風(fēng)洞分布測壓試驗(yàn)校準(zhǔn)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

李峰，王洪博

（航空工業(yè)北京長城計(jì)量測試技術(shù)研究所，北京100095）

0 引言

風(fēng)洞試驗(yàn)是進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)研究、提供飛行器氣動(dòng)布局設(shè)計(jì)參數(shù)的重要手段之一。在風(fēng)洞試驗(yàn)中，測量飛行器表面壓力分布，能夠?yàn)榉抡娣治龊惋w行器氣動(dòng)布局設(shè)計(jì)提供最為直接有效的試驗(yàn)參數(shù)。目前國內(nèi)風(fēng)洞模型表面壓力分布測試主要采用兩種方法——模型表面布設(shè)測壓孔法和壓敏漆（Pressure Sensitive Paint，PSP）測壓法。模型表面布設(shè)測壓孔法的測量準(zhǔn)確度主要受測壓孔設(shè)計(jì)、引壓管結(jié)構(gòu)和電子壓力掃描測量準(zhǔn)確度影響；壓敏漆測壓試驗(yàn)準(zhǔn)確度的影響因素包括激光性能、壓敏涂層厚度、探針分子濃度、環(huán)境溫度等。采用模型表面布設(shè)測壓孔的方法測量分布?jí)毫Φ膬?yōu)點(diǎn)在于測量原理簡單、技術(shù)成熟度高、測量準(zhǔn)確性好，而壓敏漆（PSP）技術(shù)則能夠提供空間上連續(xù)的測壓數(shù)據(jù)。在風(fēng)洞試驗(yàn)中，通常采取兩種方式同時(shí)測量，從而達(dá)到獲取更加準(zhǔn)確豐富的試驗(yàn)數(shù)據(jù)的目的，而針對(duì)兩種方法的校準(zhǔn)技術(shù)和校準(zhǔn)手段還有待進(jìn)一步研究，下面分別進(jìn)行探討與分析。

1 常規(guī)測壓技術(shù)及校準(zhǔn)現(xiàn)狀

為保障風(fēng)洞壓力測試試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，所有的測量數(shù)據(jù)必須能夠溯源到國家標(biāo)準(zhǔn)，并且在整個(gè)測量過程中要能夠清楚得到并控制測量不確定度，因此通常需要對(duì)整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)評(píng)估。評(píng)估的內(nèi)容主要包括測壓試驗(yàn)儀器的校準(zhǔn)、數(shù)據(jù)處理方法、數(shù)據(jù)不確定度合成及表示方法。其中，試驗(yàn)儀器的校準(zhǔn)是評(píng)定試驗(yàn)系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)可靠性的基礎(chǔ)。通過校準(zhǔn)測壓試驗(yàn)儀器，能夠直觀得到試驗(yàn)儀器的測量誤差，建立完整的溯源鏈，提升試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可信度。

1.1 常規(guī)分布測壓系統(tǒng)校準(zhǔn)

壓力測試試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為風(fēng)洞試驗(yàn)中重要的試驗(yàn)結(jié)果，其可靠性一直備受關(guān)注。美國NASA相關(guān)報(bào)告給出了風(fēng)洞壓力測試系統(tǒng)校準(zhǔn)流程和數(shù)據(jù)不確定度評(píng)估方法。目前，NASA風(fēng)洞試驗(yàn)通常采用蘭利實(shí)驗(yàn)室制定的不確定度分析和校準(zhǔn)試驗(yàn)規(guī)程。該實(shí)驗(yàn)室利用重復(fù)試驗(yàn)，分離偏差和準(zhǔn)確度的不確定度評(píng)估方法，對(duì)壓力測試系統(tǒng)進(jìn)行了有效的校準(zhǔn)研究［1］。

