高超声速溢流液膜冷却膜厚测量装置及测量方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供的高超声速溢流液膜厚度测量装置，包括：激励源，激励信号扩展单元，测量回路，空载回路，差分放大单元，调零单元，数据采集单元和数据处理单元。本发明专利技术能够实现不同厚度的液膜测量，通过激励源可产生指定标准的激励信号，通过空载回路和差分放大单元可以消除测量过程中产生的干扰信号，减少误差以得到精确的电导值，数据处理单元通过对数据采集单元采集信号的峰值进行计算，可得到当前液膜的精确厚度值。

Film thickness measurement device and measurement method for hypersonic overflow liquid film cooling

The device for measuring the thickness of a hypersonic overflow liquid film includes an excitation source, an excitation signal expansion unit, a measuring loop, an unloaded loop, a differential amplifying unit, a nulling unit, a data acquisition unit and a data processing unit. The invention can realize the measurement of liquid film of different thickness, the excitation signal source can generate the specified standard, the amplifying unit can eliminate the interference signals generated in the process of measurement through the idle loop and difference, reduce the error to obtain accurate values of conductivity, the data processing unit is calculated by using the peak of data acquisition and signal acquisition unit, can get the current value of the liquid film thickness accurately.

【技术实现步骤摘要】
高超声速溢流液膜冷却膜厚测量装置及测量方法
本专利技术涉及飞行器热防护领域，特别是涉及一种用于高超声速溢流液膜冷却实验的膜厚测量装置，及利用该测量装置测量溢流液膜厚度的方法。
技术介绍
随着高超声速飞行器的发展，越来越多地采用高升阻比的升力体、乘波体、翼身融合体等气动布局，并且飞行速度和大气层内飞行时间逐步增加，被动与半被动冷却方法已难以满足高超声速飞行器热防护的需求，尤其对于机翼和尾翼的前缘、吸气式发动机的进气道前缘、飞行器局部突起物以及观察窗等曲率半径较小的前缘部位，热环境极为恶劣，需要结合主动冷却技术来提供更高的防护能力。主动式冷却是指需要外加动力来提供冷却剂的冷却方法，目前最具备工程应用前景的溢流液膜冷却技术，其基本思想为：在高热流区附近布置溢流孔，通过对冷却液流量的控制，保证其不喷成射流，而是以溢流的方式流出，而后在绕流气体表面摩擦力作用下展布为液膜，覆盖在模型表面。溢流液膜冷却的核心问题是液膜的形成和控制，厚度作为最基本的特征参数，开展其测量方法的研究有助于揭示液膜形成条件，促进液膜冷却机理研究，合理评价冷却性能。
技术实现思路
本专利技术目的是提供一种用于高超声速溢流液膜冷却实验的膜厚测量装置，及利用该测量装置测量溢流液膜的方法。特别地，本专利技术提供的高超声速溢流液膜厚度测量装置，包括：激励源，包括产生测量探头所需激励信号的信号发生单元，和控制激励信号频率的频率选择单元，以及控制激励信号类型的波形选择单元；激励信号扩展单元，接受所述激励源的激励信号，并产生频率、相位、幅值完全相同的激励信号进行输出；测量回路，接收所述激励信号扩展单元输出的激励信号，再将测量结果输出，包括与测量探头相联的自平衡电桥；空载回路，利用自平衡电桥接收所述激励信号扩展单元输出的激励信号,其输出信号为测量过程中的电磁干扰信号；差分放大单元，包括同相比例放大器和差分比例放大器，接收所述测量回路和空载回路的信号并经过放大和差分处理后扣除电磁干扰信号；调零单元，用于控制差分放大单元的放大倍数，以消除电子元器件参数差异带来的影响；数据采集单元，采集所述差分放大单元中符合指定要求的输出信号；数据处理单元：用于接收所述数据采集单元的输出信号并检测输出信号的峰谷值，根据峰谷值得到液膜厚度。