風洞測試儀器

風洞測試儀器是用以測量風洞氣流特性和氣流作用於模型上的各種氣動參量的裝置。早期的風洞僅作靜態實驗，被測參量項目少，量值小，量程也窄，多採用錶盤式儀表或光學定性分析儀器。從20世紀60年代起，原有的風洞被用來作動態實驗，新型風洞又不斷投入使用，被測參量項目急劇增加，風洞實驗技術和測試儀器也隨之發生重大變化：從單項測量到綜合性測量，從靜態到動態，從巨觀到微觀，從定性分析過渡到定量測量，等等。

基本介紹

• 中文名：風洞測試儀器

概述

從20世紀60年代起，原有的風洞被用來作動態實驗，新型風洞又不斷投入使用，被測參量項目急劇增加，風洞實驗技術和測試儀器也隨之發生重大變化：從單項測量到綜合性測量，從靜態到動態，從巨觀到微觀，從定性分析過渡到定量測量，等等。因此，要求風洞測試儀器具有靈敏度高、解析度高、回響時間快、可靠性好、抗過載能力以及抗衝擊和電磁場干擾能力強、防震性能好、測量範圍寬和精度高等特點。此外，儀器還應儘可能滿足以計算機為中心的自動採集、檢測、控制和處理系統的要求。風洞測試儀器按是否與被測對象接觸，可分為接觸式和非接觸式兩類，按照測試內容可以分為氣動力和力矩測量儀器,壓力測量儀器,溫度、熱流和總焓（見焓）測量儀器，流場密度與密度變化測量和顯示儀器，氣流速度測量儀器和巡迴檢測裝置。

氣動力測量

直接測量風洞中作用於模型上的氣動力和力矩（見空氣動力）的裝置主要是風洞天平。通常天平設計成測量直角坐標系中沿三個軸的力和繞三個軸的力矩（或只測其中一個或兩個力和力矩）。風洞天平是由一般分析天平演變而來的，早期的掛線式天平（圖1）就與分析天平相似。它用金屬線將模型懸掛起來，模型所受載荷通過金屬線送到天平槓桿元件上，加減砝碼使其平衡。但分析天平一次只能測一個力，且要求力的方向和作用點是已知的。風洞天平則可同時測氣動力的幾個分量，氣動力合力的作用點和方向一般是待測的。因此，風洞天平的構造也不同於一般分析天平。 　風洞天平的分類方法很多，按測量原理可分為機械式天平、應變式天平、壓電晶體天平、電磁懸掛天平等。

圖1 掛線式三分力天平示意圖

機械式天平

一種通過機械結構系統（包括各種傳力桿系、鉸鏈、力平台、力矩平台等）傳遞和分解模型上的氣動力，並由感受位移的測量元件進行測量的風洞天平。掛線式平天就是一種機械式天平。掛線式天平由於干擾阻力大，金屬線易斷，後來很少使用並被支桿式機械天平所取代。用支桿式天平時,模型由支桿支撐,支桿可以改變模型攻角和測滑角（飛行器速度矢量與飛行器對稱平面間的夾角）。模型所受氣動力由支桿下傳到連桿系統，使之分解成各個分量，再通過測量元件記錄下來。根據連桿系統裝配形式不同，支桿式機械天平可分為塔式天平、台式天平和軛式天平。雖然這類機械式天平的測量精度頗高，但由於難以進行快速測量，所以在高速風洞中一般使用應變式天平。

應變式天平

一種通過貼在彈性元件上的應變片，在氣動力作用下，因變形而產生的輸出信號變化來測量力和力矩的儀器。一般在彈性元件的拉伸和壓縮表面上，分別並排安放兩塊應變片。然後將這四塊應變片接入電橋，加上電壓即可進行測量。應變式天平按元件布置形式分為浮框式和複合式兩種。浮框式天平是將模型固定在套筒上,可拆卸的各測量元件和支桿安裝在套筒內,各分量都是通過兩個並聯(平行)的測力元件來測量。複合式天平的各個測力元件由串聯- 並聯混合結構組成。應變天平的應變片大多數都用電阻絲片。它是用很細的導線或很薄的金屬箔製成的。有時也用半導體材料。