先進(jìn)飛行器的研制和現(xiàn)有飛機(jī)型號(hào)的改進(jìn)對(duì)風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)品質(zhì)提出了更高的要求。世界各國針對(duì)自身風(fēng)洞試驗(yàn)存在的問題，均開展了試驗(yàn)校準(zhǔn)工作，并給出了數(shù)據(jù)可靠性評(píng)估。通過綜合分析影響整個(gè)測壓系統(tǒng)的不確定性，梳理試驗(yàn)數(shù)據(jù)鏈，對(duì)試驗(yàn)的每一個(gè)環(huán)節(jié)做出評(píng)估，是整個(gè)校準(zhǔn)流程最重要的環(huán)節(jié)。國外相關(guān)校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)通過分析得出，影響系統(tǒng)不確定性的最重要因素是各個(gè)組成儀器的準(zhǔn)確性、校準(zhǔn)程序、人為因素、環(huán)境以及測試數(shù)據(jù)分析等。此外，校準(zhǔn)結(jié)果的準(zhǔn)確性在很大程度上取決于校準(zhǔn)試驗(yàn)方法。

為滿足客戶對(duì)高準(zhǔn)確度試驗(yàn)數(shù)據(jù)的要求，NASA啟動(dòng)了風(fēng)洞試驗(yàn)技術(shù)改進(jìn)計(jì)劃，其目標(biāo)之一就是將試驗(yàn)數(shù)據(jù)品質(zhì)提高到符合國家標(biāo)準(zhǔn)的水平。在這項(xiàng)計(jì)劃中，針對(duì)風(fēng)洞試驗(yàn)壓力測試系統(tǒng)的校準(zhǔn)工作，NASA依據(jù)美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院《測量結(jié)果不確定度評(píng)估指南（NIST）》（Guidelines for Evaluating and Expressing the Uncertainty of NIST Measurement Results，NIST-1297）中制定的方法開展校準(zhǔn)工作［2］。校準(zhǔn)試驗(yàn)分為三個(gè)階段：第一階段是選定研究目標(biāo)，包括風(fēng)洞和測量設(shè)備型號(hào)等；第二階段是實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)，采用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行壓力校準(zhǔn)，并對(duì)溫度和重力影響進(jìn)行校正；第三階段是利用蘭利實(shí)驗(yàn)室的校準(zhǔn)方法進(jìn)行重復(fù)校準(zhǔn)試驗(yàn)，如圖1所示，采用集成的測試系統(tǒng)，利用相對(duì)法對(duì)壓力傳感器等設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用二階多項(xiàng)式擬合，其系數(shù)由最小二乘法迭代確定。通過重復(fù)試驗(yàn)，給出了線性靈敏度誤差分布。

圖1 壓力傳感器校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)

為保障實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確度，提升風(fēng)洞技術(shù)水平，瑞士RUAG建立了風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)質(zhì)量保障體系［3］。對(duì)風(fēng)洞試驗(yàn)中測量的力、壓力、溫度等參數(shù)建立完整的溯源體系，以提升風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。RUAG校準(zhǔn)試驗(yàn)室采用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備對(duì)風(fēng)洞測壓試驗(yàn)中用到的傳感器和測試系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)溯源，通過規(guī)范校準(zhǔn)流程提供更加精確可靠的校準(zhǔn)結(jié)果。RUAG風(fēng)洞試驗(yàn)用傳感器的溯源體系如表1所示，表中給出了不同類型的傳感器連接信號(hào)放大設(shè)備輸出的信號(hào)類型、測量誤差以及校準(zhǔn)試驗(yàn)中標(biāo)準(zhǔn)傳感器的誤差，其校準(zhǔn)工作可以溯源到RUAG航空航天中心校準(zhǔn)試驗(yàn)室。

表1 RUAG風(fēng)洞測量系統(tǒng)校準(zhǔn)要求和溯源體系

國內(nèi)對(duì)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)壓力傳感器的校準(zhǔn)技術(shù)基本成熟。其中，JJG 860-2015《壓力傳感器（靜態(tài)）檢定規(guī)程》和JJG 624-2005《動(dòng)態(tài)壓力傳感器檢定規(guī)程》分別規(guī)定了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)壓力傳感器的首次檢定、后續(xù)檢定和使用中檢驗(yàn)的校準(zhǔn)方法［4-5］。數(shù)字壓力計(jì)的檢定主要依據(jù)的JJG 875-2005《數(shù)字壓力計(jì)檢定規(guī)程》實(shí)行。對(duì)校準(zhǔn)用儀器，依據(jù)JJG 624-2005《動(dòng)態(tài)壓力傳感器檢定規(guī)程》等進(jìn)行校準(zhǔn)檢定。

