風洞分布測壓試驗校準技術發展現狀

李峰，王洪博

（航空工業北京長城計量測試技術研究所，北京100095）

0 引言

風洞試驗是進行空氣動力學研究、提供飛行器氣動布局設計參數的重要手段之一。在風洞試驗中，測量飛行器表面壓力分布，能夠為仿真分析和飛行器氣動布局設計提供最為直接有效的試驗參數。目前國內風洞模型表面壓力分布測試主要采用兩種方法——模型表面布設測壓孔法和壓敏漆（Pressure Sensitive Paint，PSP）測壓法。模型表面布設測壓孔法的測量準確度主要受測壓孔設計、引壓管結構和電子壓力掃描測量準確度影響；壓敏漆測壓試驗準確度的影響因素包括激光性能、壓敏涂層厚度、探針分子濃度、環境溫度等。采用模型表面布設測壓孔的方法測量分布壓力的優點在于測量原理簡單、技術成熟度高、測量準確性好，而壓敏漆（PSP）技術則能夠提供空間上連續的測壓數據。在風洞試驗中，通常采取兩種方式同時測量，從而達到獲取更加準確豐富的試驗數據的目的，而針對兩種方法的校準技術和校準手段還有待進一步研究，下面分別進行探討與分析。

1 常規測壓技術及校準現狀

為保障風洞壓力測試試驗數據的可靠性，所有的測量數據必須能夠溯源到國家標準，并且在整個測量過程中要能夠清楚得到并控制測量不確定度，因此通常需要對整個試驗系統進行校準評估。評估的內容主要包括測壓試驗儀器的校準、數據處理方法、數據不確定度合成及表示方法。其中，試驗儀器的校準是評定試驗系統測量數據可靠性的基礎。通過校準測壓試驗儀器，能夠直觀得到試驗儀器的測量誤差，建立完整的溯源鏈，提升試驗數據的可信度。

1.1 常規分布測壓系統校準

壓力測試試驗數據作為風洞試驗中重要的試驗結果，其可靠性一直備受關注。美國NASA相關報告給出了風洞壓力測試系統校準流程和數據不確定度評估方法。目前，NASA風洞試驗通常采用蘭利實驗室制定的不確定度分析和校準試驗規程。該實驗室利用重復試驗，分離偏差和準確度的不確定度評估方法，對壓力測試系統進行了有效的校準研究［1］。

先進飛行器的研制和現有飛機型號的改進對風洞試驗數據品質提出了更高的要求。世界各國針對自身風洞試驗存在的問題，均開展了試驗校準工作，并給出了數據可靠性評估。通過綜合分析影響整個測壓系統的不確定性，梳理試驗數據鏈，對試驗的每一個環節做出評估，是整個校準流程最重要的環節。國外相關校準機構通過分析得出，影響系統不確定性的最重要因素是各個組成儀器的準確性、校準程序、人為因素、環境以及測試數據分析等。此外，校準結果的準確性在很大程度上取決于校準試驗方法。

為滿足客戶對高準確度試驗數據的要求，NASA啟動了風洞試驗技術改進計劃，其目標之一就是將試驗數據品質提高到符合國家標準的水平。在這項計劃中，針對風洞試驗壓力測試系統的校準工作，NASA依據美國國家標準與技術研究院《測量結果不確定度評估指南（NIST）》（Guidelines for Evaluating and Expressing the Uncertainty of NIST Measurement Results，NIST-1297）中制定的方法開展校準工作［2］。校準試驗分為三個階段：第一階段是選定研究目標，包括風洞和測量設備型號等；第二階段是實驗室校準，采用標準設備，在實驗室中進行壓力校準，并對溫度和重力影響進行校正；第三階段是利用蘭利實驗室的校準方法進行重復校準試驗，如圖1所示，采用集成的測試系統，利用相對法對壓力傳感器等設備進行校準。實驗數據采用二階多項式擬合，其系數由最小二乘法迭代確定。通過重復試驗，給出了線性靈敏度誤差分布。