用半導體應變片裝成的天平,滯後小，靈敏度高,頻響高，疲勞壽命長。可在熱衝風洞和炮風洞等工作時間較長的高超聲速風洞中使用。有時也在常規高超聲速風洞中使用，這是為了增加天平剛度，提高天平承受啟動載荷的能力。

壓電晶體天平

工作原理是：利用壓電物質的壓電效應，將氣動力轉換成電信號，輸出的信號可直接用電荷放大器測量，也可用高輸入阻抗的靜電放大器或跟隨器測量。這類天平多用於工作時間較短的激波風洞。

電磁懸掛天平

工作原理是：用電磁力把由軟鐵製成的模型懸掛在風洞中，模型的任何位移都會引起光電管光通量變化，再由伺服反饋控制系統在模型上產生一個反抗擾動力的磁力，使模型回到正確位置。由各磁力線圈的電流量，或磁場的磁通量，換算出氣動力。這類天平最大的優點是不受模型支架的干擾影響。

上述各天平都有一個校準問題。天平校準分為靜校和動校兩種。利用校正裝置對天平進行靜態標定稱為天平靜校。天平靜校的目的是：證明天平能夠受多大載荷；測定每個分量的校準係數、靈敏度；測定天平的干擾和變形；校驗載荷數據的重複性，從而確定天平使用公式和天平的精度、剛度和強度。在風洞內把標準模型裝在經過靜校的天平上進行吹風實驗稱為天平動校，其目的是檢驗天平的性能，確定天平的精度。

壓力測量儀器

風洞早期是用液體壓力計（如 U型管壓力計）測壓的，測量多點壓力則用多管壓力計。度盤式壓力表主要用於監視風洞迴路的壓力。這些壓力計由於須用眼看、手記或照相，而且回響時間又長等，已逐漸為風洞壓力感測器所取代。風洞壓力感測器可將壓力轉換成電流或電壓信號，用於測量各種風洞的靜態壓力和動態壓力。

壓力感測器種類很多，按工作原理可以分為如下六種形式：

①電阻壓力感測器：它依據電阻隨壓力而改變的原理來測量壓力；

②應變壓力感測器：通過彈性元件將壓力轉變成應變，粘在彈性元件上的應變片再將應變轉變成電信號；

③晶體壓力感測器：它利用晶體在特定軸向受力時產生電荷的效應來測量壓力；

④電容壓力感測器:它通過電容器的一個極板感受壓力,並將其變化轉變為電容量的變化;

⑤電磁壓力感測器:它將壓力的變化轉變為磁阻或電感量的變化來測量壓力，可分為磁阻式和電感式兩種；

⑥諧振式壓力感測器：它將壓力的變化轉變為彈性元件自振頻率的變化來測量壓力。

關於上述各種形式的壓力感測器的詳細原理和結構見壓力感測器。

60年代中期開始採用壓力掃描閥和小型壓力感測器組成測壓裝置。掃描閥的轉子在轉動過程中，依次將各測壓點與感測器接通,使一個感測器能測量多點壓力,從而使感測器的數量大為減少，為提高實驗精度創造了條件。70年代中期，為了滿足大型風洞測壓點數增多和提高測壓速度，又採用了由小型壓力感測器、模擬信號多路開關和氣路切換開關等組成的電子採樣壓力組件。