盡管目前國內(nèi)壓力傳感器的校準(zhǔn)技術(shù)十分成熟，但是還未形成面向風(fēng)洞試驗(yàn)的原位校準(zhǔn)方法和校準(zhǔn)規(guī)程。國外標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)均建有完善的風(fēng)洞測試設(shè)備校準(zhǔn)體系，各個(gè)主要參數(shù)均能溯源到國家基準(zhǔn)，能夠有效保障風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。因此，為進(jìn)一步提升我國風(fēng)洞測壓試驗(yàn)技術(shù)，應(yīng)大力開展面向風(fēng)洞試驗(yàn)的校準(zhǔn)技術(shù)研究，包括風(fēng)洞環(huán)境影響校準(zhǔn)研究和原位校準(zhǔn)技術(shù)研究等，建立完善的數(shù)據(jù)溯源鏈，并且提供可靠的數(shù)據(jù)不確定度分析。

1.2 壓力掃描閥校準(zhǔn)技術(shù)現(xiàn)狀

壓力掃描閥是分布測壓孔測壓方法中的重要設(shè)備，國外以美國AIAA標(biāo)準(zhǔn)體系為代表的相關(guān)文獻(xiàn)中，對(duì)壓力掃描閥的校準(zhǔn)工作給出了詳細(xì)的校準(zhǔn)要求和流程。AIAA-S-071A-1999《試驗(yàn)不確定度評(píng)定及其在風(fēng)洞試驗(yàn)中的應(yīng)用》（Assessment of Experimental Uncertainty with Application to Wind Tunnel Testing）中規(guī)定了電子壓力掃描閥（ESP）的校準(zhǔn)方法和準(zhǔn)確度要求［6］。由于壓力掃描閥具有多個(gè)測壓通道，如果對(duì)每個(gè)通道均進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)，需要采集大量數(shù)據(jù)，耗時(shí)較長、成本較高，所以根據(jù)實(shí)際校準(zhǔn)經(jīng)驗(yàn)，AIAA標(biāo)準(zhǔn)建議在進(jìn)行壓力掃描閥系統(tǒng)不確定度評(píng)估時(shí)，可以隨機(jī)選取掃描閥總通道數(shù)的7%進(jìn)行校準(zhǔn)。為提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，在每次風(fēng)洞試驗(yàn)前，采用六點(diǎn)校準(zhǔn)技術(shù)校準(zhǔn)電子壓力掃描閥模塊中的壓力傳感器，在試驗(yàn)中隨時(shí)進(jìn)行重新校準(zhǔn)以補(bǔ)償因溫度變化所引起的零點(diǎn)漂移誤差，同時(shí)，根據(jù)AIAA92-3953《多通道測試系統(tǒng)不確定度方法研究》進(jìn)行不確定度評(píng)估［7］。在給出的壓力掃描閥測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)不確定度評(píng)估中，要將傳感器的溫度效應(yīng)作為系統(tǒng)偏差加入最終的誤差擬合，給出置信區(qū)間為95%的誤差帶。

國內(nèi)對(duì)壓力掃描閥的校準(zhǔn)研究較多，尤其是針對(duì)壓力掃描閥的試驗(yàn)校準(zhǔn)及溫度特性校準(zhǔn)等。目前國內(nèi)常用的壓力掃描閥主要采用PSI和DAS的產(chǎn)品，掃描閥的準(zhǔn)確度等級(jí)以及允許的最大測量誤差如表2所示。一般校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)根據(jù)用戶需求，按照J(rèn)JG 875-2005《數(shù)字壓力計(jì)檢定規(guī)程》有針對(duì)性地開展校準(zhǔn)工作。

