應用于等離子減阻的光纖光柵測力天平實驗研究

李國文, 王建明, 楊 波

(1. 沈陽航空航天大學 航空航天工程學部, 遼寧 沈陽 110136；2. 大連海事大學, 遼寧 大連 116026)

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應用于等離子減阻的光纖光柵測力天平實驗研究

李國文1, 王建明1, 楊 波2

(1. 沈陽航空航天大學 航空航天工程學部, 遼寧 沈陽 110136；2. 大連海事大學, 遼寧 大連 116026)

針對等離子減阻研究中使用高壓放電的強電場對普通應變天平信號產生干擾的問題,利用目前光纖光柵可以在強電場環境中穩定工作特點,設計并制作了一臺以光纖光柵作為應變計的天平。經校準以及溫度修正天平的精度可以滿足使用要求。進行了飛機標模對比驗證實驗,實驗數據比較吻合。在等離子減阻研究測力實驗中與常規測壓方法得到的數據進行了對比,結果表明該技術可以應用于天平,進行航空航天測力方面的實驗研究。

測力天平; 風洞測力; 光纖光柵; 等離子體

國內外有關資料表明,21世紀最具有發展潛力的航空技術之一為主動控制技術。目前對于流動控制有多種方法,如在航空葉片的吸力面前緣采用溝槽、吸氣以及聲激勵措施,達到減阻增升的目的。但這些流動控制措施結構復雜,甚至有的嚴重破壞了機翼結構強度。隨著等離子體技術的出現,可以在飛行器表面覆蓋等離子體,通過激勵電壓、頻率、相位以及電極分布的控制,可以有效地控制等離子體內的電子密度以及等離子體的運動方向和流向，從而影響邊界層里中性粒子的速度和附著能力,使飛行器機體表面流場發生改變,改善飛行器機翼后緣和表面的流動狀態,實現飛行器的減阻,提高飛行器的氣動性能。

實驗測量方法一般包括表面壓力測量、定性的流動顯示觀察分析、天平測力等。然而在高電壓電場下,普通航空應變天平輸出的微弱信號已經被等離子電場湮沒,信號嚴重失真?？紤]到光纖光柵技術的發展,以及光纖光柵傳感器不受電場的影響[1-3],本文采用光纖光柵代替普通的應變片作為天平的敏感元件。據國內外資料表明,受等離子電場影響,等離子減阻研究領域使用天平直接進行測力實驗還存在著諸多問題。一般采用表面測壓法以及計算機模擬計算等。因此光纖光柵天平的研制解決了此類實驗的瓶頸,拓寬了等離子減阻研究的方法和手段,在航空航天其他研究領域也有應用價值。

1 光纖光柵傳感技術原理

光纖光柵傳感器技術是20世紀70年代隨著光纖技術和光纖通信技術的發展而迅速發展起來的傳感器技術,它代表了新一代傳感器技術的發展趨勢,具有“傳”“感”合一的特點[3]。它是利用光纖對某些特定物理量敏感的特性,將外界物理量轉換成可以直接測量的光信號的技術。光纖光柵是在光纖纖芯內介質折射率呈周期性變化的一種無源器件,只對特定波長的光具有反射作用,其他光無損耗地透過。

光纖布拉格(Bragg)光柵(FBG)是最普遍的一種光柵,是一段折射率呈周期性變化的光纖,其折射率調制深度和光柵周期一般都是常數。FBG光纖光柵結構及反射、透射光譜見圖1。根據耦合模理論,FBG的光柵方程為

(1)

式中,λB為FBG的反射波中心波長(Bragg波長)，neff為光纖光柵的有效折射率，Λ為光纖柵距。

應力、溫度等任何擾動都可能引起neff和Λ的變化,從而使光柵的中心反射波長發生漂移。當FBG發生微小應變時,Bragg波長會發生漂移。

圖1 光纖光柵結構及反射、透光譜

光纖光柵的溫度靈敏度系數約為10 pm/℃,目前品傲光電科技的光纖光柵傳感網絡分析儀的測量分辨

率為1 pm,絕對精度為±3 pm。因此,未經過封裝的光纖光柵直接用于溫度測量時其溫度分辨率為0.1 ℃左右，應變靈敏度系數約為1.2×10-9m/e(e為單位應變),經過封裝的光纖光柵直接用于應變測量時其應變分辨率為0.83 me左右(即可以探測8.3×10-7的應變變化)[3],因此對于天平測力分辨率和精度可以滿足。

2 天平設計

常規天平的敏感元件使用應變片,但在本課題中產生等離子體需要高壓電離正負極間的氣流,普通的敏感元件會在高壓放電的電場中受到嚴重的干擾,無法得到正確的應變信號。從課題研究出發,測量模型的氣動力需要抗干擾強的敏感元件代替常規應變片,因此采用光纖光柵作為天平變形的感受元件,設計了一臺光纖光柵天平,主要針對等離子減阻應用方面的研究[4-5]。天平結構[6-7]見圖2。

圖2 天平結構

3 光纖光柵的粘貼及天平校準

3.1 光纖光柵的粘貼

光纖光柵傳感器的粘貼和普通應變片的粘貼大不相同。從圖1可以知道光纖光柵傳感器有內外雙層結構，內層為石英玻璃纖維,在長度為6～10 mm纖維上利用光衍射的方法刻上數以萬計的條紋,用以作為敏感元件；外層為保護膠制層(包層)。粘貼時先輕微地去掉光柵兩側的保護膠層,使用特殊的固定膠,把其兩端粘貼到彈性體上,經烘干處理后方可使用。為滿足測量要求,在天平彈性體元件外側共安裝了12只光纖光柵應變計,在忽略彈性變形的軸根部粘貼溫度補償光纖,共計13根光柵,具體布置如圖3所示。