總焓測量儀器

在氣流溫度測量中，對於總溫低於2000開的氣流廣泛採用以溫差電偶為感溫元件的總溫探針。它所測出的氣流溫度是總溫（即在探針表面氣流速度滯止為零時的溫度）。探針測出的總溫通常低於氣流實際總溫，這主要是由溫差電偶結點向支座的導熱和向外的熱輻射引起的。暫沖式風洞也有用薄膜電阻溫度計測量溫度的，薄膜電阻溫度計（簡稱薄膜計）是根據金屬薄膜的電阻隨溫度變化的物理性能來測量物面瞬時溫度變化或熱流密度的感測器。金屬薄膜的溫升ΔT同它的相對電阻增量成正比，而同電阻溫度係數α成反比,利用物面瞬時溫升和熱流密度之間的函式關係，可以測定物體的定常或非定常熱流密度。薄膜計是由沉積在絕緣襯底(通常是玻璃)表面的鉑薄膜（厚度為亞微米量級）和銀引線組成，因而又名鉑膜電阻溫度計。薄膜計的優點是靈敏度高、回響快和尺寸小。對於2000～3000開的氣流溫度常採用的測量方法是依據輻射測溫原理的發射吸收法;對於4000～10000開的氣流溫度常採用電漿診斷中常用的光譜法。利用氣體及其中所包含的雜質分子光譜或原子光譜的強度與溫度相關這一特性，採用適當波段範圍的攝譜儀或分光光度計，測出譜線的絕對強度或某兩根譜線的強度比，從而推算溫度。稀薄氣體風洞的氣流總溫約為1000～3000開，但由於氣流密度很低，要採用電子束測溫法。表面溫度在幾百開以下，常用熱敏電阻和感溫塗料測量。表面溫度低於1200開可用紅外測溫儀和紅外熱象儀測量。對於1200～4000開的模型表面溫度，通常採用輻射高溫計、光電高溫計和比色高溫計等輻射學測溫儀器。對於發射率難以事先測定的燒蝕材料模型，可利用快速掃描紅外分光光度計測出其光譜能量分布，然後計算發射率和真實溫度，也可與一組不同溫度的黑體能量分布曲線作比較，得出最大亮度溫度。此最大亮度溫度即可作為比較精確的測量值。

總焓探針是量熱式測量氣流局部總焓的設備，可以用來測量總焓。早期的探針是水冷的，出現於60年代初。隨後，研製出瞬態焓探針。70年代發展出高壓型和高壓稀釋型焓探針。

總焓探針工作時，由取樣管吸取被測氣流並予以冷卻，測量探針內熱交換介質的吸熱率、被吸氣樣流量及其在離開熱交換器時的溫度和壓力，然後按能量守恆關係算出氣樣總焓。水冷探針用高壓水作熱交換介質，本體採用雙層水套結構。利用取樣和不取樣時冷卻水吸熱率之差來消除環境加熱影響。它的回響時間較長,約幾秒到十幾秒。可在高達15000開的氣流中工作,具有較高的測量精度。瞬態焓探針的換熱器是一根細長薄壁鉑（或鎳）管。用它的電阻變化率計算吸熱率。它的回響時間為毫秒量級，可進行瞬態總焓測量。