表2 壓力掃描閥準(zhǔn)確度等級(jí)與最大允許誤差

中國航發(fā)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)研究所邢威等人［8］對(duì)電子壓力掃描閥校準(zhǔn)工作中應(yīng)著重考慮的相關(guān)要素進(jìn)行了說明，包括壓力標(biāo)準(zhǔn)裝置的準(zhǔn)確度、溫度控制系統(tǒng)、校準(zhǔn)壓力點(diǎn)的選取等，并分析了壓力掃描閥測試數(shù)據(jù)的不確定度來源，給出了壓力掃描閥不確定度評(píng)估方法。中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心校準(zhǔn)測試實(shí)驗(yàn)室的黃健等人［9］針對(duì)國內(nèi)在用的主要型號(hào)電子壓力掃描閥開展了校準(zhǔn)技術(shù)研究，提出了校準(zhǔn)通用的技術(shù)要求、環(huán)境條件、校準(zhǔn)儀器、校準(zhǔn)方法、校準(zhǔn)周期等，并編寫了《風(fēng)洞試驗(yàn)電子壓力掃描閥校準(zhǔn)規(guī)程》。

壓力掃描閥原理簡單、發(fā)展較早，目前技術(shù)已經(jīng)十分成熟，也已經(jīng)形成了較完善的校準(zhǔn)體系，但是隨著壓力掃描閥校準(zhǔn)技術(shù)的逐漸成熟，為進(jìn)一步提高校準(zhǔn)效率、降低校準(zhǔn)成本，壓力掃描閥校準(zhǔn)技術(shù)逐漸向現(xiàn)場原位校準(zhǔn)方向發(fā)展。現(xiàn)場原位校準(zhǔn)是指在不拆卸被校設(shè)備的前提下，對(duì)被校設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)工作。原位校準(zhǔn)的優(yōu)勢在于能夠最大程度上模擬設(shè)備在真實(shí)試驗(yàn)條件下的工作狀態(tài)，能夠更方便的對(duì)試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行準(zhǔn)確的校準(zhǔn)評(píng)估。中國飛行試驗(yàn)研究院的高穎等人［10-11］在分析某發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)上安裝的DSADSA3217型氣體壓力掃描閥結(jié)構(gòu)原理和技術(shù)要求的基礎(chǔ)上，結(jié)合計(jì)算與試驗(yàn)方法，選用具有適當(dāng)溫度補(bǔ)償?shù)臉?biāo)準(zhǔn)器并提出高度差修正方法，進(jìn)行了氣體壓力掃描閥現(xiàn)場原位校準(zhǔn)技術(shù)研究，形成一種無需對(duì)高度差引入的測量誤差進(jìn)行逐點(diǎn)通道修正的現(xiàn)場原位校準(zhǔn)方法。

目前，壓力掃描閥的現(xiàn)場原位校準(zhǔn)已經(jīng)取得了一定的研究成果，但是要完全實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場原位校準(zhǔn)，需要考慮大量的試驗(yàn)環(huán)境因素。風(fēng)洞試驗(yàn)中的環(huán)境溫度分布、濕度條件、測量高度差等均會(huì)對(duì)設(shè)備測量準(zhǔn)確度產(chǎn)生影響。因此需要研究風(fēng)洞試驗(yàn)中各種環(huán)境條件對(duì)測量設(shè)備的影響。為確定風(fēng)洞試驗(yàn)條件中壓力掃描閥測量準(zhǔn)確度的影響因素，需要在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行單一環(huán)境變量的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

雖然壓力掃描閥的實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)技術(shù)已經(jīng)比較完善，但缺少統(tǒng)一的行業(yè)校準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行試驗(yàn)指導(dǎo)。為進(jìn)一步提升校準(zhǔn)技術(shù)，未來壓力掃描閥的校準(zhǔn)工作應(yīng)向規(guī)范化和現(xiàn)場原位化方向發(fā)展，通過建立完善校準(zhǔn)體系并研制現(xiàn)場校準(zhǔn)裝置，全面推進(jìn)壓力掃描閥規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化校準(zhǔn)，同時(shí)應(yīng)建立風(fēng)洞測壓試驗(yàn)溯源鏈，并開展壓力測試系統(tǒng)原位校準(zhǔn)研究。能準(zhǔn)確得到測試系統(tǒng)實(shí)際工作中的測量準(zhǔn)確度對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理修正具有重要的意義。

