风洞测试仪器

用以测量风洞气流特性和气流作用于模型上的各种气动参量的装置。早期的风洞仅作静态实验，被测参量项目少，量值小，量程也窄，多采用表盘式仪表或光学定性分析仪器。从20世纪60年代起，原有的风洞被用来作动态实验，新型风洞又不断投入使用，被测参量项目急剧增加，风洞实验技术和测试仪器也随之发生重大变化：从单项测量到综合性测量，从静态到动态，从宏观到微观，从定性分析过渡到定量测量，等等。因此，要求风洞测试仪器具有灵敏度高、分辨率高、响应时间快、可靠性好、抗过载能力以及抗冲击和电磁场干扰能力强、防震性能好、测量范围宽和精度高等特点。此外，仪器还应尽可能满足以计算机为中心的自动采集、检测、控制和处理系统的要求。风洞测试仪器按是否与被测对象接触，可分为接触式和非接触式两类，按照测试内容可以分为气动力和力矩测量仪器，压力测量仪器，温度、热流和总焓(见焓)测量仪器，流场密度与密度变化测量和显示仪器，气流速度测量仪器和巡回检测装置。

气动力和力矩测量仪器  直接测量风洞中作用于模型上的气动力和力矩(见空气动力)的装置主要是风洞天平。通常天平设计成测量直角坐标系中沿三个轴的力和绕三个轴的力矩(或只测其中一个或两个力和力矩)。风洞天平是由一般分析天平演变而来的，早期的挂线式天平(图1)就与分析天平相似。它用金属线将模型悬挂起来，模型所受载荷通过金属线送到天平杠杆元件上，加减砝码使其平衡。但分析天平一次只能测一个力，且要求力的方向和作用点是已知的。风洞天平则可同时测气动力的几个分量，气动力合力的作用点和方向一般是待测的。因此，风洞天平的构造也不同于一般分析天平。

风洞天平的分类方法很多，按测量原理可分为机械式天平、应变式天平、压电晶体天平、电磁悬挂天平等。

机械式天平  一种通过机械结构系统(包括各种传力杆系、铰链、力平台、力矩平台等)传递和分解模型上的气动力，并由感受位移的测量元件进行测量的风洞天平。挂线式平天就是一种机械式天平。挂线式天平由于干扰阻力大，金属线易断，后来很少使用并被支杆式机械天平所取代。用支杆式天平时，模型由支杆支撑，支杆可以改变模型攻角和测滑角(飞行器速度矢量与飞行器对称平面间的夹角)。模型所受气动力由支杆下传到连杆系统，使之分解成各个分量，再通过测量元件记录下来。根据连杆系统装配形式不同，支杆式机械天平可分为塔式天平、台式天平和轭式天平。虽然这类机械式天平的测量精度颇高，但由于难以进行快速测量，所以在高速风洞中一般使用应变式天平。

应变式天平  一种通过贴在弹性元件上的应变片，在气动力作用下，因变形而产生的输出信号变化来测量力和力矩的仪器。一般在弹性元件的拉伸和压缩表面上，分别并排安放两块应变片。然后将这四块应变片接入电桥，加上电压即可进行测量。应变式天平按元件布置形式分为浮框式和复合式两种。浮框式天平是将模型固定在套筒上，可拆卸的各测量元件和支杆安装在套筒内，各分量都是通过两个并联(平行)的测力元件来测量。复合式天平的各个测力元件由串联- 并联混合结构组成。应变天平的应变片大多数都用电阻丝片。它是用很细的导线或很薄的金属箔制成的。有时也用半导体材料。

用半导体应变片装成的天平，滞后小，灵敏度高，频响高，疲劳寿命长。可在热冲风洞和炮风洞等工作时间较长的高超声速风洞中使用。有时也在常规高超声速风洞中使用，这是为了增加天平刚度，提高天平承受启动载荷的能力。

压电晶体天平  工作原理是：利用压电物质的压电效应，将气动力转换成电信号，输出的信号可直接用电荷放大器测量，也可用高输入阻抗的静电放大器或跟随器测量。这类天平多用于工作时间较短的激波风洞。