圖1 壓力傳感器校準實驗

為保障實驗準確度，提升風洞技術水平，瑞士RUAG建立了風洞試驗數據質量保障體系［3］。對風洞試驗中測量的力、壓力、溫度等參數建立完整的溯源體系，以提升風洞試驗數據的可靠性。RUAG校準試驗室采用標準設備對風洞測壓試驗中用到的傳感器和測試系統進行標準溯源，通過規范校準流程提供更加精確可靠的校準結果。RUAG風洞試驗用傳感器的溯源體系如表1所示，表中給出了不同類型的傳感器連接信號放大設備輸出的信號類型、測量誤差以及校準試驗中標準傳感器的誤差，其校準工作可以溯源到RUAG航空航天中心校準試驗室。

表1 RUAG風洞測量系統校準要求和溯源體系

國內對靜態和動態壓力傳感器的校準技術基本成熟。其中，JJG 860-2015《壓力傳感器（靜態）檢定規程》和JJG 624-2005《動態壓力傳感器檢定規程》分別規定了靜態和動態壓力傳感器的首次檢定、后續檢定和使用中檢驗的校準方法［4-5］。數字壓力計的檢定主要依據的JJG 875-2005《數字壓力計檢定規程》實行。對校準用儀器，依據JJG 624-2005《動態壓力傳感器檢定規程》等進行校準檢定。

盡管目前國內壓力傳感器的校準技術十分成熟，但是還未形成面向風洞試驗的原位校準方法和校準規程。國外標準機構均建有完善的風洞測試設備校準體系，各個主要參數均能溯源到國家基準，能夠有效保障風洞試驗數據的可靠性。因此，為進一步提升我國風洞測壓試驗技術，應大力開展面向風洞試驗的校準技術研究，包括風洞環境影響校準研究和原位校準技術研究等，建立完善的數據溯源鏈，并且提供可靠的數據不確定度分析。

1.2 壓力掃描閥校準技術現狀

壓力掃描閥是分布測壓孔測壓方法中的重要設備，國外以美國AIAA標準體系為代表的相關文獻中，對壓力掃描閥的校準工作給出了詳細的校準要求和流程。AIAA-S-071A-1999《試驗不確定度評定及其在風洞試驗中的應用》（Assessment of Experimental Uncertainty with Application to Wind Tunnel Testing）中規定了電子壓力掃描閥（ESP）的校準方法和準確度要求［6］。由于壓力掃描閥具有多個測壓通道，如果對每個通道均進行系統校準，需要采集大量數據，耗時較長、成本較高，所以根據實際校準經驗，AIAA標準建議在進行壓力掃描閥系統不確定度評估時，可以隨機選取掃描閥總通道數的7%進行校準。為提高數據準確性，在每次風洞試驗前，采用六點校準技術校準電子壓力掃描閥模塊中的壓力傳感器，在試驗中隨時進行重新校準以補償因溫度變化所引起的零點漂移誤差，同時，根據AIAA92-3953《多通道測試系統不確定度方法研究》進行不確定度評估［7］。在給出的壓力掃描閥測試系統數據不確定度評估中，要將傳感器的溫度效應作為系統偏差加入最終的誤差擬合，給出置信區間為95%的誤差帶。

國內對壓力掃描閥的校準研究較多，尤其是針對壓力掃描閥的試驗校準及溫度特性校準等。目前國內常用的壓力掃描閥主要采用PSI和DAS的產品，掃描閥的準確度等級以及允許的最大測量誤差如表2所示。一般校準機構根據用戶需求，按照JJG 875-2005《數字壓力計檢定規程》有針對性地開展校準工作。

表2 壓力掃描閥準確度等級與最大允許誤差

中國航發沈陽發動機研究所邢威等人［8］對電子壓力掃描閥校準工作中應著重考慮的相關要素進行了說明，包括壓力標準裝置的準確度、溫度控制系統、校準壓力點的選取等，并分析了壓力掃描閥測試數據的不確定度來源，給出了壓力掃描閥不確定度評估方法。中國空氣動力研究與發展中心校準測試實驗室的黃健等人［9］針對國內在用的主要型號電子壓力掃描閥開展了校準技術研究，提出了校準通用的技術要求、環境條件、校準儀器、校準方法、校準周期等，并編寫了《風洞試驗電子壓力掃描閥校準規程》。