2 先進(jìn)測壓技術(shù)與校準(zhǔn)現(xiàn)狀

隨著風(fēng)洞技術(shù)的發(fā)展，一些關(guān)于測試技術(shù)的先進(jìn)理念被不斷提出。先進(jìn)飛行器的設(shè)計(jì)要求風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)軌蚋釉敿?xì)的掌握各項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，從“全局”的角度充分理解模型及流場耦合狀態(tài)［12］。傳統(tǒng)上，絕大多數(shù)空氣動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)都是以離散點(diǎn)的形式進(jìn)行測量，很多時(shí)候需要研究人員通過外插擬合等手段對(duì)流場結(jié)構(gòu)和狀態(tài)進(jìn)行推斷研究。因此發(fā)展先進(jìn)的全局測量技術(shù)，掌握直觀的測量數(shù)據(jù)，對(duì)研究人員分析流場及模型狀態(tài)具有重要意義。近年來，光學(xué)壓敏漆技術(shù)作為一種有效的全局測壓技術(shù)越來越成熟，在風(fēng)洞測壓試驗(yàn)中的作用越來越明顯［13］。壓敏漆測壓技術(shù)是一種利用“氧猝滅”原理建立涂層所受壓力與反射光強(qiáng)之間關(guān)系從而進(jìn)行壓力測量的方法。由于其靈活性大、測量原理先進(jìn)、不受被測結(jié)構(gòu)制約等優(yōu)勢而被廣泛應(yīng)用于表面壓力測量試驗(yàn)中。相對(duì)于傳統(tǒng)測壓方法，光學(xué)壓敏漆技術(shù)可以測量連續(xù)的面，極大地提高了測量壓力數(shù)據(jù)的空間分辨力。壓敏漆對(duì)被測結(jié)構(gòu)要求較低，克服了難分布測壓點(diǎn)的問題［14］。

2.1 壓敏漆測量準(zhǔn)確度影響因素

壓敏漆（PSP）的測量準(zhǔn)確度問題一直是制約壓敏漆技術(shù)發(fā)展的主要因素。為提高PSP的測量準(zhǔn)確度，目前研究人員主要聚焦于涂料的溫度敏感性和測量靈敏度兩個(gè)方面。

溫度敏感性問題是PSP技術(shù)的固有缺點(diǎn)，迫使研究人員結(jié)合使用PSP和溫度敏感涂料（TSP）來校正模型表面的溫度變化。對(duì)于PSP的溫度效應(yīng)，H.Zare-Behtash等人［15］研究了曼徹斯特大學(xué)航空物理實(shí)驗(yàn)室（APL）內(nèi)部開發(fā)的兩種涂料，一種使用鹽酸作為溶劑（PSP-HCl），另一種則采用丙酮作為溶劑（PSP-Ace）。對(duì)比兩種PSP配方的特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)PSP-HCL型壓敏漆的測量準(zhǔn)確度對(duì)溫度依賴性較低。與PSP-Ace配方不同，PSP-HCl具有相對(duì)較低的溫度敏感性，結(jié)合原位校準(zhǔn)程序，能夠提供更精確的超音速流場系統(tǒng)表面壓力測量。

針對(duì)PSP測試靈敏度問題，Quinn M K等人［16］研究出兩種內(nèi)部壓敏涂料（PSP）配方，并在低速狀態(tài)下測試U形彎曲流場的流動(dòng)。研究結(jié)果表明采用三硫苯基高氯酸釕（Ru（II））和鉑-五氟苯基卟啉（PtTFPP）作為光活性分子，能夠使PSP涂料具有較好的壓力靈敏度。將這一型號(hào)壓敏漆應(yīng)用于低速不可壓流場中能夠很好地捕捉表面壓力特性。

盡管PSP技術(shù)目前還存在一定的技術(shù)問題（與傳統(tǒng)壓力傳感器相比，PSP的測量準(zhǔn)確度有待提升），但是研究人員不斷改進(jìn)涂料配方和光學(xué)測試系統(tǒng)，使PSP測試技術(shù)不斷得到優(yōu)化升級(jí)。通過不斷研究新技術(shù)，并建立全面的校準(zhǔn)系統(tǒng)，未來的PSP技術(shù)將更加完善并具有良好的應(yīng)用前景。

2.2 壓敏漆校準(zhǔn)技術(shù)