电磁悬挂天平  工作原理是：用电磁力把由软铁制成的模型悬挂在风洞中，模型的任何位移都会引起光电管光通量变化，再由伺服反馈控制系统在模型上产生一个反抗扰动力的磁力，使模型回到正确位置。由各磁力线圈的电流量，或磁场的磁通量，换算出气动力。这类天平最大的优点是不受模型支架的干扰影响。

上述各天平都有一个校准问题。天平校准分为静校和动校两种。利用校正装置对天平进行静态标定称为天平静校。天平静校的目的是：证明天平能够受多大载荷；测定每个分量的校准系数、灵敏度；测定天平的干扰和变形；校验载荷数据的重复性，从而确定天平使用公式和天平的精度、刚度和强度。在风洞内把标准模型装在经过静校的天平上进行吹风实验称为天平动校，其目的是检验天平的性能，确定天平的精度。

压力测量仪器  风洞早期是用液体压力计(如 U型管压力计)测压的，测量多点压力则用多管压力计。度盘式压力表主要用于监视风洞回路的压力。这些压力计由于须用眼看、手记或照相，而且响应时间又长等，已逐渐为风洞压力传感器所取代。风洞压力传感器可将压力转换成电流或电压信号，用于测量各种风洞的静态压力和动态压力。压力传感器种类很多，按工作原理可以分为如下六种形式：①电阻压力传感器：它依据电阻随压力而改变的原理来测量压力；②应变压力传感器：通过弹性元件将压力转变成应变，粘在弹性元件上的应变片再将应变转变成电信号；③晶体压力传感器：它利用晶体在特定轴向受力时产生电荷的效应来测量压力；④电容压力传感器：它通过电容器的一个极板感受压力，并将其变化转变为电容量的变化;⑤电磁压力传感器：它将压力的变化转变为磁阻或电感量的变化来测量压力，可分为磁阻式和电感式两种；⑥谐振式压力传感器：它将压力的变化转变为弹性元件自振频率的变化来测量压力。关于上述各种形式的压力传感器的详细原理和结构见压力传感器。

60年代中期开始采用压力扫描阀和小型压力传感器组成测压装置。扫描阀的转子在转动过程中，依次将各测压点与传感器接通，使一个传感器能测量多点压力，从而使传感器的数量大为减少，为提高实验精度创造了条件。70年代中期，为了满足大型风洞测压点数增多和提高测压速度，又采用了由小型压力传感器、模拟信号多路开关和气路切换开关等组成的电子采样压力组件。

温度、热流和总焓测量仪器  在气流温度测量中，对于总温低于2000开的气流广泛采用以温差电偶为感温元件的总温探针。它所测出的气流温度是总温(即在探针表面气流速度滞止为零时的温度)。探针测出的总温通常低于气流实际总温，这主要是由温差电偶结点向支座的导热和向外的热辐射引起的。暂冲式风洞也有用薄膜电阻温度计测量温度的，薄膜电阻温度计(简称薄膜计)是根据金属薄膜的电阻随温度变化的物理性能来测量物面瞬时温度变化或热流密度的传感器。金属薄膜的温升ΔT同它的相对电阻增量成正比，而同电阻温度系数α成反比，利用物面瞬时温升和热流密度之间的函数关系，可以测定物体的定常或非定常热流密度。薄膜计是由沉积在绝缘衬底(通常是玻璃)表面的铂薄膜(厚度为亚微米量级)和银引线组成，因而又名铂膜电阻温度计。薄膜计的优点是灵敏度高、响应快和尺寸小。对于2000～3000开的气流温度常采用的测量方法是依据辐射测温原理的发射吸收法;对于4000～10000开的气流温度常采用等离子体诊断中常用的光谱法。利用气体及其中所包含的杂质分子光谱或原子光谱的强度与温度相关这一特性，采用适当波段范围的摄谱仪或分光光度计，测出谱线的绝对强度或某两根谱线的强度比，从而推算温度。稀薄气体风洞的气流总温约为1000～3000开，但由于气流密度很低，要采用电子束测温法。表面温度在几百开以下，常用热敏电阻和感温涂料测量。表面温度低于1200开可用红外测温仪和红外热象仪测量。对于1200～4000开的模型表面温度，通常采用辐射高温计、光电高温计和比色高温计等辐射学测温仪器。对于发射率难以事先测定的烧蚀材料模型，可利用快速扫描红外分光光度计测出其光谱能量分布，然后计算发射率和真实温度，也可与一组不同温度的黑体能量分布曲线作比较，得出最大亮度温度。此最大亮度温度即可作为比较精确的测量值。

