高超声速流场激光测速技术研究进展

高超声速气流条件下飞行器内/外部流动中存在强湍流及脉动、边界层转捩、激波-边界层干扰和高温真实气体效应等耦合效应,表征该非定常流动现象对飞行器气动力、气动热以及目标光电特性等产生的影响是高超声速流动研究中的前沿课题.速度作为表征流动过程最重要的参数之一,准确的速度测量对于深入理解上述复杂流动-传输机理以及高超声速飞行器设计具有重要指导意义.文章针对高超声速流场速度测量中几种常用的非接触式激光测试技术进行了综述,主要包括基于空间法的粒子图像测速,基于激光吸收光谱、激光诱导荧光和瑞利散射的多普勒测速,基于飞行时间法的分子标记测速,以及基于流场折射率的聚焦激光差分干涉测速技术.首先简要介绍每种激光测速技术的基本原理,然后进一步介绍该技术在高超声速自由流、层/湍流边界层、激波/边界层干扰、尾流或其他复杂流动区域的速度及其脉动度测量等方面的典型应用,分析各种技术环境适用性及面临的局限性和挑战.最后对基于激光技术的高超声速流场速度测量进行了总结及发展趋势展望.     

热振联合环境试验技术研究

针对工作在高温叠加振动环境中的飞行器结构进行热振联合环境试验的需要,研究了一种基于激光测量的非接触式热振联合环境试验技术,并基于该技术搭建了一套热振联合环境试验系统对某试验件进行试验,该系统包括振动试验系统和加热试验系统两个独立并行的子系统。试验结果表明,基于非接触式热振联合环境试验技术的热振联合环境试验系统在提供试验件所需振动环境的同时,可以精确地模拟试验件实际使用中的加热过程,具有较好的实用价值。     

基于激光干涉测试技术的分离式Hopkinson压杆实验测试系统

分离式Hopkinson压杆（SHPB）实验的传统测试技术是基于应变片的电测技术,测试结果的可靠性强烈依赖于应变片与杆之间粘贴质量,受到人为因素的影响较大。本文中采用基于多普勒频移原理的双探头全光纤激光干涉测速技术,以粒子速度为监测目标,借助应力波传播理论,换算成试件的应变和应力,从而建立了SHPB实验的非接触光学测试系统。针对韧性和脆性两类材料,分别提出了激光正入射和激光斜入射两种测试技术。再以铝合金和PZT陶瓷为例,通过与传统的应变片测试结果以及DIC测量结果的对比分析,验证了两种测试技术的有效性。与传统的应变片测试技术相比,新的激光干涉测试技术具有免标定、抗干扰、可靠性高等许多优点,有助于实现SHPB实验测试系统标准化。     

基于视频的机械装备全场振动测量研究

本文概述了基于视频的机械装备全场振动测量的研究动态和应用前景. 重点讨论了该技术在两个场景中的独特优势: 大尺寸和处于运动叠加中的装备的振动测量问题, 总结了近几年的最新进展和挑战, 最后简述了该方向的发展趋势.      

使用单彩色相机的单相机三维数字图像相关方法

介绍了一种基于单个彩色相机的新型全靶面、单相机三维数字图像相关(3D-DIC)方法。借助于设计巧妙的颜色分光光路,被测物体表面图像可以通过两条不同的光路达到相机靶面,采集的标定靶和实验件表面的彩色图像可以分离得到蓝色和红色子图像。通过使用3D-DIC分析标定靶和实验件表面分离后的蓝色和红色子图像,可以获得物体表面的三维形貌和变形。形貌测量、面内和离面平移、以及静动态三维变形实验验证了该单彩色相机3D-DIC方法的有效性和测量精准度。由于可避免双相机同步,且能实现无分辨率损失的全靶面三维形貌和变形测量,本文方法在需要实现瞬态位移和变形测量的爆炸、冲击、振动等领域中具有广阔重要的应用前景。     

JBO-9021炸药的冲击起爆Pop关系

采用激光干涉测速技术和高速扫描相机,对新型钝感高能炸药JBO-9021（TATB、HMX和黏结剂的质量分数分别为80%、15%和5%）的冲击起爆Pop关系进行了研究。通过激光干涉测速技术获得了JBO-9021炸药冲击起爆过程中不同光纤探针处（即不同冲击波位置）的粒子起跳瞬时速度,结合未反应炸药的雨贡纽曲线,获得了粒子起跳点的冲击波压力;通过高速扫描相机获得冲击到爆轰距离,结合光纤探针所处位置,得到不同压力下JBO-9021炸药的冲击到爆轰距离,进而拟合出反映JBO-9021炸药冲击起爆性能的Pop关系曲线。结果显示,相对于TATB基PBX9502炸药和HMX基PBX9501炸药,JBO-9021炸药的冲击起爆性能更加优异。     

