CN105675257B - 一种多孔介质动-压转换特性测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多孔介质动‑压转换特性测量装置，其中顶盖和基座相匹配；顶盖的底面与基座的顶面上均开设一个圆环凹槽，顶盖的底面与基座的顶面贴合固定后，两个环形凹槽相匹配组合成液体流通槽；顶盖的顶面对称分布有两个注液管安装孔，注液管安装孔接通液体流通凹槽；基座底部绕基座一周开设有转台安装槽；多孔介质圆片垂直于顶盖与基座的交界面安装在液体流通槽内，多孔介质圆片两侧对称设置有两个软管接口；基座通过转台安装槽安装至高精度角运动转台；注液管连接至两个注液管安装孔上；软管接口通过软管接头连接压力传感器；软管接头为倒勾接头；压力传感器连接至控制电路。该装置能够对动‑压转换过程进行动态测量，信号信噪比高。

Description

一种多孔介质动-压转换特性测量装置

技术领域

本发明属于多孔介质技术领域，具体涉及一种多孔介质动-压转换特性测量装置。

背景技术

基于流体惯性质量的测量方法是近年来发展起来的一种针对线加速度、角加速度、角速度等进行直接测量的方法。该方法是将液体作为惯性质量，将其封闭在一段闭合的流通管路内，并在管路内固定一个片状多孔介质。当外界有运动信号时，闭合管路随之产生运动，管路内的工作液体相对于管路产生相对运动，从而在多孔介质两端产生压强差。该压强差作用在多孔介质上，发生动电现象，从而输出电势差。

从上述分析可见，动-压转换过程，也就是外界运动信号与多孔介质两端压强差的转换过程，是基于流体惯性质量测量方法的关键一步，为此需要对该过程的转换特性进行细致研究。然而，目前对于动-压过程的测量与研究，主要集中在静态条件下，对于频率响应等动态特性的测量没有一个适用的仪器和方法。此外，由于动-压信号较为微弱，目前的信号测量方法存在低信噪比问题，测量结果可靠性不高。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种多孔介质动-压转换特性测量装置，能够对动-压转换过程进行动态测量，信号信噪比高。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：一种多孔介质动-压转换特性测量装置，包括顶盖、基座、注液管、多孔介质圆片、压力传感器、控制电路以及高精度角运动转台。

顶盖和基座相匹配；顶盖的底面与基座的顶面上均开设一个环形凹槽，顶盖的底面与基座的顶面贴合固定后，两个环形凹槽相匹配组合成液体流通槽；顶盖的顶面对称分布有两个注液管安装孔，注液管安装孔接通所述液体流通槽。

所述基座底部绕基座一周开设有转台安装槽。

所述多孔介质圆片垂直于顶盖与基座的交界面安装在所述液体流通槽内，多孔介质圆片两侧对称设置有两个软管接口；基座通过转台安装槽安装至所述高精度角运动转台；所述注液管连接至所述两个注液管安装孔上；所述软管接口通过软管接头连接压力传感器；所述软管接头为倒勾接头；压力传感器连接至控制电路。