总焓探针是量热式测量气流局部总焓的设备，可以用来测量总焓。早期的探针是水冷的，出现于60年代初。随后，研制出瞬态焓探针。70年代发展出高压型和高压稀释型焓探针。

总焓探针工作时，由取样管吸取被测气流并予以冷却，测量探针内热交换介质的吸热率、被吸气样流量及其在离开热交换器时的温度和压力，然后按能量守恒关系算出气样总焓。水冷探针用高压水作热交换介质，本体采用双层水套结构。利用取样和不取样时冷却水吸热率之差来消除环境加热影响。它的响应时间较长，约几秒到十几秒。可在高达15000开的气流中工作，具有较高的测量精度。瞬态焓探针的换热器是一根细长薄壁铂(或镍)管。用它的电阻变化率计算吸热率。它的响应时间为毫秒量级，可进行瞬态总焓测量。

高压稀释型焓探针利用一股冷气在入口处与气样混合，改善取样管入口段严重受热状态，从而可大幅度提高测焓范围。这种探针有稀释剂供给和流量测量装置，结构较复杂。

流场密度及其变化的测量和显示仪器  风洞中常用光学仪器来显示和测量流场，常用的是阴影仪、纹影仪和马赫-曾德尔干涉仪(简称M-Z干涉仪)。

阴影仪  运用阴影法原理观测透明介质不均匀度变化率的一种光学仪器。在风洞或弹道靶中，常用来观测模型和气体相对运动时流场密度梯度变化的位置和形态。如图2所示，准直镜L将点光源S的发散光变成平行光射出，经实验段D，到达屏Q上。若D内流场密度梯度为零或密度梯度均匀，则平行光不偏折或以同一方向偏折(dε相同)，屏Q上照度均匀；若D内流场各处气体密度变化不均匀，则通过流场各处的光线偏折也各有差异，有些光线会聚，有些光线发散，屏上便会出现明暗不同的阴影图像，反映出流场气流密度梯度的变化。屏上照度同流场中垂直入射光方向上密度的二阶导数与至屏距离乘积的积分值成正比。如果光线在流场扰动范围内的偏离量可忽略不计，则上述关系能作定量分析用；而一般只能作定性分析用。用阴影法原理制成的阴影仪有平行光柱式和发散光锥式两类。点光源常采用电火花或激光脉冲光源，屏Q区放置感光胶片进行记录或采用光学系统成象。阴影法设备简单，图像直观，可获得模型相对空气高速运动时周围激波和尾流中旋涡的清晰图像；还可观测到边界层过渡区位置和湍流区的流动情况。

阴影法原理和实验照片

阴影法原理和实验照片

纹影仪  通过观测不均匀透明介质内部折射率变化，并把它转换成记录平面上照度变化，从而确定透明介质内部密度梯度的一种光学仪器。在风洞实验中，纹影仪用来显示绕经模型周围流场的密度变化，观测激波、膨胀波、边界层、尾流的区域和位置。纹影仪一词源于德语Schliere，意指透明物质内由于成分不纯而出现沟纹。1859年J.-B.-L.傅科提出用刀口作光阑，检验光学零件的质量。1886年A.J.I.特普勒首次用光学系统观察纹影，研究火花、爆炸等流动现象。纹影法有时也称特普勒法。如图3所示，光源S(通常为狭缝)，成象于刀口平面K，实验段物体经反射镜M和照相物镜L成象于屏Q上。当实验段介质均匀时，刀口平面上形成单一的光源象，屏上照度均匀。当实验段局部区域介质密度不均匀时，通过该区域的光线产生偏折，偏折角与折射率梯度成正比。刀口平面上形成一个偏离的光源象，屏上相对应区域的照度发生变化。照度的变化与介质中垂直于刀口方向上折射率变化的一阶导数沿光路的积分值成正比。根据气体介质折射率与密度的关系可获得介质的密度梯度。风洞实验中，纹影仪一般用作定性流场显示。纹影光阑采用彩带、光栅、偏光棱镜等可获得彩色干涉纹影图，可提高灵敏度并适用于定量研究。纹影仪和高速摄影、显微技术相结合可拍摄高速和显微纹影照片。激光光源用于纹影仪，不仅能缩短曝光时间，获得高速瞬变的纹影图，而且可组成全息照相系统，将实验的时间、空间“冻结”下来，经过再现，作三维空间的定量研究。