动态约束下的惯性姿态测量系统分析

分析了动态条件下，载体姿态参数的惯性测量问题。以实际工程应用为背景，推导了运动约束条件下，基于两个激光陀螺，两个加速度计的系统姿态测量模型。根据载体姿态动态变化的不同频谱特性，进行了基于频域分析的算法设计，通过实验验证了算法的可行性。     

超声波的光外差接收

激光接收超声是一种非接触式的超声接收技术，它在超声无损评估及检测领域有重要的应用。本文设计研制了激光外差干涉接收超声的实验系统，该系统由声光调制器产生光频的频移，锁相环进行位相解调。文中重点讨论：（１）在光学部分，外差干涉光路空间准直性对信噪比的影响。（２）在信号处理电路部分，锁相环电路特性分析及其参数确定     

气流流场的高分辨激光光谱法测量

对高分辨率激光光谱技术用于气流流场的测量方法进行了探讨．利用不同波长光波频率的自动扫描进行了静态和动态、单向和相向光的吸收光谱测量,得到了初步的实验结果,并对实验中的关键技术及难点进行了讨论     

干涉条纹图处理的等值线窗口滤波和摄像测量在国防试验的应用

对图像进行滤波或称平滑是干涉条纹图像处理中的一项重要工作。一幅未经处理的原始图像或多或少存在着不同程度的噪声干扰,特别是散斑和Insar干涉条纹图,信噪比很低,难以处理。本文针对光测力学中光学干涉方法得到的条纹图,提出了一种新的滤波方法条纹等值线窗口滤波,并对这种滤波方法进行了研究讨论,提出了几种确定等值线窗口的不同方法。这种滤波方法根据干涉条纹图不同断面上灰度分布的不同特点,选择沿条纹走向的条纹等值线窗口进行滤波,在最大消除条纹图噪声的同时,也能保证对条纹损伤最小。摄像测量技术正在迅速发展和得到广泛应用,在国防试验和航天飞行任务中发挥着不可替代的作用。本文也介绍了作者近年来在该领域所做的应用研究,包括在火箭、导弹发射试验,冲击、碰撞等过程中的动态目标运动测量;针对航天航空和力学工程领域的视频图像实时分析;飞行器三维运动测量;基于投影条纹的物体三维形貌精密测量方法研究;以及对接航天器位置和姿态的实时测量。在这些应用中都实现了高精度测量。     

基于低频动态信息和超声导波的复杂结构损伤的在线诊断技术

在近三十年来,基于各类测试数据对工程结构发展有效的结构损伤在线诊断技术取得了长足的进步,由于该领域的研究成果数量过于庞大,本论文将仅限于对利用结构动态数据进行在线损伤诊断的技术进行介绍和总结。文章主要涵盖了两方面的内容：首先介绍利用结构低频动态信号进行土木、航空航天等领域内的大型复杂结构的各类在线诊断技术,特别重点介绍利用结构低频振动数据信息进行损伤诊断的理论、方法与应用;其次介绍利用结构高频动态信号,进行结构在线损伤诊断与监测的技术,主要详细介绍近十多年来发展起来的超声导波技术及其应用。论文分析和介绍了各类技术的应用范围,及其在不同的情况下使用时的优缺点,并对该领域的未来方法与技术的发展趋势进行了展望。     

PROGRESS IN MEASUREMENT TECHNOLOGY FOR DRILL STRING VIBRATION

随着深井、超深井数量的快速增加, 钻柱振动导致的钻具失效问题更加突出. 针对钻柱振动的研究可分为理论与数值模拟、测量分析两种方法. 由于钻柱振动具有复杂的非线性特征, 使得理论与数值模拟研究受到了很大限制, 因此井下振动测量技术的研究显得尤为重要. 本文比较全面和系统地介绍了国内外钻柱振动测量技术研究现状和进展情况, 并对几个应用较为成熟的国外测量系统的工作原理、分析方法及应用技术进行了详细的综述. 所得结论可为我国井下振动测量技术的发展提供重要参考.     

剪切散斑:一种光学测量技术及其应用

本文综述了剪切散斑测量技术及其成功的应用领域。剪切散斑技术是一种基于激光的全场、非接触表面变形(位移或应变)测量技术,它无需特殊的隔震装置,克服了因参考光束给全息干涉技术所带来的诸多限制。因此,它是用于现场测量的一个有效工具。剪切散斑测量技术已经得到了工业界的普遍认同,尤其是在工业无损检测方面更显示出了它的极大优势,它可以通过识别被诱发的异常变形来显示物体的内部缺陷。剪切散斑的应用还包括应变测量、材料特性表征、残余应力评估、泄漏探测、振动分析和三维形貌测量等。     

Wing characteristics and flapping behavior of flying insects

This paper is concerned with the flapping characteristics and the structure dynamics of insect wings. The flapping behavior of some insects is studied using a threedimensional motion analysis system. The experimental system is composed of two high-speed video cameras, a motion grabber, and a personal computer. The three-dimensional representation of insect flapping can be gained by the system. The extrinsic skeleton vibration produced by insect flapping is examined with the optical displacement detector system. The structural properties of some insect wings are also studied by a three-dimensional, optical shape measurement system. Some functional principles underlying insect wing design are revealed by the measurements of surface roughness and flapping analysis.     