高壓稀釋型焓探針利用一股冷氣在入口處與氣樣混合,改善取樣管入口段嚴重受熱狀態,從而可大幅度提高測焓範圍。這種探針有稀釋劑供給和流量測量裝置，結構較複雜。

流場密度測量

風洞中常用光學儀器來顯示和測量流場，常用的是陰影儀、紋影儀和馬赫-曾德爾干涉儀（簡稱M-Z干涉儀）。

陰影儀

運用陰影法原理觀測透明介質不均勻度變化率的一種光學儀器。在風洞或彈道靶中，常用來觀測模型和氣體相對運動時流場密度梯度變化的位置和形態。如圖2所示,準直鏡L將點光源S的發散光變成平行光射出,經實驗段D，到達屏Q上。若D內流場密度梯度為零或密度梯度均勻,則平行光不偏折或以同一方向偏折（dεy相同），屏Q上照度均勻；若D內流場各處氣體密度變化不均勻,則通過流場各處的光線偏折也各有差異,有些光線會聚,有些光線發散，屏上便會出現明暗不同的陰影圖像，反映出流場氣流密度梯度的變化。屏上照度同流場中垂直入射光方向上密度的二階導數與至屏距離乘積的積分值成正比。如果光線在流場擾動範圍內的偏離量可忽略不計，則上述關係能作定量分析用；而一般只能作定性分析用。用陰影法原理製成的陰影儀有平行光柱式和發散光錐式兩類。點光源常採用電火花或雷射脈衝光源,屏Q區放置感光膠片進行記錄或採用光學系統成象。陰影法設備簡單，圖像直觀，可獲得模型相對空氣高速運動時周圍激波和尾流中旋渦的清晰圖像；還可觀測到邊界層過渡區位置和湍流區的流動情況。

圖2 陰影法原理圖和實驗照片

紋影儀

通過觀測不均勻透明介質內部折射率變化，並把它轉換成記錄平面上照度變化，從而確定透明介質內部密度梯度的一種光學儀器。在風洞實驗中，紋影儀用來顯示繞經模型周圍流場的密度變化，觀測激波、膨脹波、邊界層、尾流的區域和位置。紋影儀一詞源於德語Schliere，意指透明物質內由於成分不純而出現溝紋。1859年J.-B.-L.傅科提出用刀口作光闌，檢驗光學零件的質量。1886年A.J.I.特普勒首次用光學系統觀察紋影，研究火花、爆炸等流動現象。紋影法有時也稱特普勒法。如圖3所示，光源S（通常為狹縫），成象於刀口平面K，實驗段物體經反射鏡M2和照相物鏡L成象於屏Q上。當實驗段介質均勻時,刀口平面上形成單一的光源象，屏上照度均勻。當實驗段局部區域介質密度不均勻時,通過該區域的光線產生偏折,偏折角與折射率梯度成正比。刀口平面上形成一個偏離的光源象，屏上相對應區域的照度發生變化。照度的變化與介質中垂直於刀口方向上折射率變化的一階導數沿光路的積分值成正比。根據氣體介質折射率與密度的關係可獲得介質的密度梯度。風洞實驗中，紋影儀一般用作定性流場顯示。紋影光闌採用彩帶、光柵、偏光稜鏡等可獲得彩色干涉紋影圖，可提高靈敏度並適用於定量研究。紋影儀和高速攝影、顯微技術相結合可拍攝高速和顯微紋影照片。雷射光源用於紋影儀，不僅能縮短曝光時間，獲得高速瞬變的紋影圖，而且可組成全息照相系統，將實驗的時間、空間“凍結”下來，經過再現，作三維空間的定量研究。

圖3 紋影儀光路原理圖

M－Z干涉儀

利用光的相干原理確定透明介質中折射率值的一種光學儀器。 風洞實驗中可用它來測量流場局部密度變化。E.馬赫於1878年套用雅滿雙鏡雙束干涉儀研究氣體動力學現象。 曾德爾於1891年和 L.馬赫於1892年各自製成一種四鏡雙束干涉儀，這就是風洞中常用的M-Z干涉儀。如圖4所示，單色點光源1發出的光線經準直後，被分光鏡3分為參考光束(經3、4、7)和實驗光束（經3、5、7）。 實驗光束通過密度與外界不同的實驗段6時，速度發生變化,產生相位移。當它在空間同參考光束相遇時便產生干涉。實驗段密度均勻時，形成直的干涉條紋；密度不均勻時，條紋彎曲。條紋的相對位移量與折射率的變化成正比。根據干涉條紋的形狀和條紋間距, 可精確地求得實驗段相應點的折射率,並由此計算密度分布。在等熵流動情況下，只要測得氣流在滯止狀態時的參數，就可得到流場的壓力和速度分布。在電漿的情況下，可定量測得電子密度值及其變化。M-Z干涉儀要求高質量的光學元件和精密的調整機構,技術難度大。1967年以來利用雷射作光源, 使M-Z干涉儀在風洞中的套用獲得了新的生命力。

