSP的非稳态校准越来越受到重视。

目前国内对PSP的研究和应用较少，还处于起步阶段，涉及到的校准装置相关专利也较少；一般校准装置在周期压力信号校准时无法满足PSP试片表面压力处处相等的条件(平面波条件)，因此校准精度不高或无法实现周期压力信号校准，且不具备稳态校准的功能。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本实用新型旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一。

本实用新型的目的是提供一种压力敏感涂料校准装置及校准系统，可同时实现非稳态和稳态校准，可在不同背景气体环境下进行校准，具有结构简单、适用性广、成本低的特点。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种压力敏感涂料校准装置，其包括驻波管、信号舱和校准舱，所述信号舱和校准舱分别可拆卸地连接在所述驻波管的两端，所述驻波管与所述信号舱连通，且与所述校准舱密闭连接；

所述信号舱包括信号舱基座和密封连接在所述信号舱敞口端的信号舱盖板，所述信号舱基座的空腔内设有与所述信号舱盖板连接的扬声器，所述扬声器的振动面与所述信号舱盖板之间留有调整间距，所述信号舱基座的后端设有电源接头以及连通外部的气源气嘴，所述扬声器通过电源线连接所述电源接头；

所述校准舱包括校准舱基座和密封连接在所述校准舱基座两端的校准舱前盖板和校准舱后盖板，所述校准舱基座内设有位于所述校准舱前盖板上的试片基座，所述试片基座的前面贴附有PSP试片，所述试片基座的后面贴附有温控片，所述校准舱基座设有穿过所述PSP试片、试片基座和温控片中心的通孔，所述通孔中安装有压力传感器，所述试片基座避开所述PSP试片的位置处设有热敏电阻，所述热敏电阻、压力传感器和温控片分别通过信号线一一对应连接到设于所述校准舱后盖板上的电源接头，所述校准舱后盖板上还设有通过导气管与所述压力传感器连接的传感器参考端气嘴。

其中，所述驻波管为石英玻璃管。

其中，所述信号舱基座与所述信号舱盖板通过螺纹紧固件连接，且连接处设有密封垫；

所述校准舱基座与所述校准舱前盖板和校准舱后盖板均通过螺纹紧固件连接，且连接处设有密封垫；

所述扬声器通过螺纹连接件连接在所述信号舱盖板上，且所述螺纹连接件上套设有距离调节块。

其中，所述校准舱基座的外部粘贴有散热翅片。

其中，所述校准舱基座内设有横梁，所述温控片粘贴在所述横梁与所述试片基座之间，所述横梁设有连通所述通孔的中心孔。

其中，所述试片基座外套设有基座隔热套，所述基座隔热套的底部向外延伸有环形凸缘，所述环形凸缘贴覆在所述温控片的表面；

所述压力传感器外套设有传感器隔热套。

其中，所述试片基座的前面中心设有安装凹槽，所述PSP试片设于所述安装凹槽中，所述PSP试片的外表面、所述压力传感器的压力感受面均与所述试片基座的前面平齐。

其中，所述传感器参考端气嘴与大气环境或气体缓冲罐相通；

所述信号舱盖板的中心设有连接通孔，所述驻波管的一端插入所述连接通孔内并与所述连接通孔粘接；

所述校准舱前盖板设有连接凹槽，所述驻波管的另一端插入所述连接凹槽中并与所述连接凹槽粘接，且与所述基座隔热套的外壁粘接。

本实用新型还提供一种压力敏感涂料校准系统，其包括激发光源、光电倍增管、温度控制器、信号发生器、数据采集器以及如上述所述的压力敏感涂料校准装置；

所述激发光源用于对所述PSP试片进行照射，通过所述光电倍增管接收所述PSP试片发射的光；

所述温度控制器与所述PSP试片以及所述温控片连接，通过所述温度控制器调节所述PSP试片温度；

所述信号发生器用于产生特定频率的周期信号，该周期信号经功率放大器放大后传输给所述扬声器，所述扬声器产生压力波动；

所述数据采集器同步采集所述信号发生器、光电倍增管和所述压力传感器的信号，并传输给计算机进行处理。

其中，所述气源气嘴通过压力控制器连接外部气源；

所述激发光源和光电倍增管配备有滤波片和凸透镜，分别用于分离光信号和增大照射或接收光密度。

(三)有益效果

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

本实用新型提供的一种压力敏感涂料校准装置及校准系统，校准装置内部为密封结构，不受外部环境干扰，通过气源和压力控制器连接气源气嘴可设置不同背景气体参数(气体种类、压力、湿度等)，可同时实现PSP试片在不同背景气体参数下的非稳态和稳态校准，适用性广；同时可拆卸的结构方便更换PSP试片、压力传感器、扬声器等。