在壓敏涂料中，氧濃度和氧擴(kuò)散率是影響壓敏漆測量準(zhǔn)確度的重要因素，由于溫度會(huì)影響探針分子活性和氧擴(kuò)散率，利用Stern-Volmer原理，壓敏漆發(fā)光強(qiáng)度I與對(duì)應(yīng)的壓強(qiáng)p的關(guān)系可以表示為

其中，

式中：a為與壓敏漆材料溫度特性相關(guān)的系數(shù)，可以通過實(shí)驗(yàn)測得；Iref與pref分別為參考光強(qiáng)和參考?jí)簭?qiáng)，與壓敏漆材料相關(guān)，可由實(shí)驗(yàn)校準(zhǔn)得到。原則上，在實(shí)驗(yàn)室中利用壓力校準(zhǔn)腔進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可以得到PSP光強(qiáng)與壓強(qiáng)對(duì)應(yīng)關(guān)系的校準(zhǔn)曲線［17］。

相關(guān)報(bào)告表明，德荷風(fēng)洞采用校準(zhǔn)腔對(duì)PSP樣品進(jìn)行靜態(tài)校準(zhǔn)，給出PSP靈敏度與壓力和溫度之間的關(guān)系。在試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中，采集6組圖片：①無風(fēng)條件下壓力強(qiáng)度圖像；②無風(fēng)條件下光照強(qiáng)度圖像；③有風(fēng)條件下壓力強(qiáng)度圖像；④有風(fēng)條件下光照強(qiáng)度圖像；⑤黑暗條件下壓力強(qiáng)度信號(hào)圖像；⑥黑暗條件下光強(qiáng)圖像。

在風(fēng)洞運(yùn)行前和運(yùn)行后分別采集無風(fēng)條件下的圖像，用來校正由于涂層不均勻引起的測量誤差。黑暗條件下的圖像用于校正由于設(shè)備導(dǎo)致的光強(qiáng)噪聲。

目前國際上已經(jīng)開發(fā)了動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)方法來確定PSP的響應(yīng)時(shí)間［18］。最常見的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)裝置是激波管［19-22］，如圖2所示，通過隔膜破碎產(chǎn)生的激波，提供壓力的快速階躍變化。壓力階躍的大小與激波的速度有關(guān)，而激波速度取決于驅(qū)動(dòng)段和被動(dòng)段之間的壓差。在校準(zhǔn)過程中，PSP樣品與激波管壁齊平安裝，使激波不受PSP樣品干擾。參考?jí)毫鞲衅靼惭b在激波管的壁面中。用光電倍增管（PMT）采集PSP的發(fā)光信號(hào)，當(dāng)激波通過測量點(diǎn)時(shí)記錄PSP的響應(yīng)?；蛘?，利用高速攝像采集全場光強(qiáng)信號(hào)［23］。激波管的優(yōu)勢在于其產(chǎn)生的階躍壓力上升時(shí)間非常短，因此能夠較準(zhǔn)確地測量響應(yīng)時(shí)間。但是，激波管校準(zhǔn)PSP響應(yīng)時(shí)間時(shí)，不能同時(shí)獲得諸如相位延遲和振幅衰減等頻率響應(yīng)數(shù)據(jù)。

圖2 PSP激波管響應(yīng)時(shí)間校準(zhǔn)裝置

快開閥是另一個(gè)用于產(chǎn)生階躍壓力，以進(jìn)行PSP響應(yīng)時(shí)間校準(zhǔn)的裝置。在給定壓力下，將一個(gè)PSP樣品放入一個(gè)封閉的試驗(yàn)腔中，通過迅速打開電磁閥，產(chǎn)生壓力的階躍變化。通常電磁閥的開啟時(shí)間約為幾百微秒。電磁閥具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便的優(yōu)點(diǎn)，但其階躍壓力的上升時(shí)間比激波管長，因此校準(zhǔn)頻率范圍比較小。