壓力掃描閥原理簡單、發展較早，目前技術已經十分成熟，也已經形成了較完善的校準體系，但是隨著壓力掃描閥校準技術的逐漸成熟，為進一步提高校準效率、降低校準成本，壓力掃描閥校準技術逐漸向現場原位校準方向發展。現場原位校準是指在不拆卸被校設備的前提下，對被校設備進行校準工作。原位校準的優勢在于能夠最大程度上模擬設備在真實試驗條件下的工作狀態，能夠更方便的對試驗設備進行準確的校準評估。中國飛行試驗研究院的高穎等人［10-11］在分析某發動機試車臺上安裝的DSADSA3217型氣體壓力掃描閥結構原理和技術要求的基礎上，結合計算與試驗方法，選用具有適當溫度補償的標準器并提出高度差修正方法，進行了氣體壓力掃描閥現場原位校準技術研究，形成一種無需對高度差引入的測量誤差進行逐點通道修正的現場原位校準方法。

目前，壓力掃描閥的現場原位校準已經取得了一定的研究成果，但是要完全實現現場原位校準，需要考慮大量的試驗環境因素。風洞試驗中的環境溫度分布、濕度條件、測量高度差等均會對設備測量準確度產生影響。因此需要研究風洞試驗中各種環境條件對測量設備的影響。為確定風洞試驗條件中壓力掃描閥測量準確度的影響因素，需要在實驗室中進行單一環境變量的對比實驗。

雖然壓力掃描閥的實驗室校準技術已經比較完善，但缺少統一的行業校準規范進行試驗指導。為進一步提升校準技術，未來壓力掃描閥的校準工作應向規范化和現場原位化方向發展，通過建立完善校準體系并研制現場校準裝置，全面推進壓力掃描閥規范化、標準化校準，同時應建立風洞測壓試驗溯源鏈，并開展壓力測試系統原位校準研究。能準確得到測試系統實際工作中的測量準確度對試驗數據的處理修正具有重要的意義。

2 先進測壓技術與校準現狀

隨著風洞技術的發展，一些關于測試技術的先進理念被不斷提出。先進飛行器的設計要求風洞試驗能夠更加詳細的掌握各項試驗數據，從“全局”的角度充分理解模型及流場耦合狀態［12］。傳統上，絕大多數空氣動力學數據都是以離散點的形式進行測量，很多時候需要研究人員通過外插擬合等手段對流場結構和狀態進行推斷研究。因此發展先進的全局測量技術，掌握直觀的測量數據，對研究人員分析流場及模型狀態具有重要意義。近年來，光學壓敏漆技術作為一種有效的全局測壓技術越來越成熟，在風洞測壓試驗中的作用越來越明顯［13］。壓敏漆測壓技術是一種利用“氧猝滅”原理建立涂層所受壓力與反射光強之間關系從而進行壓力測量的方法。由于其靈活性大、測量原理先進、不受被測結構制約等優勢而被廣泛應用于表面壓力測量試驗中。相對于傳統測壓方法，光學壓敏漆技術可以測量連續的面，極大地提高了測量壓力數據的空間分辨力。壓敏漆對被測結構要求較低，克服了難分布測壓點的問題［14］。

2.1 壓敏漆測量準確度影響因素

壓敏漆（PSP）的測量準確度問題一直是制約壓敏漆技術發展的主要因素。為提高PSP的測量準確度，目前研究人員主要聚焦于涂料的溫度敏感性和測量靈敏度兩個方面。

溫度敏感性問題是PSP技術的固有缺點，迫使研究人員結合使用PSP和溫度敏感涂料（TSP）來校正模型表面的溫度變化。對于PSP的溫度效應，H.Zare-Behtash等人［15］研究了曼徹斯特大學航空物理實驗室（APL）內部開發的兩種涂料，一種使用鹽酸作為溶劑（PSP-HCl），另一種則采用丙酮作為溶劑（PSP-Ace）。對比兩種PSP配方的特點，發現PSP-HCL型壓敏漆的測量準確度對溫度依賴性較低。與PSP-Ace配方不同，PSP-HCl具有相對較低的溫度敏感性，結合原位校準程序，能夠提供更精確的超音速流場系統表面壓力測量。

針對PSP測試靈敏度問題，Quinn M K等人［16］研究出兩種內部壓敏涂料（PSP）配方，并在低速狀態下測試U形彎曲流場的流動。研究結果表明采用三硫苯基高氯酸釕（Ru（II））和鉑-五氟苯基卟啉（PtTFPP）作為光活性分子，能夠使PSP涂料具有較好的壓力靈敏度。將這一型號壓敏漆應用于低速不可壓流場中能夠很好地捕捉表面壓力特性。