在本专利技术的一个实施方式中，所述激励源产生的激励信号为交流信号。在本专利技术的一个实施方式中，所述频率选择单元控制的频率范围为100Hz～100kHz。在本专利技术的一个实施方式中，所述波形选择单元控制的激励信号类型包括正弦波、三角波和方波。在本专利技术的一个实施方式中，所述激励信号扩展单元由两个并接的电压跟随器构成，两个电压跟随器的性能参数一致，以分别为所述空载回路和所述测量回路提供相同的激励信号。在本专利技术的一个实施方式中，在所述差分放大单元上还连接有调零单元，所述调零单元在液膜厚度为零时使输出信号幅值为零。在本专利技术的一个实施方式中，所述数据采集单元采集所述差分放大单元的输出信号时，采集频率至少不低于激励信号频率的10倍，系统带宽不低于激励信号频率的2倍。一种前述高超声速溢流液膜厚度测量装置的测量方法，包括如下步骤：步骤100，由数据处理单元对数据采集单元采集的信号进行一阶求导；步骤200，利用过零检测方法找出峰值；步骤300，对原始信号进行反相运算后再求一阶导数；步骤400，利用过零检测方法找出谷值；步骤500，根据信号峰谷值确定液膜厚度。在本专利技术的一个实施方式中，根据峰谷值确定液膜厚度的公式如下：其中，Vi为激励信号幅值，Rf为测量回路自平衡电桥的反馈电阻值，C为试验前通过标定确定的测量装置响应特性。本专利技术能够实现不同厚度液膜的测量，通过激励源可产生指定标准的激励信号，通过空载回路和差分放大单元可以消除测量过程中产生的干扰信号，减少误差以得到精确的电导值，数据处理单元通过对数据采集单元采集信号的峰谷值再结合测量装置的响应特性进行计算，可得到当前液膜的精确厚度值。附图说明图1是本专利技术一个实施方式的测量装置连接示意图；图2是图1中激励信号扩展单元的电路示意图；图3是图1中差分放大单元的电路示意图；图4是本专利技术一个实施方式的激励源输出的激励信号及激励信号扩展单元输出信号示意图；图5是本专利技术一个实施方式的差分放大电路的输出信号示意图；图6是本专利技术一个实施方式的数据处理单元得到的信号峰谷值示意图；图7是本专利技术一个实施方式的测量装置的响应特性示意图；图8是本专利技术一个实施方式的液膜厚度随时间变化的示意图；图9是本专利技术一个实施方式的测量方法流程图。具体实施方式本专利技术利用电导耦合测量法的原理来设置相关测量部件，其基本原理为：冷却液具有一定的电导率，液膜厚度不同时，其导电能力不同，液膜电导值与液膜厚度互相耦合，因此，通过测量液膜电导值即可确定液膜厚度。如图1所示，本专利技术一个实施方式的高超声速溢流液膜厚度测量装置一般性地包括如下部件：激励源，由于电导耦合测量法为主动测量，需要为测量探头提供激励源才能正常工作，本实施方式的激励源由频率选择单元、波形选择单元及信号发生单元构成。其中频率选择单元为信号发生单元的振荡网络提供合适的电阻、电容值，并控制产生激励信号的频率，频率范围为100Hz～100kHz。波形选择单元控制信号发生单元产生激励信号的类型：可为正弦波、三角波或方波。信号发生单元产生测量探头所需的激励信号，信号类型和频率由频率选择单元和波形选择单元控制。为避免激励源对冷却液的电解效应，激励源必须为交流信号。激励信号扩展单元接受激励源的激励信号，并产生频率、相位、幅值完全相同的激励信号进行输出，以使下述的测量回路和空载回路接收到完全一致的信号。本实施方式中，激励信号扩展单元可以由两个并接的电压跟随器构成，两个电压跟随器的性能参数完全一致，可以将完全相同的激励信号分别提供给空载回路和测量回路。测量回路，接收激励信号扩展单元输出的激励信号，再将测量结果输出，包括与测量探头相联的自平衡电桥。其中，自平衡电桥将激励信号加载到测量探头输入端，探头输出端与自平衡电桥连接构成反馈网络，激励信号强度与液膜厚度相耦合后输出至下述的差分放大单元。空载回路，利用自平衡电桥接收激励信号扩展单元输出的激励信号后输出。空载回路与测量回路的电路构成一致，但是不与测量探头连接，因为风洞实验中电磁环境较为复杂，所以可通过空载回路接收电磁干扰信号，并通过差分放大单元将测量回路中的干扰信号扣除。差分放大单元，包括具备较高输入阻抗和共模干扰抑制比的同相比例放大器和差分比例放大器，差分放大单元接收测量回路和空载回路的信号并经过放大和差分处理扣除电磁干扰信号后输出。进一步地，可以在差分放大单元上连接一个调零单元，调零单元用于控制差分放大单元的放大倍数，可消除电子元器件参数差异带来的影响，使液膜厚度为零时输出信号幅值为零。数据采集单元，采集差分放大单元中符合指定要求的输出信号；其中，采集频率要求不低于激励信号频率的10倍，系统带宽不低于激励信号频率的2倍。数据处理单元：用于接收数据采集单元的输出信号并检测输出信号的峰谷值，根据峰谷值即可得到当前测量的溢流液膜厚度。为了避免激励源对溢流液膜的电解效应，选用交流信号作为激励信号，但溢流液膜的厚度只与输出信号的幅值相耦合，不改变信号频率，因此为得到液膜的厚度，需要检测输出信号的本文档来自技高网...