附图说明

图1为本实用新型一种压力敏感涂料校准装置的轴向剖视图；

图2为图1中A的局部放大图；

图3为本实用新型一种压力敏感涂料校准系统的原理图；

图中：1、石英玻璃管，2、校准舱紧固螺钉，3、校准舱前盖板，4、散热翅片，5、校准舱基座，6、校准舱后盖板，7、航空插座，8、传感器参考端气嘴，9、导气管，10、校准舱密封圈，11、信号舱盖板，12、信号舱密封圈，13、信号舱紧固螺钉，14、信号舱基座，15、气源气嘴，16、电源线，17、扬声器，18、扬声器紧固螺钉，19、距离调节块，20、温控片信号线，21、温控片，22、基座隔热套，23、试片基座，24、PSP试片，25、压力传感器，26、传感器隔热套，27、热敏电阻，28、热敏电阻信号线，29、传感器信号线，30、压力传感器参考端。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以视具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

如图1-2所示，为本实用新型提供的一种压力敏感涂料校准装置，用于获得气体作用于PSP试片24表面的压力与PSP试片24发光强度的校准关系，其包括驻波管优选为石英玻璃管1、信号舱和校准舱，所述信号舱和校准舱分别可拆卸地连接在所述驻波管的两端，所述驻波管与所述信号舱连通，且与所述校准舱密闭连接，根据驻波管原理，使用单根石英玻璃管1产生驻波，实现对压力波振幅的放大，首先，具有结构简单、成本低的优点；其次，石英玻璃管1内表面光滑，减少连接接缝，降低噪声和声能损耗；再次，石英玻璃具有优异的光学透过率，PSP试片24的激发光和发射光可直接穿过石英玻璃管1，保证校准时光路通畅，可视范围大；

所述信号舱包括信号舱基座14和密封连接在所述信号舱敞口端的信号舱盖板11，所述信号舱基座14的空腔内设有与所述信号舱盖板11连接的扬声器17，所述扬声器17的振动面与所述信号舱盖板11之间留有调整间距，所述信号舱基座14的后端设有电源接头以及连通外部的气源气嘴15，气源气嘴15通过导气管9连接气源和压力控制器，用于调节信号舱内气体参数(气体种类、湿度、压力等)，所述扬声器17通过电源线16连接所述电源接头，优选为航空插座7；

所述校准舱包括校准舱基座5和密封连接在所述校准舱基座5两端的校准舱前盖板3和校准舱后盖板6，所述校准舱基座5内设有位于所述校准舱前盖板3上的试片基座23，所述试片基座23的前面贴附有PSP试片24，所述试片基座23的后面贴附有温控片21优选为半导体温控片21，所述校准舱基座5设有穿过所述PSP试片24、试片基座23和温控片21中心的通孔，所述通孔中安装有压力传感器25，所述试片基座23避开所述PSP试片24的位置处设有热敏电阻27，所述热敏电阻27、压力传感器25和温控片21分别通过信号线即热敏电阻信号线28、传感器信号线29、温控片信号线20一一对应连接到设于所述校准舱后盖板6上的电源接头如航空插座7，所述校准舱后盖板6上还设有通过导气管9与所述压力传感器25连接的传感器参考端气嘴8。该校准装置内部为密封结构，不受外部环境干扰，通过气源和压力控制器连接气源气嘴15可设置不同背景气体参数(气体种类、压力、湿度等)，可同时实现PSP试片24在不同背景气体参数下的非稳态和稳态校准，适用性广；同时可拆卸的结构方便更换PSP试片24、压力传感器25、扬声器17等。