Gregory等人［24］將射流振蕩器（Fluidic Oscillators）用于動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)。振蕩射流的頻率隨著供給壓力的增加而增加，工作范圍為1～10 kHz。Sakamura等人［25］在此基礎(chǔ)上開發(fā)了脈動(dòng)射流裝置（2002）用于動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)PSP。射流振蕩器的優(yōu)點(diǎn)是可以產(chǎn)生高頻動(dòng)態(tài)壓力。當(dāng)用于動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)時(shí)，可對(duì)PSP樣品進(jìn)行定位，振蕩射流作用于PSP表面，使PSP涂層能夠感應(yīng)壓力變化。脈動(dòng)射流裝置利用高速運(yùn)轉(zhuǎn)的切割輪盤作為高頻動(dòng)態(tài)壓力源，對(duì)射流進(jìn)行切割，測試PSP樣品的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。脈沖頻率受裝置尺寸、切割槽數(shù)量和輪盤轉(zhuǎn)速的限制，當(dāng)前校準(zhǔn)設(shè)備的脈沖頻率限制為1.5 kHz。不同于激波管，這種裝置可以在校準(zhǔn)頻率范圍內(nèi)提供相應(yīng)的相位和振幅數(shù)據(jù)。

因?yàn)檎穹p和相位延遲可以作為頻率的函數(shù)直接測量，聲學(xué)駐波管也被用于PSP的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)［26-27］。校準(zhǔn)時(shí)，PSP樣品涂于駐波管的端蓋，并由高強(qiáng)度激光激發(fā)，利用光電倍增管（PMT）采集涂料發(fā)光信號(hào)。由于沿諧振管長度方向的壓力場是一維的，因此端蓋上的壓力場可以看作是均勻的，并且隨時(shí)間變化。通過改變諧振管的長度和直徑，可以改變諧振管的諧振頻率和諧波，從而對(duì)PSP進(jìn)行動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)。

目前國內(nèi)的壓敏漆校準(zhǔn)技術(shù)基本與國外一致，通常采用靜態(tài)校準(zhǔn)腔的方法進(jìn)行試驗(yàn)室校準(zhǔn)以及in-situ原位校準(zhǔn)，校準(zhǔn)腔靜態(tài)校準(zhǔn)利用激勵(lì)光源、校準(zhǔn)腔與圖像采集及處理系統(tǒng)等得到壓敏漆樣品的校準(zhǔn)曲線。利用激波管測量PSP的響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)。

西北工業(yè)大學(xué)的劉波等人［28］以國產(chǎn)壓敏漆涂料為研究對(duì)象，利用負(fù)壓容器、直流真空泵、直流電源、壓力控制開關(guān)和高準(zhǔn)確度多功能壓力表和數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)構(gòu)建了國內(nèi)首個(gè)壓力敏感涂料測量系統(tǒng)，并對(duì)涂料進(jìn)行了校準(zhǔn)試驗(yàn)，相關(guān)校準(zhǔn)工作分為兩個(gè)階段，選取不同的試驗(yàn)校準(zhǔn)壓力點(diǎn)分別檢測了試驗(yàn)系統(tǒng)的工作性能和壓敏漆熒光強(qiáng)度與壓力對(duì)應(yīng)特性，發(fā)現(xiàn)涂料樣件在各測量點(diǎn)的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)處理與線性回歸后，與實(shí)際測量值相對(duì)誤差減小5%，而隨著涂料存放時(shí)間的延長，由于涂料中光敏分子功能退化，導(dǎo)致涂料光強(qiáng)與壓強(qiáng)特性呈現(xiàn)出非線性變化。2017年中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心的林敬周等人［29］對(duì)壓敏漆的特性進(jìn)行研究，提出了將壓敏漆測試技術(shù)應(yīng)用于高超聲速風(fēng)洞試驗(yàn)的關(guān)鍵技術(shù)及解決方法，通過選取耐溫載體基質(zhì)研制耐溫型壓敏漆，并利用靜態(tài)校準(zhǔn)及原位In-situ等校準(zhǔn)手段得到相應(yīng)的校準(zhǔn)曲線和該型號(hào)壓敏漆的溫度特性，初步建立了適用于高超聲速風(fēng)洞的PSP試驗(yàn)技術(shù)軟硬件平臺(tái)。

國內(nèi)外研究表明，原位校準(zhǔn)不確定度主要受PSP的溫度效應(yīng)和模型變形導(dǎo)致的表面光照變化影響。因此，針對(duì)壓敏漆技術(shù)的校準(zhǔn)工作要集中在壓敏漆溫度效應(yīng)的研究以及修正模型形變帶來的圖像匹配誤差。