【技术保护点】
高超声速溢流液膜厚度测量装置，其特征在于，包括：激励源，包括产生测量探头所需激励信号的信号发生单元，和控制激励信号频率的频率选择单元，以及控制激励信号类型的波形选择单元；激励信号扩展单元，接受所述激励源的激励信号，并产生频率、相位、幅值完全相同的激励信号进行输出；测量回路，接收所述激励信号扩展单元输出的激励信号，再将测量结果输出，包括与测量探头相联的自平衡电桥；空载回路，利用自平衡电桥接收所述激励信号扩展单元输出的激励信号,其输出信号为测量过程中的电磁干扰信号；差分放大单元，包括同相比例放大器和差分比例放大器，接收所述测量回路和空载回路的信号并经过放大和差分处理后扣除电磁干扰信号；调零单元，用于控制差分放大单元的放大倍数，以消除电子元器件参数差异带来的影响；数据采集单元，采集所述差分放大单元中符合指定要求的输出信号；数据处理单元：用于接收所述数据采集单元的输出信号并检测输出信号的峰谷值，根据峰谷值得到液膜厚度。

【技术特征摘要】
1.高超声速溢流液膜厚度测量装置，其特征在于，包括：激励源，包括产生测量探头所需激励信号的信号发生单元，和控制激励信号频率的频率选择单元，以及控制激励信号类型的波形选择单元；激励信号扩展单元，接受所述激励源的激励信号，并产生频率、相位、幅值完全相同的激励信号进行输出；测量回路，接收所述激励信号扩展单元输出的激励信号，再将测量结果输出，包括与测量探头相联的自平衡电桥；空载回路，利用自平衡电桥接收所述激励信号扩展单元输出的激励信号,其输出信号为测量过程中的电磁干扰信号；差分放大单元，包括同相比例放大器和差分比例放大器，接收所述测量回路和空载回路的信号并经过放大和差分处理后扣除电磁干扰信号；调零单元，用于控制差分放大单元的放大倍数，以消除电子元器件参数差异带来的影响；数据采集单元，采集所述差分放大单元中符合指定要求的输出信号；数据处理单元：用于接收所述数据采集单元的输出信号并检测输出信号的峰谷值，根据峰谷值得到液膜厚度。2.根据权利要求1所述的高超声速溢流液膜厚度测量装置，其特征在于，所述激励源产生的激励信号为交流信号。3.根据权利要求1所述的高超声速溢流液膜厚度测量装置，其特征在于，所述频率选择单元控制的频率范围为100Hz～100kHz。4.根据权利要求1所述的高超声速溢流液膜厚度测量装置，其特征在于，所述波形选择单...

【专利技术属性】
技术研发人员：苑朝凯，姜宗林，陈宏，俞鸿儒，
申请(专利权)人：中国科学院力学研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11