为了保证密封性，所述信号舱基座14与所述信号舱盖板11通过螺纹紧固件例如信号舱紧固螺钉13连接，且连接处设有密封垫如信号舱密封圈12；

所述校准舱基座5与所述校准舱前盖板3和校准舱后盖板6均通过螺纹紧固件如校准舱紧固螺钉2连接，且连接处设有密封垫如校准舱密封圈10密封；

所述扬声器17通过螺纹连接件如扬声器紧固螺钉18连接在所述信号舱盖板11上，且所述螺纹连接件上套设有距离调节块19，距离调节块19设于扬声器17与信号舱盖板11之间的螺纹连接件上，通过更换不同宽度的距离调节块19，调节扬声器17的振动面与信号舱盖板11之间的间距，即用于调节不同扬声器17的振动面与PSP试片24的距离L，并使信号舱与石英玻璃管1通气顺畅。

优选地，校准舱基座5以紫铜为材料制成，所述校准舱基座5的外部粘贴有散热翅片4，确保温控片21背面产生的热量及时有效地散发出去，确保校准装置在长时间工作下的温度稳定性。

其中，所述校准舱基座5内设有横梁，所述温控片21通过导热AB胶粘贴在所述横梁与所述试片基座23之间，所述横梁设有连通所述通孔的中心孔。

其中，所述试片基座23外套设有基座隔热套22，基座隔热套22开一狭缝，用于通过热敏电阻信号线28，所述基座隔热套22的底部向外延伸有环形凸缘，所述环形凸缘贴覆在所述温控片21的表面，以降低试片基座23和温控片21的热损耗，提高温度控制的准确性；

所述压力传感器25外套设有传感器隔热套26，避免压力传感器25因温度变化产生信号漂移甚至造成破坏。

其中，所述试片基座23的前面中心设有安装凹槽，所述PSP试片24通过导热双面胶粘贴于所述安装凹槽中，使PSP试片24校准时在压力波动下不脱离，并且方便PSP试片24更换，所述PSP试片24的外表面、所述压力传感器25的压力感受面均与所述试片基座23的前面平齐。

其中，压力传感器参考端30与导气管9密封连接，所述传感器参考端气嘴8与大气环境或气体缓冲罐相通，保证压力传感器25参考压力稳定，在校准时不受内部压力波动的影响；

所述信号舱盖板11的中心设有连接通孔，所述驻波管的一端插入所述连接通孔内并与所述连接通孔粘接；

所述校准舱前盖板3设有连接凹槽，所述驻波管的另一端插入所述连接凹槽中并与所述连接凹槽粘接，且与所述基座隔热套22的外壁粘接，连接方便。

为了使非稳态校准时PSP试片24表面压力相同，扬声器17产生的压力波动在石英玻璃管1内应以平面波的形式传播，根据声波导管理论，石英玻璃管1的内径D应满足如下要求：

D≤1.84c/πfmax；

其中，c为石英玻璃管1内声速，fmax为需要校准的最大频率；

为了在非稳态校准时获得足够大的压力波动，提高校准的信噪比，PSP试片24表面与扬声器17振动面的距离L应满足石英玻璃管1内产生驻波的条件：

L＝n*c/2f (n＝1,2,3,…)

可以得到在最小校准频率fmin时，距离L≥c/2fmin，由此可以确定石英玻璃管1的最小长度。

如图3所示，本实用新型还提供了一种压力敏感涂料校准系统，其包括激发光源、光电倍增管、温度控制器、信号发生器、数据采集器以及如上述所述的压力敏感涂料校准装置；

所述激发光源用于对所述PSP试片24进行照射，通过所述光电倍增管接收所述PSP试片24发射的光，所述激发光源和光电倍增管配备有滤波片和凸透镜，分别用于分离光信号和增大照射或接收光密度；

所述温度控制器与所述PSP试片24以及所述温控片21连接，通过所述温度控制器调节所述PSP试片24温度；

所述信号发生器用于产生特定频率的周期信号，该周期信号经功率放大器放大后传输给所述扬声器17，所述扬声器17产生压力波动；

所述数据采集器同步采集所述信号发生器、光电倍增管和所述压力传感器25的信号，并传输给计算机进行处理。

特别地，当扬声器17不工作时，仅调节装置内背景压力和PSP试片24温度，即可对PSP试片24进行稳态校准。

其中，所述气源气嘴15通过压力控制器连接外部气源，用于调节信号舱内气体参数(气体种类、湿度、压力等)。

由以上实施例可以看出，本实用新型可同时实现非稳态和稳态校准，可在不同背景气体环境下进行校准，具有结构简单、适用性广、成本低的特点。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。