本發(fā)明涉及一種測量由于高超聲速氣流的粘性作用在飛行器模型表面的摩阻的測量裝置，用于在高超聲速脈沖風(fēng)洞試驗中測量氣流作用在飛行器模型表面的摩阻。

背景技術(shù)：

飛行器模型表面摩阻測量在飛行器布局研究、減阻、結(jié)構(gòu)及部件優(yōu)化、流動控制、cfd驗證確認(rèn)等方面都具有較高的應(yīng)用價值。精確測量摩阻對提高飛行器的性能以及全面了解表面流動現(xiàn)象都具有重要的作用。通常在高焓脈沖型的風(fēng)洞設(shè)備（如膨脹管風(fēng)洞、激波風(fēng)洞等）中大多采用摩阻天平測量飛行器模型表面的摩阻，使用的摩阻天平包括壓電式摩阻天平、應(yīng)變式摩阻天平以及光纖摩阻天平等。

rodneyd.w.bowersoxandjosepha.schetz,skinfrictiongaugesforhighenthalpyimpulsiveflows,aiaa93-5079，描述了一種在高焓脈沖設(shè)備上直接測量三維湍流附面層內(nèi)摩阻的傳感器，該傳感器采用懸臂梁結(jié)構(gòu)。

世界知識產(chǎn)權(quán)組織在2003年3月27日公布了發(fā)明人為ziskedwardj.jr；bussearterryr.，公布號為wo2010104518a1“流體摩阻傳感器和方法”的專利，該專利介紹了主要用于管道摩阻測量的摩阻傳感器以及信號解調(diào)器和測量方法，該傳感器采用浮動測量頭和懸臂梁的形式，使用應(yīng)變計電橋作為摩阻傳感器的敏感元件，主要用于管道流體的摩阻測量。

上述摩阻天平結(jié)構(gòu)的共同點是采用懸臂梁結(jié)構(gòu)，在懸臂梁的上部有一個可移動的測量頭測量作用在模型表面的摩阻，為了保證測量頭的可移動特性，在測量頭和模型本體之間留有間隙。但是，由于間隙的存在，會破壞模型表面流場的細(xì)微結(jié)構(gòu)，從而對摩阻測量的結(jié)果產(chǎn)生影響。

t.b.silvesterandr.g.morgan,skin-frictionmeasurementsandflowestablishmentwithinalongductatsuperorbitalspeeds,aiaajournalvol.46,no.2,february2008，介紹了在澳大利亞昆士蘭大學(xué)x3膨脹管上進行的超燃沖壓發(fā)動機進氣道流場建立以及摩擦阻力測量方面的研究。他們研制的摩阻傳感器采用剪切型的壓電陶瓷片作為摩阻天平的敏感元件。摩阻天平在進行摩阻測量時，作用在測量頭表面的不僅有摩阻，還有試驗氣流的壓力作用，壓力會干擾摩阻測量的結(jié)果。在該試驗中，通過在同一狀態(tài)正向和反向安裝摩阻天平的方法來抵消作用在摩阻測量頭上的壓力對測量結(jié)果造成的干擾。雖然這種方法能夠有效抵消壓力帶來的干擾，但是不能抵消由于壓力分布的非均勻性造成的附加力矩對摩阻測量結(jié)果的干擾。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種模型表面摩阻測量裝置，用于測量高超聲速脈沖設(shè)備中模型表面的摩阻，在模型表面摩阻測量裝置的設(shè)計中，采用壓電片作為敏感元件，利用壓電片的方向選擇性來抵消作用在模型表面摩阻測量裝置測量頭上的非均勻壓力帶來的力和力矩對摩阻測量結(jié)果的干擾。

為了達到上述目的，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：

本發(fā)明的模型表面摩阻測量裝置，包括：

摩阻天平主體、測量頭、壓電片、保護套底座、保護套上蓋和隔熱擋圈；

摩阻天平本體由底座、力敏梁組成，在底座上設(shè)有與保護套底座連接的銷釘孔和將信號線引出模型表面摩阻測量裝置的引線孔，壓電片粘貼在力敏梁的兩側(cè)，在摩阻天平本體頭部設(shè)有測量頭安裝槽；