盡管PSP技術目前還存在一定的技術問題（與傳統壓力傳感器相比，PSP的測量準確度有待提升），但是研究人員不斷改進涂料配方和光學測試系統，使PSP測試技術不斷得到優化升級。通過不斷研究新技術，并建立全面的校準系統，未來的PSP技術將更加完善并具有良好的應用前景。

2.2 壓敏漆校準技術

在壓敏涂料中，氧濃度和氧擴散率是影響壓敏漆測量準確度的重要因素，由于溫度會影響探針分子活性和氧擴散率，利用Stern-Volmer原理，壓敏漆發光強度I與對應的壓強p的關系可以表示為

其中，

式中：a為與壓敏漆材料溫度特性相關的系數，可以通過實驗測得；Iref與pref分別為參考光強和參考壓強，與壓敏漆材料相關，可由實驗校準得到。原則上，在實驗室中利用壓力校準腔進行實驗，可以得到PSP光強與壓強對應關系的校準曲線［17］。

相關報告表明，德荷風洞采用校準腔對PSP樣品進行靜態校準，給出PSP靈敏度與壓力和溫度之間的關系。在試驗數據處理中，采集6組圖片：①無風條件下壓力強度圖像；②無風條件下光照強度圖像；③有風條件下壓力強度圖像；④有風條件下光照強度圖像；⑤黑暗條件下壓力強度信號圖像；⑥黑暗條件下光強圖像。

在風洞運行前和運行后分別采集無風條件下的圖像，用來校正由于涂層不均勻引起的測量誤差。黑暗條件下的圖像用于校正由于設備導致的光強噪聲。

目前國際上已經開發了動態校準方法來確定PSP的響應時間［18］。最常見的動態校準裝置是激波管［19-22］，如圖2所示，通過隔膜破碎產生的激波，提供壓力的快速階躍變化。壓力階躍的大小與激波的速度有關，而激波速度取決于驅動段和被動段之間的壓差。在校準過程中，PSP樣品與激波管壁齊平安裝，使激波不受PSP樣品干擾。參考壓力傳感器安裝在激波管的壁面中。用光電倍增管（PMT）采集PSP的發光信號，當激波通過測量點時記錄PSP的響應。或者，利用高速攝像采集全場光強信號［23］。激波管的優勢在于其產生的階躍壓力上升時間非常短，因此能夠較準確地測量響應時間。但是，激波管校準PSP響應時間時，不能同時獲得諸如相位延遲和振幅衰減等頻率響應數據。

圖2 PSP激波管響應時間校準裝置

快開閥是另一個用于產生階躍壓力，以進行PSP響應時間校準的裝置。在給定壓力下，將一個PSP樣品放入一個封閉的試驗腔中，通過迅速打開電磁閥，產生壓力的階躍變化。通常電磁閥的開啟時間約為幾百微秒。電磁閥具有結構簡單、操作方便的優點，但其階躍壓力的上升時間比激波管長，因此校準頻率范圍比較小。

Gregory等人［24］將射流振蕩器（Fluidic Oscillators）用于動態校準。振蕩射流的頻率隨著供給壓力的增加而增加，工作范圍為1～10 kHz。Sakamura等人［25］在此基礎上開發了脈動射流裝置（2002）用于動態校準PSP。射流振蕩器的優點是可以產生高頻動態壓力。當用于動態校準時，可對PSP樣品進行定位，振蕩射流作用于PSP表面，使PSP涂層能夠感應壓力變化。脈動射流裝置利用高速運轉的切割輪盤作為高頻動態壓力源，對射流進行切割，測試PSP樣品的動態響應。脈沖頻率受裝置尺寸、切割槽數量和輪盤轉速的限制，當前校準設備的脈沖頻率限制為1.5 kHz。不同于激波管，這種裝置可以在校準頻率范圍內提供相應的相位和振幅數據。

因為振幅衰減和相位延遲可以作為頻率的函數直接測量，聲學駐波管也被用于PSP的動態校準［26-27］。校準時，PSP樣品涂于駐波管的端蓋，并由高強度激光激發，利用光電倍增管（PMT）采集涂料發光信號。由于沿諧振管長度方向的壓力場是一維的，因此端蓋上的壓力場可以看作是均勻的，并且隨時間變化。通過改變諧振管的長度和直徑，可以改變諧振管的諧振頻率和諧波，從而對PSP進行動態校準。