Recent advancement of flow-induced piezoelectric vibration energy harvesting techniques: principles,structures, and nonlinear designs

Energy harvesting induced from flowing fluids (e.g., air and water flows) is a well-known process, which can be regarded as a sustainable and renewable energy source. In addition to traditional high-efficiency devices (e.g., turbines and watermills), the micro-power extracting technologies based on the flow-induced vibration (FIV) effect have sparked great concerns by virtue of their prospective applications as a self-power source for the microelectronic devices in recent years. This article aims to conduct a comprehensive review for the FIV working principle and their potential applications for energy harvesting. First, various classifications of the FIV effect for energy harvesting are briefly introduced, such as vortex-induced vibration (VIV), galloping, flutter, and wake-induced vibration (WIV). Next, the development of FIV energy harvesting techniques is reviewed to discuss the research works in the past three years. The application of hybrid FIV energy harvesting techniques that can enhance the harvesting performance is also presented. Furthermore, the nonlinear designs of FIV-based energy harvesters are reported in this study, e.g., multi-stability and limit-cycle oscillation (LCO) phenomena. Moreover, advanced FIV-based energy harvesting studies for fluid engineering applications are briefly mentioned. Finally, conclusions and future outlook are summarized.

     

高速飞行器中空翼结构高温热振动特性试验研究

远程高速飞行器飞行速度快, 滞空时间长, 飞行过程中翼、舵等结构会出现长时间的剧烈振动, 由气动加热产生的高温还会使飞行器材料和结构的弹性性能发生变化, 从而引起翼、舵等结构振动特性的改变.因此获得高温与振动复合环境下的远程高速飞行器翼、舵等结构的振动特性参数对于高速飞行器的安全设计具有非常重要的意义.将高温热环境试验系统与振动试验系统相结合, 在对中空翼面结构进行振动激励的同时使用红外辐射加热方式对翼面结构生成可控的热环境, 并通过自行设计的耐高温引伸装置将中空翼结构的振动信号传递到非高温区进行数据采集与分析的方式, 实现了高达800℃~900℃的力热复合环境下的翼结构固有频率、模态等振动特性参数的试验测试, 其试验结果为远程高速飞行器中空翼结构在高温振动环境下的动特性分析和安全可靠性设计提供了重要依据.     

大型结构变形监测摄像测量研究进展

桥梁、隧道、舰船等大型结构变形的全场、高精度、动态测量,是其动态性能实验和质量监测的基本要求。摄像测量具有非接触、高精度、可测点多、实时动态测量等特点,在大型结构的变形监测方面有独特的优势。本文介绍了作者所在科研团队近年来利用摄像测量技术在大型结构变形监测方面的研究新成果和典型应用,包括提出位移传递像机串联网络摄像测量方法与技术,用于自动监测高速铁路、隧道等大型结构的路基沉降;研制天线基座变形摄像测量系统,实时、连续、长时间测量我国远望号测量船的天线基座变形等。     

Light scattering: A review of particle characterization applications

This review covers the progress of light scattering applications in the field of particle characterization in the past decade. The review addresses static light scattering (the measurement of scattering intensities due to light–particle interaction at various spatial locations), dynamic light scattering (the measurement of scattering due to light–particle interaction as a function of time), and scattering tracking analysis (the tracking of particle movement through scattering measurement).     

伺服加速度计用于倾角测量的抗振动实验研究

针对伺服加速度计在振动状态下倾角传感测量出现偏差的问题，采用了两种减振方案来减少这个测量偏差。实验研究表明，使用软性发泡材料减振是一种行之有效的方法。     

Three-component velocity field measurement in confined liquid flows with high-speed digital image plane holography

In the last years, several techniques have been developed for the measurement of the three velocity components in a fluid plane or volume. Techniques as stereoscopic particle image velocimetry (SPIV) or tomographic PIV need a complex set-up and present serious restrictions when applied to confined liquid flows. Other like digital holographic PIV has some limitations in the particle concentration that can be measured. In this work, high-speed digital image plane holography has been applied for the measurement of the three velocity components in a complex geometry brain aneurysm model, using a two-cavity high-speed laser, one double frame camera and normal visualization, like in regular PIV. A portable and compact system has been built for adapting the high-speed laser short coherence length to the measurement of larger areas.