M－Z干涉仪  利用光的相干原理确定透明介质中折射率值的一种光学仪器。风洞实验中可用它来测量流场局部密度变化。E.马赫于1878年应用雅满双镜双束干涉仪研究气体动力学现象。曾德尔于1891年和 L.马赫于1892年各自制成一种四镜双束干涉仪，这就是风洞中常用的M-Z干涉仪。如图4所示，单色点光源1发出的光线经准直后，被分光镜3分为参考光束(经3、4、7)和实验光束(经3、5、7)。实验光束通过密度与外界不同的实验段6时，速度发生变化，产生相位移。当它在空间同参考光束相遇时便产生干涉。实验段密度均匀时，形成直的干涉条纹；密度不均匀时，条纹弯曲。条纹的相对位移量与折射率的变化成正比。根据干涉条纹的形状和条纹间距，可精确地求得实验段相应点的折射率，并由此计算密度分布。在等熵流动情况下，只要测得气流在滞止状态时的参数，就可得到流场的压力和速度分布。在等离子体的情况下，可定量测得电子密度值及其变化。M-Z干涉仪要求高质量的光学元件和精密的调整机构，技术难度大。1967年以来利用激光作光源，使M-Z干涉仪在风洞中的应用获得了新的生命力。

M-Z干涉仪

气流速度测量仪器  主要有皮托-静压管、热线风速仪和激光多普勒测速仪。

皮托-静压管  测量气流速度最常用的仪器，是由皮托管演变而来的。皮托管是一根圆柱形管子，一端开口，另一端连在压力计上，用以测量气流总压。这种管子是H.皮托在1872年用来测量河流的水深和流速关系的。皮托-静压管除了象皮托管一样，可以感受气流总压外，还可同时测量气流静压。图5是低亚声速时使用的一根典型的皮托- 静压管结构示意图。它有内管和外管。内管测量总压。静压孔开在外管上同头部有一定距离处。根据伯努利方程(见伯努利定理)由总压孔和静压孔测得的压差经过换算即可得到流速。它可用于从1～2米／秒到临界速度以下范围内的速度测量。这种管子的前端多为半球形，总压孔在轴线上，它对管子形状不敏感。静压孔则受端头和后面的支杆影响很大。由于两者的影响相反，只要精心设计就可以减小这种影响。为减少气流方向偏斜的影响，有时可沿圆周方向开多个静压孔。为了避免设计和加工引起的误差，在使用前要进行校正。

热线风速仪  依据非电量电测法的原理测量气流速度、温度和密度的仪器，已有70多年的使用历史。它的传感器(俗称探头)是一条长度远大于直径的细金属丝，简称热丝，或是一片厚度非常薄的金属膜，简称热膜。测量时，将此热丝或热膜置于待测气流中，同时又连接于电桥的一臂，用电流加热，使热丝或热膜本身温度高于待测气流介质的温度。气流状态变化，引起热丝或热膜与气流介质之间的热传递发生变化，从而使热丝或热膜两端的电压发生变化，由此可测得气流的速度、温度或密度的平均值和瞬时值。热线风速仪的电路有两种类型：一是维持热线温度不变的恒温式；一是维持热线电流不变的恒流式。热线两端的电压变化一般经放大、补偿后才进行测量。从前测得的电信号都是用电模拟法来处理。近年来，热线或热膜测得的电信号输入到电子计算机处理，使测量精度更高，因而应用范围更广。热丝直径仅有1～5微米;长度仅0.5～1毫米。热膜厚度仅为5～10纳米。热丝材料为铂或钨，或含铑的铂铑合金丝，或包银的渥拉斯顿丝。热膜材料多是铂或镍，有时还在上面喷镀一层2～5微米的石英，以便用于导电液体中的测量。