目前國內的壓敏漆校準技術基本與國外一致，通常采用靜態校準腔的方法進行試驗室校準以及in-situ原位校準，校準腔靜態校準利用激勵光源、校準腔與圖像采集及處理系統等得到壓敏漆樣品的校準曲線。利用激波管測量PSP的響應時間進行動態校準。

西北工業大學的劉波等人［28］以國產壓敏漆涂料為研究對象，利用負壓容器、直流真空泵、直流電源、壓力控制開關和高準確度多功能壓力表和數據采集及處理系統構建了國內首個壓力敏感涂料測量系統，并對涂料進行了校準試驗，相關校準工作分為兩個階段，選取不同的試驗校準壓力點分別檢測了試驗系統的工作性能和壓敏漆熒光強度與壓力對應特性，發現涂料樣件在各測量點的圖像數據經處理與線性回歸后，與實際測量值相對誤差減小5%，而隨著涂料存放時間的延長，由于涂料中光敏分子功能退化，導致涂料光強與壓強特性呈現出非線性變化。2017年中國空氣動力研究與發展中心的林敬周等人［29］對壓敏漆的特性進行研究，提出了將壓敏漆測試技術應用于高超聲速風洞試驗的關鍵技術及解決方法，通過選取耐溫載體基質研制耐溫型壓敏漆，并利用靜態校準及原位In-situ等校準手段得到相應的校準曲線和該型號壓敏漆的溫度特性，初步建立了適用于高超聲速風洞的PSP試驗技術軟硬件平臺。

國內外研究表明，原位校準不確定度主要受PSP的溫度效應和模型變形導致的表面光照變化影響。因此，針對壓敏漆技術的校準工作要集中在壓敏漆溫度效應的研究以及修正模型形變帶來的圖像匹配誤差。

目前，壓敏漆的校準技術還處于不斷發展中，現有的激波管校準技術雖然能夠較直觀地得到動態壓敏漆的上升時間，但是其動態幅頻特性以及動態靈敏度的校準還尚不成熟。而且，目前國際上還沒有建立統一的PSP校準系統。為了更快更好地推廣壓敏漆技術的應用，應深入研究壓敏漆的校準技術，使其更加成熟，試驗數據更加準確可靠。

2.3 壓敏漆校準技術的發展趨勢

通過提高PSP測量準確度，克服靈敏度、溫度依賴性等缺點，未來PSP技術在流場表面壓力測試中起到的作用會越來越大。根據PSP現有的技術水平以及發展趨勢來看，PSP技術將成為未來穩態和非穩態流場試驗中的主要壓力測試手段。因此，系統研究壓敏漆測試準確度影響因素，研究壓敏漆校準方法，建立統一的校準指導規范是未來壓敏漆校準技術發展的重要一步。同時，為了滿足壓敏漆技術高準確度和高效率的測量需求［30］，未來將建立完善的溯源鏈，優化校準方法，推進壓敏漆校準技術向準確化和高效化發展。

3 結語

近年來，我國風洞試驗中壓力測試技術不斷進步，相應的校準技術也需要改進。為提升我國風洞試驗數據的可靠性，未來對風洞測壓試驗的校準要向“準確化、專業化、高效化”方向發展。準確化是指通過研究科學合理的校準方法、數據處理算法及不確定度計算手段，建立完整溯源體系；專業化是指建立風洞測壓試驗校準指南，有針對性地解決風洞試驗壓力測試校準問題；高效化就是要綜合現有技術，提出更多的原位校準方法，在風洞試驗中加入可計量性設計概念，節約校準時間。為實現“準確化、專業化、高效化”的目標，未來風洞測壓試驗校準技術要從以下幾個方面進行改進提升：①建立完善的測壓系統溯源體系，從壓力傳感器到信號放大器以及信號采集設備的校準工作均需溯源至國家最高標準；②為提高校準能力，節約風洞試驗成本，需進一步開展壓力掃描閥原位校準技術研究，建立面向壓力掃描閥的檢定規程；③完善壓敏漆校準技術，建立壓敏漆校準方法和溫度效應校準技術指南；④研究壓敏漆動態特性校準技術，實現對壓敏漆幅頻特性和相頻特性的校準，并建立相關檢定規程。以上改進均能提升測壓試驗數據的可靠性，對風洞試驗具有重要意義。