进一步地，顶盖和基座的内边缘和外边缘处均对应开设安装孔，用于二者相对固定安装。

进一步地，基座的顶面上、液体流通槽的两侧同心圆处开设有两个密封圈凹槽，所述密封圈凹槽截面为圆角矩形。

进一步地，多孔介质圆片由玻璃微珠烧结生成，为薄圆片结构；所述压力传感器为压差传感器，用于测量多孔介质圆片两侧的压力差。

进一步地，控制电路包括顺次相连的信号滤波电路、信号衰减电路、信号采集电路、控制器和存储电路；

所述信号滤波电路用于滤除压力传感器的输出信号中的工频等噪声；

所述信号衰减电路用于将压力传感器的输出信号衰减到信号采集电路可以接受的范围内。

所述信号采集电路用于将压力传感器的输出信号进行模拟-数字转换，获得数字信号。

所述控制器用于控制所述数字信号的读取、解算和存储；所述控制器包含串口通信接口。

所述存储电路采用MicroSD卡，存储电路与控制器通过SDIO模式连接。

有益效果：

(1)本发明实现了动态条件下，动-压转换过程特性的测量，对于动-压转换过程的研究、乃至基于流体惯性质量的测量方法的研究有很大帮助。

(2)本发明的多孔介质动-压转换特性测量系统便于安装和拆卸，可以对不同的多孔介质圆片进行动-压转换特性测量，便于研究多孔介质圆片对动-压转换特性的影响。

(3)本发明可以设计不同的结构参数，多组测量机构进行实验，便于研究结构参数对动-压转换特性的影响。

(4)本发明对传感器信号进行了信号处理，提高了信号的信噪比。

附图说明

图1为多孔介质动-压转换特性测量系统的结构示意图；

图2为多孔介质动-压转换特性测量系统的组成示意图；

图3为图2中顶盖的结构示意图。

图4为图2中基座的上视图。

图5为图2的A-A剖视图。

其中，11-注液管、12-顶盖、13-基座、14-压力传感器、15-橡胶软管、16-注液管安装孔、17-安装孔、18-多孔介质安装槽、19-软管接头、20-液体流通槽、21-密封圈凹槽、22-转台安装槽、23-多孔介质圆片。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本实例提供一种多孔介质动-压转换特性测量装置，该装置能够对动-压转换过程进行动态测量，信号信噪比高。

多孔介质动-压转换特性测量系统如图1所示，由顶盖、基座、注液管、多孔介质圆片、压力传感器、控制电路以及高精度角运动转台。

本实施例中高精度角运动转台用于提供角运动基准，包括角速度基准和角加速度基准。其中能够完成角速度基准和角加速度基准提供的高精度角运动转台均可。

顶盖12和基座形状一致、均为圆环形结构；顶盖的底面与基座的顶面贴合固定，二者的交接型面上绕圆环圆心一周开设有液体流通槽；液体流通槽内垂直于交接型面开有固定槽，固定槽两侧对称设置有两个软管接口；顶盖的顶面对称分布有两个注液管安装孔，注液管安装孔接通液体流通槽。

基座底部绕基座一周开设有转台安装槽22。

多孔介质圆片安装在固定槽内，基座通过转台安装槽22安装至高精度角运动转台；注液管连接至两个注液管安装孔上；软管接口通过软管接头19连接压力传感器；软管接头为倒勾接头；压力传感器连接至控制器。

本实施例中，顶盖12为圆环形结构，如图3所示，本实施例中为便于安装，在顶盖12的两端各开有20°的缺口，实际实施时也可以采用其他方式进行安装。顶盖内外边缘均设置基座安装孔。本实施例中给出了一种具体的实施方式，即：顶盖12外边缘对称分布有六个安装孔17，内边缘对称分布有四个安装孔17，使用螺丝与基座13固连，便于安装和拆卸；实际上顶盖上的基座安装孔数量可以视情况设定。

顶盖12正面对称分布有两个注液管安装孔16，用于插入注液管11，注液管11插入后，需要保证注液管11与注液管安装孔16同轴；顶盖12底面有上液体流通凹槽，上液体流通凹槽截面为半圆形；上液体流通凹槽内开有上固定槽，用于固定多孔介质圆片23；上固定槽两侧对称设置有两个软管接口，用于连接压力传感器14。软管接头19为倒勾接头。

本实施例中，基座13为圆环形结构，如图4所示，为便于安装，在基座13的两端各开有20°的缺口，实际实施时也可以采用其他方式进行安装。基座内外边缘均设置顶盖安装孔。本实施例中给出了一种具体的实施方式，即：基座13外边缘对称分布有六个安装孔17，内边缘对称分布有四个安装孔17，使用螺丝与顶盖12固连，便于安装和拆卸；基座13正面有下液体流通凹槽和密封圈凹槽21，下液体流通凹槽截面为半圆形，密封圈凹槽21截面为圆角矩形；该下液体流通凹槽与顶盖12的上液体流通槽20共同组成液体闭合流动通路；基座13底部有一圆环形安装槽22，使用压片将基座13与高精度角运动转台固连；下液体流通凹槽内开有下固定槽，该下固定槽与顶盖12的上固定槽共同作用，固定多孔介质圆片23，如图5所示。

