[發明專利]高超聲速溢流液膜冷卻膜厚測量裝置及測量方法

在審

• 申請號: 201710445428.0
• 申請日: 2017-06-13
• 公開（公告）號: CN107388952A
• 公開（公告）日: 2017-11-24
• 發明（設計）人: 苑朝凱;姜宗林;陳宏;俞鴻儒
• 申請（專利權）人: 中國科學院力學研究所
• 主分類號: G01B7/06
• 分類號: G01B7/06
• 代理公司: 北京和信華成知識產權代理事務所(普通合伙)11390
• 代理人: 胡劍輝

技術領域

本發明涉及飛行器熱防護領域，特別是涉及一種用于高超聲速溢流液膜冷卻實驗的膜厚測量裝置，及利用該測量裝置測量溢流液膜厚度的方法。

背景技術

隨著高超聲速飛行器的發展，越來越多地采用高升阻比的升力體、乘波體、翼身融合體等氣動布局，并且飛行速度和大氣層內飛行時間逐步增加，被動與半被動冷卻方法已難以滿足高超聲速飛行器熱防護的需求，尤其對于機翼和尾翼的前緣、吸氣式發動機的進氣道前緣、飛行器局部突起物以及觀察窗等曲率半徑較小的前緣部位，熱環境極為惡劣，需要結合主動冷卻技術來提供更高的防護能力。

主動式冷卻是指需要外加動力來提供冷卻劑的冷卻方法，目前最具備工程應用前景的溢流液膜冷卻技術，其基本思想為：在高熱流區附近布置溢流孔，通過對冷卻液流量的控制，保證其不噴成射流，而是以溢流的方式流出，而后在繞流氣體表面摩擦力作用下展布為液膜，覆蓋在模型表面。

溢流液膜冷卻的核心問題是液膜的形成和控制，厚度作為最基本的特征參數，開展其測量方法的研究有助于揭示液膜形成條件，促進液膜冷卻機理研究，合理評價冷卻性能。

發明內容

本發明目的是提供一種用于高超聲速溢流液膜冷卻實驗的膜厚測量裝置，及利用該測量裝置測量溢流液膜的方法。

特別地，本發明提供的高超聲速溢流液膜厚度測量裝置，包括：

激勵源，包括產生測量探頭所需激勵信號的信號發生單元，和控制激勵信號頻率的頻率選擇單元，以及控制激勵信號類型的波形選擇單元；

激勵信號擴展單元，接受所述激勵源的激勵信號，并產生頻率、相位、幅值完全相同的激勵信號進行輸出；

測量回路，接收所述激勵信號擴展單元輸出的激勵信號，再將測量結果輸出，包括與測量探頭相聯的自平衡電橋；

空載回路，利用自平衡電橋接收所述激勵信號擴展單元輸出的激勵信號,其輸出信號為測量過程中的電磁干擾信號；

差分放大單元，包括同相比例放大器和差分比例放大器，接收所述測量回路和空載回路的信號并經過放大和差分處理后扣除電磁干擾信號；

調零單元，用于控制差分放大單元的放大倍數，以消除電子元器件參數差異帶來的影響；

數據采集單元，采集所述差分放大單元中符合指定要求的輸出信號；

數據處理單元：用于接收所述數據采集單元的輸出信號并檢測輸出信號的峰谷值，根據峰谷值得到液膜厚度。

在本發明的一個實施方式中，所述激勵源產生的激勵信號為交流信號。

在本發明的一個實施方式中，所述頻率選擇單元控制的頻率范圍為100Hz～100kHz。

在本發明的一個實施方式中，所述波形選擇單元控制的激勵信號類型包括正弦波、三角波和方波。

在本發明的一個實施方式中，所述激勵信號擴展單元由兩個并接的電壓跟隨器構成，兩個電壓跟隨器的性能參數一致，以分別為所述空載回路和所述測量回路提供相同的激勵信號。

在本發明的一個實施方式中，在所述差分放大單元上還連接有調零單元，所述調零單元在液膜厚度為零時使輸出信號幅值為零。

在本發明的一個實施方式中，所述數據采集單元采集所述差分放大單元的輸出信號時，采集頻率至少不低于激勵信號頻率的10倍，系統帶寬不低于激勵信號頻率的2倍。

一種前述高超聲速溢流液膜厚度測量裝置的測量方法，包括如下步驟：

步驟100，由數據處理單元對數據采集單元采集的信號進行一階求導；

步驟200，利用過零檢測方法找出峰值；

步驟300，對原始信號進行反相運算后再求一階導數；

步驟400，利用過零檢測方法找出谷值；

步驟500，根據信號峰谷值確定液膜厚度。

在本發明的一個實施方式中，根據峰谷值確定液膜厚度的公式如下：

其中，V_i為激勵信號幅值，R_f為測量回路自平衡電橋的反饋電阻值，C為試驗前通過標定確定的測量裝置響應特性。

本發明能夠實現不同厚度液膜的測量，通過激勵源可產生指定標準的激勵信號，通過空載回路和差分放大單元可以消除測量過程中產生的干擾信號，減少誤差以得到精確的電導值，數據處理單元通過對數據采集單元采集信號的峰谷值再結合測量裝置的響應特性進行計算，可得到當前液膜的精確厚度值。

附圖說明

圖1是本發明一個實施方式的測量裝置連接示意圖；

圖2是圖1中激勵信號擴展單元的電路示意圖；