圖4 M－Z干涉儀

氣流速度測量

主要有皮托-靜壓管、熱線風速儀和雷射都卜勒測速儀。

皮托-靜壓管

測量氣流速度最常用的儀器,是由皮托管演變而來的。皮托管是一根圓柱形管子，一端開口，另一端連在壓力計上，用以測量氣流總壓。這種管子是H.皮托在1872年用來測量河流的水深和流速關係的。皮托-靜壓管除了象皮托管一樣，可以感受氣流總壓外,還可同時測量氣流靜壓。圖5是低亞聲速時使用的一根典型的皮托- 靜壓管結構示意圖。它有內管和外管。內管測量總壓。靜壓孔開在外管上同頭部有一定距離處。根據伯努利方程（見伯努利定理）由總壓孔和靜壓孔測得的壓差經過換算即可得到流速。它可用於從1～2米/秒到臨界速度以下範圍內的速度測量。這種管子的前端多為半球形，總壓孔在軸線上，它對管子形狀不敏感。靜壓孔則受端頭和後面的支桿影響很大。由於兩者的影響相反，只要精心設計就可以減小這種影響。為減少氣流方向偏斜的影響，有時可沿圓周方向開多個靜壓孔。為了避免設計和加工引起的誤差，在使用前要進行校正。

圖5 皮托－靜壓管示意圖

熱線風速儀

依據非電量電測法的原理測量氣流速度、溫度和密度的儀器，已有70多年的使用歷史。它的感測器（俗稱探頭）是一條長度遠大於直徑的細金屬絲，簡稱熱絲,或是一片厚度非常薄的金屬膜,簡稱熱膜。測量時，將此熱絲或熱膜置於待測氣流中，同時又連線於電橋的一臂，用電流加熱，使熱絲或熱膜本身溫度高於待測氣流介質的溫度。氣流狀態變化，引起熱絲或熱膜與氣流介質之間的熱傳遞發生變化，從而使熱絲或熱膜兩端的電壓發生變化，由此可測得氣流的速度、溫度或密度的平均值和瞬時值。熱線風速儀的電路有兩種類型：一是維持熱線溫度不變的恆溫式；一是維持熱線電流不變的恆流式。熱線兩端的電壓變化一般經放大、補償後才進行測量。從前測得的電信號都是用電模擬法來處理。近年來，熱線或熱膜測得的電信號輸入到電子計算機處理，使測量精度更高，因而套用範圍更廣。熱絲直徑僅有1～5微米;長度僅0.5～1毫米。熱膜厚度僅為5～10納米。熱絲材料為鉑或鎢，或含銠的鉑銠合金絲，或包銀的渥拉斯頓絲。熱膜材料多是鉑或鎳，有時還在上面噴鍍一層2～5微米的石英，以便用於導電液體中的測量。

雷射都卜勒測速計

利用光的都卜勒頻移效應，用雷射作光源，測量氣體、液體、固體速度的一種裝置。1842年奧地利物理學家C.都卜勒發現了聲波的都卜勒效應。1905年A.愛因斯坦在狹義相對論中指出，都卜勒效應也能在光波中發生。光照射到運動的粒子上發生散射時，散射光的頻率相對入射光的頻率發生變化。頻率的偏移量與運動粒子的速度成正比。當流場中散射粒子的直徑與入射光的波長為同一量級，且散射粒子的重量與周圍流場粒子重量相近時，散射粒子的運動速度基本上代表流場的局部流速。美國Y.耶和H.卡明斯於1964年第一次報導利用雷射都卜勒頻移效應進行流體速度測量。