激光多普勒测速计  利用光的多普勒频移效应，用激光作光源，测量气体、液体、固体速度的一种装置。1842年奥地利物理学家C.多普勒发现了声波的多普勒效应。1905年A.爱因斯坦在狭义相对论中指出，多普勒效应也能在光波中发生。光照射到运动的粒子上发生散射时，散射光的频率相对入射光的频率发生变化。频率的偏移量与运动粒子的速度成正比。当流场中散射粒子的直径与入射光的波长为同一量级，且散射粒子的重量与周围流场粒子重量相近时，散射粒子的运动速度基本上代表流场的局部流速。美国Y.耶和H.卡明斯于1964年第一次报道利用激光多普勒频移效应进行流体速度测量。

激光多普勒测速计包括光学系统和信号处理系统。光学系统将激光束照射到跟随流体运动的粒子上，并使被测点(体积)的散射光会聚进入光电接收器。按接受散射光的方式光学系统可分为前向散射型、后向散射型和混合散射型。按光学结构可分为参考光型、双散射型、条纹型和偏振光型。图6为前向双散射型原理图。光电接收器(光电倍增管、硅光二极管等)接收随时间变化的两束散射光波，经混频后输出信号的频率是两部分光波的频率差，与流速成正比。采用信号处理系统把反映流速的真正信息从各种噪声中检测出来，并转换成模拟量或数字量，作进一步处理或显示。常用的信号处理器有频率分析仪、频率跟踪器、计数式处理器等。从原理上讲，激光多普勒测速计是直接测量速度的唯一手段。在风洞实验中可用它测量局部速度、平均速度、湍流强度、速度脉动等，适用于研究激波和边界层的分离干扰区、旋翼速度场、有引射的边界层以及高温流等。测速仪器或装置的测速范围从0.05厘米／秒到2000米／秒。测量高速时受光电器件频率响应范围的限制。实验中，有时需要用专门的粒子播发装置把不同大小的粒子掺入气流中。由于散射粒子惯性等的影响，粒子运动速度滞后于流体，因而测速精度较低，湍流度高时精度更低。

巡回检测装置  按一定次序或随机采集多个电压或电流信号(称为模拟量)，并把这些模拟量转化为二进制或十进制数字量的装置(简称检测装置)。

巡回检测装置的输入模拟量由受感转换器件(如传感器、测力天平等)通过传输线送入，它的输出数字量送入计算机处理或其他记录设备(如打印机、穿孔机、磁带等)记录。它在风洞测试系统中的位置见图7。巡回检测装置一般由采样器、数据放大器、模数转换器、滤波器、显示器、接口和控制器等部件组成(图8)。

采样器是一个通过程序控制的电子或机械开关，能以周期性的时间间隔或任意时间间隔采集某一连续变量值。采样器由采样开关、通道计数器、通道译码器、循环次数计数器、时钟等部件组成。采样器的工作速度，从每秒几十次到每秒几万次。数据放大器是放大输入信号的部件，一般能把几毫伏信号放大成几伏，然后送入模数转换器，还能抑制干扰信号并从中拾取有用信号。模数转换器 (A/D)可将被测电压模拟量(连续)转换为数字量(离散)。它的种类很多，最常用的一种叫反馈比较型模数转换器，由比较器、模数转换器(有解码开关、电阻网络、数码寄存器)、节拍产生器、转换控制器、基准电压源、脉冲源等组成。

图7

滤波器的作用是滤去信号源中无用信号。由电阻电容或电感电容组成的滤波器称无源滤波器；由电阻电容和放大器组成的滤波器称有源滤波器；由计算机进行处理而消除干扰信号的称数字滤波器。显示器是显示测量参数的部件，由选点显示开关、二进制变成十进制的运算器、译码器和数码管组成。接口是两个不同设备互联时的交接部分。检测装置中所有部件间的信息传递和相互协调都由控制器完成。

参考书目 艾伦·波普等著，彭锡铭等译：《低速风洞试验》，国防工业出版社，北京，1977。(A.Pope and J.J.Harper，Low Speed Wind Tunnel Testing，John Wiley & Sons，New York，1966.)A.博普等著，邓振瀛等译：《高速风洞试验》，科学出版社，北京，1980。(A. Pope and K.L. Goin，High Speed Wind Tunnel Testing，John Wiley & Sons，New York，1965.) R.J.Emrich，ed.，Methods of Experimental Physics，Fluid Dynamics，Vol.18，Academic Press，New York，1981.