[发明专利]基于相位锁定法的转子叶片表面全域动态压力测量装置及方法

说明书

本发明涉及一种基于相位锁定法的转子叶片表面全域动态压力测量装置及方法，编码器外壳固定于电机外壳使其保持静止，编码器内轴与电机轴固定使得转子旋转时编码器接收到相同的旋转信息。编码器输出信号经机匣孔连接至编码器接收板卡，编码器接收板卡与计算机相连再连接信号发生板卡，信号发生板卡与相机触发器相连并控制相机拍摄，激光光源固定于涂有光学压敏涂料的被测叶片前端并对准。依据光学压敏涂料测压原理的S‑V公式I_ref/I＝A P/P_ref+B，通过测量实时光强I、参考光强I_ref和参考压力P_ref，来获得实时压力P。

技术领域

本发明涉及一种应用于光学压敏涂料在旋转机械转子叶片表面进行全域的动态压力测量的实验方法，属于仪器仪表技术领域。本发明通过相位精确可调的相位锁定方法来实现转子叶片在不同相位的表面压力动态测量，使得光学压敏涂料能够精确测量旋转过程中叶片表面全域的压力变化过程。

背景技术

叶轮机械是一种使能量转换与传递的动力机械。其应用广泛，包括日常生活中的风扇、吸尘器到航空航天领域的压气机、透平、旋翼等均属于叶轮机械范畴，是动力装置研制的核心部件之一。压力是转子叶片表面重要的气动参数，其分布反映了诸多流场细节。它不仅体现了叶片表面与其通道内的气体相互作用，还是流动气动负荷的表征，也是气动设计的重要指标参数。当叶轮机械处于高速旋转时，叶片的绝对位置随时间不断变化，作用在转子表面的气动载荷瞬息万变，这使得动力装置安全性的预测和控制带来了很大的难度。然而，对转子叶片表面全域压力的动态测量依然是叶轮机械设计和研制过程中的技术盲区。

基于计算机视觉与图像处理技术的光学压敏涂料测量技术(Pressure SensitivePaint，PSP)，是非接触式流动显示技术的重要突破。该测量技术能够定量地获取模型表面全域、连续的压力分布。与目前国内传统的点阵式测量技术相比，光学压敏测量技术能够弥补压力探针布孔、压力传感器等对模型的破坏和对流场的干扰以及传统方法数据传输方式的复杂性，并且该测量技术大幅度提升测量范围，具有无接触、连续测量、试验成本相对低廉、节约时间等优势，已经受到广大实验工作者的青睐。近年来，随着快速响应光学压敏涂料(Fast PSP)的成功研制宣告着光学压敏测压技术实现从稳态测量到动态测量的飞跃。随着涂料响应频率的不断提升，测量技术的适用范围也越来越广，为叶轮机械的表面压力动态测量提供了有力的支撑。然而，虽然光学压敏涂料的发展速度极快，已经实现在发动机内部恶劣的流动条件下实现压力测量，但是承担光探测器功能的科学级CCD相机由于制作工艺的限制，拍摄帧率以及相应的曝光时间无法满足对高速旋转的叶轮机械进行实时采集。这一问题可以借助相位锁定法得以解决，目前国内采用的相位锁定法的光学压敏测量技术仅能实现某一固定位置的相位锁定而不能在测量过程中改变相位角来实现动态测量。

针对这一问题，发展出一套能够相位精确调节的相位锁定法是应用快响光学压敏涂料在旋转机械转子叶片表面压力动态测量的必经途径。本测量方法以及所搭建的测控系统能够使得：1.转子叶片精确的相位锁定，保证相机通过相位锁定法拍摄的图片高度重合；2.通过对锁相装置的控制，实现相位调节，获取不同相位下的压力分布。

发明内容

要解决的技术问题

鉴于叶轮机械转子表面全域动态压力测量一直是国内测试技术上的空白，同时现有的动态压力测控系统存在一系列弊端需要得到改进，因此本发明设计了一种结构简单、加工成本低、使用性强、抗干扰能力强的基于相位锁定法的转子叶片表面压力测量方法并实现相位精确可调以期获得压力的动态分布。

本发明主要解决的技术问题是：目前国内现有的相位锁定法仅能在转子某一固定相位行图像采集，本发明突破锁相位置固定这一限制，实现了叶轮机械旋转过程中相位可调的相位锁定法。

技术方案