目前，壓敏漆的校準(zhǔn)技術(shù)還處于不斷發(fā)展中，現(xiàn)有的激波管校準(zhǔn)技術(shù)雖然能夠較直觀地得到動(dòng)態(tài)壓敏漆的上升時(shí)間，但是其動(dòng)態(tài)幅頻特性以及動(dòng)態(tài)靈敏度的校準(zhǔn)還尚不成熟。而且，目前國際上還沒有建立統(tǒng)一的PSP校準(zhǔn)系統(tǒng)。為了更快更好地推廣壓敏漆技術(shù)的應(yīng)用，應(yīng)深入研究壓敏漆的校準(zhǔn)技術(shù)，使其更加成熟，試驗(yàn)數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確可靠。

2.3 壓敏漆校準(zhǔn)技術(shù)的發(fā)展趨勢

通過提高PSP測量準(zhǔn)確度，克服靈敏度、溫度依賴性等缺點(diǎn)，未來PSP技術(shù)在流場表面壓力測試中起到的作用會(huì)越來越大。根據(jù)PSP現(xiàn)有的技術(shù)水平以及發(fā)展趨勢來看，PSP技術(shù)將成為未來穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)流場試驗(yàn)中的主要壓力測試手段。因此，系統(tǒng)研究壓敏漆測試準(zhǔn)確度影響因素，研究壓敏漆校準(zhǔn)方法，建立統(tǒng)一的校準(zhǔn)指導(dǎo)規(guī)范是未來壓敏漆校準(zhǔn)技術(shù)發(fā)展的重要一步。同時(shí)，為了滿足壓敏漆技術(shù)高準(zhǔn)確度和高效率的測量需求［30］，未來將建立完善的溯源鏈，優(yōu)化校準(zhǔn)方法，推進(jìn)壓敏漆校準(zhǔn)技術(shù)向準(zhǔn)確化和高效化發(fā)展。

3 結(jié)語

近年來，我國風(fēng)洞試驗(yàn)中壓力測試技術(shù)不斷進(jìn)步，相應(yīng)的校準(zhǔn)技術(shù)也需要改進(jìn)。為提升我國風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，未來對(duì)風(fēng)洞測壓試驗(yàn)的校準(zhǔn)要向“準(zhǔn)確化、專業(yè)化、高效化”方向發(fā)展。準(zhǔn)確化是指通過研究科學(xué)合理的校準(zhǔn)方法、數(shù)據(jù)處理算法及不確定度計(jì)算手段，建立完整溯源體系；專業(yè)化是指建立風(fēng)洞測壓試驗(yàn)校準(zhǔn)指南，有針對(duì)性地解決風(fēng)洞試驗(yàn)壓力測試校準(zhǔn)問題；高效化就是要綜合現(xiàn)有技術(shù)，提出更多的原位校準(zhǔn)方法，在風(fēng)洞試驗(yàn)中加入可計(jì)量性設(shè)計(jì)概念，節(jié)約校準(zhǔn)時(shí)間。為實(shí)現(xiàn)“準(zhǔn)確化、專業(yè)化、高效化”的目標(biāo)，未來風(fēng)洞測壓試驗(yàn)校準(zhǔn)技術(shù)要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)提升：①建立完善的測壓系統(tǒng)溯源體系，從壓力傳感器到信號(hào)放大器以及信號(hào)采集設(shè)備的校準(zhǔn)工作均需溯源至國家最高標(biāo)準(zhǔn)；②為提高校準(zhǔn)能力，節(jié)約風(fēng)洞試驗(yàn)成本，需進(jìn)一步開展壓力掃描閥原位校準(zhǔn)技術(shù)研究，建立面向壓力掃描閥的檢定規(guī)程；③完善壓敏漆校準(zhǔn)技術(shù)，建立壓敏漆校準(zhǔn)方法和溫度效應(yīng)校準(zhǔn)技術(shù)指南；④研究壓敏漆動(dòng)態(tài)特性校準(zhǔn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓敏漆幅頻特性和相頻特性的校準(zhǔn)，并建立相關(guān)檢定規(guī)程。以上改進(jìn)均能提升測壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，對(duì)風(fēng)洞試驗(yàn)具有重要意義。