[实用新型]风洞试验油膜厚度内嵌式光纤频域干涉测量系统

说明书

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系统和方法，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。

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系统，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。