圖3 光纖光柵應變計粘貼位置

3.2 光纖光柵天平的校準

在完成設計、加工、光柵粘貼和測量線路的連接等工作后,光纖光柵天平必須進行校準。光纖光柵天平校準是模擬天平的實際工作狀態(包括受載情況和工作環境)對光纖光柵天平進行標定。由于光纖對溫度具有敏感的特性,為此首先對光纖光柵天平進行溫度特性效應實驗。利用可調溫度的恒溫箱進行,以便進行溫度修正。溫度修正光纖對0號柵,由于天平使用環境是在室溫條件下,因此溫度t修正范圍為15～25 ℃。由圖4可以計算出1 ℃對應中心波長λ變化大約為9.82 pm,符合理論計算要求。天平的靜校采用多元校,利用最小二乘法求取天平公式系數,在考慮溫度修正的情況下得到天平校準系數。天平的校準準度見表1，表中Y為升力，Z為側力，Mx為滾轉力矩、My為偏航力矩、Mz為俯仰力矩。

圖4 光柵溫度效應曲線

項目YMzMxZMy絕對誤差δ0.3370N0.0157N·m0.0093N·m0.1315N0.0199N·m相對誤差σ/%0.210.230.200.230.27極限誤差3σ/%0.630.700.590.650.79

4 標準模型實驗

實驗采用DBM-4041標準模型,為全鋼制模型,模型比例1∶3。該模型是國際、國內通用的低速風洞標準模型,具有氣動力在較大雷諾數范圍內變化不敏感的優良特性,而且有國內外多個風洞的實驗數據可作比較參考。主要參數見表2。

表2 標準模型參數

實驗采用沈陽航空航天大學的DFD低速閉口回流風洞,風洞主要性能參數見表3(表中Cp為壓力系數)。

實驗得到的應變天平和光纖光柵天平的數據對比見圖5和圖6(圖中α為攻角、CL為升力系數、CD為阻力系數)。由圖6可以看出，2種天平的精度相近,只是測量阻力時光纖光柵天平與應變天平測量有一定的誤差,但其測量的實驗數據還是可以值得信賴[8-9]。

表3 風洞參數

圖5 CL-α關系曲線

圖6 CD-α關系曲線

5 翼型等離子減阻實驗

圖7為等離子體激勵器布局。實驗在大連海事大學環境工程研究所低速回流式風洞中進行,實驗段尺寸為0.2 m×0.2 m×0.6 m,風速范圍為5～105 m/s,流場品質良好。實驗測量翼型為NACA0015翼型,光解調器為武漢光科生產的型號為BGD-16M光纖光柵解調器,用于光纖光柵波長信號解調與數據讀取。波長范圍為1 285～1 325 nm,分辨率為1 pm。用戶軟件采用VB程序編寫。

圖7 等離子體激勵器布局

經實驗發現，輸出電壓峰峰值Vp-p=12 kV、頻率f=10 kHz時,控制效果較為理想,故以下實驗均采用此電壓和頻率。

圖8和圖9表明:在有無等離子時,光纖光柵天平測量的氣動力穩定,不受其高電場的干擾，并且加載等離子體有效地改變了翼型的氣動性能,光纖光柵天平可以測量出其中的變化,光纖光柵天平精度滿足測量的要求。圖10為光纖光柵天平測力與同期測壓實驗數據對比,兩種方法數據基本吻合,充分驗證了光纖光柵天平數據的可靠性。因此光纖光柵天平設計合理,可以應用于各種航空測力以及強干擾環境[10-12]。

圖8 有無等離子體激勵時cL隨α變化

圖9 有無等離子體激勵時cD隨α變化

圖10 測力和測壓cL隨α變化對比

6 結論

針對目前光纖光柵技術的發展及航空航天測力實驗要求,本文設計了一臺以等離子減阻研究為目的的光纖光柵天平。光纖光柵天平設計考慮到了光纖傳感器與常規應變片的區別,并且對光纖的溫度敏感特性加以考慮,并在光纖光柵天平使用中進行了溫度修正。通過風洞等離子減阻測力實驗,光纖光柵天平可以對其進行定量的測量,與常規測壓方法數據基本吻合。因此,本文設計的光纖光柵天平可以應用于航空航天測力實驗,并且隨著設計方法及修正方法的改進,其應用有廣泛的前景。對于同種結構與常規應變片天平對比需要進一步研究。

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Fiber grating measuring force balance manufacture application for drag reduction of plasma

Li Guowen1, Wang Jianming1, Yang Bo2

(1. Faculty of Aerospace Engineering, Shenyang Aerospace University, Shenyang 110136, China；2. Dalian Maritime University, Dalian 116026, China)

Aim at using high voltage discharge in plasma reduction drag, there are some problems on strong electric field interferential general strain gauge signal. Fiber grating sensor may stably work in the strong electric field environment. The balance of fiber grating strain gauge is designed. By adjustment and temperature correction, the precision of balance may satisfy the using demand. In the experiment of plasma reduction drag, the data are identical with the general measurement pressure method. Experimental results indicate that the technology may be applied for balance, progressing experimental study on aviation and spaceflight measurement force.

force balance; wind tunnel measurement force； fiber grating; plasma

10.16791/j.cnki.sjg.2016.11.022

儀器設備研制與應用

2016-05-05

國家自然科學基金項目(600801010)

李國文(1978—)，男，河北唐山，碩士，工程師，研究方向為流體.

E-mail：25402620@qq.com

TP715.1

A

1002-4956(2016)11-0089-05