雷射都卜勒測速計包括光學系統和信號處理系統。光學系統將雷射束照射到跟隨流體運動的粒子上，並使被測點（體積）的散射光會聚進入光電接收器。按接受散射光的方式光學系統可分為前向散射型、後向散射型和混合散射型。按光學結構可分為參考光型、雙散射型、條紋型和偏振光型。圖6為前向雙散射型原理圖。 光電接收器（光電倍增管、矽光二極體等）接收隨時間變化的兩束散射光波，經混頻後輸出信號的頻率是兩部分光波的頻率差，與流速成正比。採用信號處理系統把反映流速的真正信息從各種噪聲中檢測出來,並轉換成模擬量或數字量,作進一步處理或顯示。常用的信號處理器有頻率分析儀、頻率跟蹤器、計數式處理器等。從原理上講，雷射都卜勒測速計是直接測量速度的唯一手段。在風洞實驗中可用它測量局部速度、平均速度、湍流強度、速度脈動等，適用於研究激波和邊界層的分離干擾區、旋翼速度場、有引射的邊界層以及高溫流等。測速儀器或裝置的測速範圍從0.05厘米/秒到2000米/秒。測量高速時受光電器件頻率回響範圍的限制。實驗中，有時需要用專門的粒子播發裝置把不同大小的粒子摻入氣流中。由於散射粒子慣性等的影響，粒子運動速度滯後於流體，因而測速精度較低，湍流度高時精度更低。

圖6 雷射都卜勒測速計(前向雙散射型)原理圖

巡迴檢測裝置

按一定次序或隨機採集多個電壓或電流信號（稱為模擬量），並把這些模擬量轉化為二進制或十進制數字量的裝置（簡稱檢測裝置）。

巡迴檢測裝置的輸入模擬量由受感轉換器件（如感測器、測力天平等）通過傳輸線送入，它的輸出數字量送入計算機處理或其他記錄設備（如印表機、穿孔機、磁帶等）記錄。它在風洞測試系統中的位置見圖7。巡迴檢測裝置一般由採樣器、數據放大器、模數轉換器、濾波器、顯示器、接口和控制器等部件組成（圖8）。採樣器是一個通過程式控制的電子或機械開關，能以周期性的時間間隔或任意時間間隔採集某一連續變數值。採樣器由採樣開關、通道計數器、通道解碼器、循環次數計數器、時鐘等部件組成。採樣器的工作速度，從每秒幾十次到每秒幾萬次。數據放大器是放大輸入信號的部件,一般能把幾毫伏信號放大成幾伏,然後送入模數轉換器，還能抑制干擾信號並從中拾取有用信號。模數轉換器 (A/D)可將被測電壓模擬量（連續）轉換為數字量（離散）。它的種類很多，最常用的一種叫反饋比較型模數轉換器，由比較器、模數轉換器（有解碼開關、電阻網路、數碼暫存器）、節拍產生器、轉換控制器、基準電壓源、脈衝源等組成。 　濾波器的作用是濾去信號源中無用信號。由電阻電容或電感電容組成的濾波器稱無源濾波器；由電阻電容和放大器組成的濾波器稱有源濾波器；由計算機進行處理而消除干擾信號的稱數字濾波器。顯示器是顯示測量參數的部件，由選點顯示開關、二進制變成十進制的運算器、解碼器和數碼管組成。接口是兩個不同設備互聯時的交接部分。檢測裝置中所有部件間的信息傳遞和相互協調都由控制器完成。

圖7 巡迴檢測裝置在風洞測試系統中的位置

圖8 巡迴檢測裝置方框圖

參考書目

艾倫·波普等著，彭錫銘等譯：《低速風洞試驗》，國防工業出版社，北京，1977。(A．Pope and J．J．Harper，Low SpeedWind Tunnel Testinq，John Wiley&Sons，New York，1966)

A．博普等著，鄧振瀛等譯：《高速風洞試驗》，科學出版社，北京，1980。(A．Pope and K．L．Goin，High Speed Wind TunnelTesfting，Juhn Wiley&Sons，New York，1965．)

R．J．Emrich， ed.，Methods of Experimental Physics，FluidD ynamics，Vol．18，Academic Press，New York，1981．