一种高精度非接触气动摩擦阻力测量装置的制造方法
【技术领域】
[0001 ] 本实用新型涉及激光测速技术领域中的粒子图像测速（Particle Image Velocimetry，简称PIV)技术，具体来说，是一种高精度非接触式气动摩擦阻力测量方法及 测量装置。
【背景技术】
[0002] 对于航空航天飞行器而言，由气流相对运动引起的壁面摩擦阻力是影响飞行器空 气动力学特性的重要力学指标，是在地面风洞试验中需要准确测量的物理量。测量壁面摩 擦阻力的方法包括：直接测量方法，边界层动量积分方法，Preston管法，Stanton管法，热 比拟方法，油膜干涉法和液晶涂层法等。这些方法的实验装置都存在着不足，直接测量实验 装置简单，但测量范围小，操纵困难且误差较大，Preston管和Stanton管方法的实验装置 实际上是一个矩形的空速管，测量时需要将测试探头放入流场；热比拟方法，油膜干涉法和 液晶涂层法的实验装置包括热膜，油滴以及涂层，引入这些不仅会对流场产生干扰，而且易 受温度及光照条件影响，实验可重复性较差，精度较低。而近年发展起来的PIV技术以非接 触光学测量的方法测量靠近壁面的流场速度，能够解决探头/涂层干扰问题。在PIV测速 的基础上应用牛顿内摩擦定律，即可获得壁面摩擦阻力。由于壁面摩擦阻力计算依赖于壁 面处流向速度的法向梯度，因此提高摩擦阻力测量精度的关键是得到空间分辨率较高的速 度场。然而传统的PIV测量装置在测量摩擦阻力时多采用焦距在90mm以下的镜头，空间分 辨率不高。 【实用新型内容】
[0003] 本实用新型提供一种高精度非接触气动摩擦阻力测量装置，用于在空气动力学风 洞试验中通过非接触光学方法，快速测量模型表面气动摩擦阻力的一维分布。
[0004] 本实用新型高精度非接触气动摩擦阻力测量装置，包括风洞、激光器、片光系统、 C⑶相机、同步控制器与计算机。
[0005] 其中，风洞用来产生并且控制气流，用来模拟飞行器或实体周围气体的流动情况， 并可量度气流对实体的作用效果以及观察物理现象。激光器采用双脉冲NchYAG激光器， 用于照明流场；激光器的发射端安装有片光系统，片光系统用来将激光器发射的激光束扩 散成片光。由于需测量流向平均速度沿飞行器模型表面外法线方向分布，因此片光应与流 场的速度方向平行且垂直于飞行器模型需要进行摩擦阻力测量的表面。CCD相机是一种半 导体器件，能够把光学影像转化为数字信号，并存入计算机。由于边界层厚度尺寸较小，粒 子浓度相对较低，为了拍摄到分辨率较高的图像，CCD相机选择腾龙SP AF180mm F/3. 5Di LD[IF]MACR01:1长焦微距镜头，使C⑶相机的光轴与片光平面相垂直；通过CCD相机采集 一定时间内沿飞行器模型需要进行摩擦阻力测量的表面外法线方向一定高度内的示踪粒 子的跨帧图像对，转变成数字信号并存入控制计算机。同步控制器具有三个接口，分别通过 连接线与激光器、CCD相机以及计算机相连接。通过同步控制器接收计算机发送的数字信 号，同时用来触发CCD相机和激光器工作，使得CCD相机可在双曝光模式下采集示踪粒子的 跨帧图像对。
[0006] 1、本实用新型高精度非接触气动摩擦阻力测量装置，在图像采集过程中采用长焦 微距镜头能够以较高的分辨率记录粒子图像，由此利用单像素系综相关算法进行图像处理 可以得到每一个像素上的时间平均速度，具有很高的空间分辨率，为准确获得壁面摩擦阻 力奠定了基础；
[0007] 2、本实用新型高精度非接触气动摩擦阻力测量方法及测量装置，能够获得更高精 度的壁面摩擦阻力一维分布，并且对测量设备要求较低，测量时间快，对温度、湿度等外界 条件不敏感。
【附图说明】
[0008] 图1为本实用新型高精度非接触气动摩擦阻力测量仪结构示意图。
[0009] 图2为本应用实用新型精度非接触气动摩擦阻力测量仪的粒子图像测速方法流 程图。
[0010]图3为单像素精度算法示意图。
[0011] 图4为根据牛顿内摩擦定律计算壁面摩擦阻力的原理示意图。
[0012] 图中：
[0013] 1-风洞 2-激光器 3-片光系统
[0014] 4-CCD相机 5-同步控制器 6-计算机
[0015] 7-示踪粒子
【具体实施方式】
[0016] 下面结合附图对本实用新型作进一步详细说明。
[0017] 本实用新型高精度非接触气动摩擦阻力测量装置，包括风洞1、激光器2、片光系 统3、C⑶相机4、同步控制器5与计算机6。
[0018] 其中，风洞1用来产生并且控制气流，用来模拟飞行器或实体周围气体的流动情 况，并可量度气流对实体的作用效果以及观察物理现象，它是进行空气动力实验最常用、最 有效的工具之一。激光器2采用双脉冲NchYAG激光器2,用于照明流场；激光器2的发射 端安装有片光系统3,片光系统3用来将激光器2发射的激光束扩散成片光。由于需测量流 向平均速度沿飞行器模型表面外法线方向分布，因此片光应与流场的速度方向平行且垂直 于飞行器模型需要进行摩擦阻力测量的表面。CCD相机4是一种半导体器件，能够把光学影 像转化为数字信号，并存入计算机6。由于边界层厚度尺寸较小，粒子浓度相对较低，为了拍 摄到分辨率较高的图像，CCD相机4选择腾龙SP AF180mm F/3. 5Di LD[IF]MACR01:1长焦 微距镜头，使CCD相机4的光轴与片光平面相垂直；通过CCD相机4采集一定时间内沿飞行 器模型需要进行摩擦阻力测量的表面外法线方向一定高度内的示踪粒子7的跨帧图像对， 转变成数字信号并存入控制计算机6。同步控制器5具有三个接口，分别通过连接线与激光 器2、C⑶相机4以及计算机6相连接。通过同步控制器5接收计算机6发送的数字信号， 同时用来触发CCD相机4和激光器2工作，使得CCD相机4可在双曝光模式下采集示踪粒 子7的跨帧图像对。
[0019] 通过上述结构高精度非接触气动摩擦阻力测量装置，通过下述步骤实现气动摩擦 阻力的测量：