測量頭安裝在摩阻天平本體頭部的測量頭安裝槽中，利用螺釘壓緊，測量頭的測量面外形可以選擇圓形，也可以選擇方形，材料可選擇與試驗?zāi)Ｐ拖嗤牟牧?，也可選用隔熱的工程塑料材料；在模型表面摩阻測量裝置安裝完成時，測量頭的表面與保護套上蓋的表面齊平，也與試驗?zāi)Ｐ偷谋砻纨R平。

壓電片粘貼在力敏梁的兩側(cè)，每側(cè)布置兩個，力敏梁兩側(cè)的壓電片對稱布置，壓電片選擇d31較高的壓電陶瓷片pzt-5，也可選用d31較高的壓電晶體片。

保護套底座通過銷釘與摩阻天平本體連接，保護摩阻天平的力敏梁上的壓電片，保護套底座上設(shè)有確定模型表面摩阻測量裝置測量方向的標(biāo)記槽，以及測量模型表面摩阻測量裝置安裝角度的基準(zhǔn)面。

保護套上蓋通過螺釘安裝在保護套底座上，與保護套底座共同保護摩阻天平本體力敏梁上的壓電片不受損壞；

隔熱擋圈為s形截面的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，安裝在保護套底座和保護套上蓋之間，用于隔離高溫的試驗氣流，避免模型表面摩阻測量裝置上的壓電片受到高溫氣流的作用而降低性能。

在本發(fā)明中，為了解決模型表面摩阻測量裝置測量頭與模型之間的間隙對摩阻測量結(jié)果帶來影響的問題，在測量頭和保護套上蓋之間的間隙中使用軟質(zhì)材料如真空泥或者軟橡膠進行填充，一方面，軟質(zhì)材料密封了測量頭和模型之間的間隙，另外一個方面，軟質(zhì)材料由于彈性好，彈性模量小，并不能阻擋測量頭位置的變化，從而保證了摩阻測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

在本發(fā)明中，利用壓電片的方向選擇性來降低測量頭表面的非均勻壓力對摩阻測量結(jié)果造成的影響。

本發(fā)明的有益效果是：

1.本發(fā)明中的模型表面摩阻測量裝置采用軟質(zhì)材料對測量頭和保護套上蓋之間的縫隙進行填充，降低了縫隙對摩阻測量結(jié)果的影響；

2.本發(fā)明中的模型表面摩阻測量裝置采用懸臂梁結(jié)構(gòu)，保證了摩阻天平的測量靈敏度；

3.本發(fā)明中的模型表面摩阻測量裝置，利用壓電材料的方向選擇性來抵消作用在測量頭表面的非均勻壓力對摩阻測量結(jié)果造成的影響，提高了摩阻測量結(jié)果的準(zhǔn)確性；

4.本發(fā)明中的模型表面摩阻測量裝置，使用軟質(zhì)材料和隔熱擋圈將高溫氣流阻擋在模型表面摩阻測量裝置外，使天平的敏感元件免受高溫氣流的影響，降低了摩阻測量結(jié)果的不確定度。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的模型表面摩阻測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明中摩阻天平本體的結(jié)構(gòu)立體圖；

圖3為本發(fā)明中的保護套底座結(jié)構(gòu)立體圖；

圖4為本發(fā)明的模型表面摩阻測量裝置安裝后上表面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖中，1.摩阻天平本體，2.保護套底座，3.保護套上蓋，4.測量頭，5.隔熱擋圈，6.壓電片，7.力敏梁，8.銷釘孔，9.引線孔，10.軟質(zhì)材料，11.測量頭安裝槽,12.底座,13.標(biāo)記槽，14.基準(zhǔn)面。

具體實施方案

下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案進行更為詳細(xì)的介紹。

如圖1所示，本發(fā)明的模型表面摩阻測量裝置包括：摩阻天平本體1、測量頭4、壓電片6、保護套底座2、保護套上蓋3和隔熱擋圈5。

摩阻天平本體1由底座12、力敏梁7組成，在底座12上設(shè)有與保護套底座2連接的銷釘孔8和將信號線引出模型表面摩阻測量裝置的引線孔9，壓電片6粘貼在力敏梁7的兩側(cè)，在摩阻天平本體1頭部設(shè)有測量頭安裝槽11。

測量頭4安裝在摩阻天平本體1頭部的測量頭安裝槽11中，利用螺釘壓緊，用于感受氣流的摩阻作用，測量頭4的測量面外形可以選擇圓形，也可以選擇方形，材料可選擇與試驗?zāi)Ｐ拖嗤牟牧?，也可選用隔熱的工程塑料材料。

壓電片6粘貼在力敏梁7的兩側(cè)，每側(cè)布置兩個，力敏梁7兩側(cè)的壓電片6對稱布置，在壓電片6的粘貼時，需要考慮壓電片6的極化方向選擇性和粘貼的對稱性。如圖2所示，在力敏梁7的一側(cè)粘貼壓電片ⅰ601、壓電片ⅱ602，另外一側(cè)粘貼壓電片ⅲ603，壓電片ⅳ604，其中壓電片ⅰ601的極化方向指向x軸的正向，壓電片ⅱ602的極化方向指向x軸的負(fù)向，壓電片ⅲ603的極化方向指向x軸的正向，壓電片ⅳ604的極化方向指向x軸的負(fù)向。在粘貼時，壓電片ⅰ601、壓電片ⅲ603在力敏梁7的兩側(cè)對稱布置，壓電片ⅱ602、壓電片ⅳ604在力敏梁7的兩側(cè)對稱布置。壓電片6選擇d31較高的壓電陶瓷片pzt-5，也可選用d31較高的壓電晶體片。

保護套底座2通過銷釘與摩阻天平本體1連接，保護摩阻天平本體1的力敏梁7上的壓電片6，如圖3所示，保護套底座2上設(shè)有確定模型表面摩阻測量裝置測量方向的標(biāo)記槽13，以及測量模型表面摩阻測量裝置安裝角度的基準(zhǔn)面14。

保護套上蓋3通過螺釘安裝在保護套底座2上，與保護套底座2共同保護摩阻天平本體1的力敏梁7上的壓電片6不受損壞。

隔熱擋圈5為s形截面的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，安裝在保護套底座2和保護套上蓋3之間，用于隔離高溫的試驗氣流。

如圖4所示，摩阻測量的時候，在模型表面摩阻測量裝置的測量頭4和保護套上蓋3之間的間隙中使用軟質(zhì)材料10如軟橡膠或真空泥進行填充，一方面，軟質(zhì)材料10密封了測量頭4和保護套上蓋3之間的間隙，另外一個方面，軟質(zhì)材料10由于彈性好，彈性模量小，并不能阻擋測量頭4位置的變化，從而保證了摩阻測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

模型表面摩阻測量裝置受到摩阻作用時，力敏梁7在摩阻的作用下發(fā)生變形，力敏梁7的一側(cè)受到壓應(yīng)變，一側(cè)發(fā)生拉應(yīng)變，在同一側(cè)沿力敏梁z向的應(yīng)變線性變小。根據(jù)壓電片6的極化方向，壓電片ⅰ601、壓電片ⅱ602的表面產(chǎn)生符號相同大小不同的電荷。壓電片ⅲ603和壓電片ⅳ604表面產(chǎn)生符號相同大小不同的電荷。可以將四片壓電片的輸出電荷之和作為模型表面摩阻測量裝置的輸出。

模型表面摩阻測量裝置受到非均勻壓力作用時，可以等效為一個均勻壓力作用和一個力矩作用。力敏梁7在均勻壓力作用下，兩側(cè)發(fā)生相同的變形，由于壓電片ⅰ601、壓電片ⅲ603對稱粘貼，所以感受相同的應(yīng)力，根據(jù)壓電片6的粘貼極化方向，在壓電片ⅰ601表面上產(chǎn)生正電荷，在壓電片ⅲ603表面上產(chǎn)生負(fù)電荷，兩者之和正好抵消。壓電片ⅱ602和壓電片ⅳ604產(chǎn)生的電荷也正好抵消。力敏梁7在力矩的作用下，一側(cè)受到壓應(yīng)變，一側(cè)發(fā)生拉應(yīng)變，在同一側(cè)沿力敏梁z向的應(yīng)變相同。根據(jù)壓電片6的粘貼極化方向，壓電片ⅰ601、壓電片ⅱ602的表面產(chǎn)生大小相同、符號相反的電荷，其和正好抵消。壓電片ⅲ603和壓電片ⅳ604表面產(chǎn)生的電荷也正好完全抵消。因此，在模型表面摩阻測量裝置的設(shè)計中，可以通過壓電片6粘貼位置的對稱性和極化方向選擇性來消除作用在測量頭4上的非均勻壓力對摩阻測量結(jié)果的干擾。