注液管11为圆柱形管状结构，共两件，用于向液体流通槽注水。

本实施例中多孔介质圆片23由玻璃微珠烧结生成，微珠直径范围为30～50μm，圆片直径10mm，厚度1mm。

本实施例中压力传感器14的型号为MPXV7002芯片，用于测量多孔介质圆片23两侧的压力差；压力传感器14用橡胶软管15与软管接头19连接，输出信号连接至信号处理电路的输入。

最终组成的结构如图2所示。

控制电路如图1所示，由信号处理电路、控制器、存储电路和电源组成。

控制电路中的信号处理电路包括信号滤波电路、信号衰减电路、信号采集电路；信号滤波电路采用3阶的Butterworth滤波器，用于滤除信号中的工频等噪声；信号滤波电路的输入连接压力传感器14的输出；信号衰减电路采用运放反向衰减电路，运放为OP07芯片，用于将传感器信号衰减到信号采集电路可以接受的输入；信号衰减电路的输入连接信号滤波电路的输出；信号采集电路采用24位AD转换器，AD转换器为ABS1256芯片，用于将传感器的模拟信号转换为数字信号；信号采集电路的输入连接信号衰减电路的输出，信号采集电路的输出连接控制器的数字输入端。

控制电路中的控制器芯片的型号为基于ARM-CortexM4架构的STM32F407芯片。STM32F407芯片包含串口通信接口，可与上位机或其他控制器进行通信。

控制电路中的存储电路采用容量4Gb的MicroSD卡，存储电路与控制器通过SDIO模式连接。

控制电路中的电源提供信号处理电路、控制器和存储电路所需的电源，包括±15V直流电源、﹢5V直流电源和﹢3.3V直流电源。总电源采用11.1V锂电池供电，也可采用USB供电。此外还设计了限流保护电路，安全可靠。

基于上述多孔介质动-压转换特性测量系统，可以进行多孔介质动-压转换特性测量实验，它的具体过程为：

步骤一：将多孔介质圆片样品23置于基座13正面液体流通槽中的多孔介质安装槽18，使其垂直于基座13底面，且垂直于多孔介质安装槽18处切线；随后利用橡胶软管15连接顶盖12的软管接头19和压力传感器14，并确保橡胶软管15内干燥；然后将直径1.5mm的密封圈安装在基座的密封圈凹槽21内，用螺钉将顶盖12与基座13固连，确保多孔介质圆片样片23保持直立；最后用注射器从两个注液管11向液体流通槽内注水，需要保证凹槽内注满水，不存在气泡。

步骤二：利用基座13上的安装槽22，将多孔介质动-压转换特性测量机构固连在高精度角运动转台上，保证多孔介质动-压转换特性测量机构在工作时与高精度角运动转台没有相对移动。

步骤三：利用高精度角运动转台产生角运动基准，采用扫频法，频率范围从0.5Hz～100Hz，每个频率点进行一组实验。高精度角运动转台的运动信息，包括角速度ω和角加速度通过高精度角运动转台控制程序获得。

步骤四：在每个频率点的实验中，利用多孔介质动-压转换特性测量系统获得多孔介质圆片23两侧的压力差ΔP，具体过程为：

压力传感器14输出与信号滤波电路输入连接，去除工频等噪声的影响；信号滤波电路的输出与信号衰减电路的输入连接，使信号衰减到信号采集电路可以接受的输入；信号衰减电路的输出与信号采集电路的输入连接，进行A/D转换；信号采集电路的输出与控制器的数字输入端连接，在控制器中将数字量转换为多孔介质圆片23两侧的压力差ΔP；存储电路与控制器连接，以200Hz的频率将ΔP存入MicroSD卡。

步骤五：综合步骤三和步骤四获得的角速度ω、角加速度和多孔介质圆片23两侧压力差ΔP，即得到多孔介质的动-压转换特性。

多孔介质动-压转换特性测量机构安装与拆卸方便，可以方便的更换不同的多孔介质圆片23进行动-压转换特性测量，以研究多孔介质圆片对动-压转换特性的影响。

多孔介质动-压转换特性测量机构制作便捷，成本低，针对基座13的直径、液体流通槽的直径和内径等尺寸参数，可以制作多个测量机构进行动-压转换特性测量，以研究多孔介质圆片对动-压转换特性的影响。

综上，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种多孔介质动-压转换特性测量装置，其特征在于，包括顶盖(12)、基座、注液管、多孔介质圆片、压力传感器、控制电路以及高精度角运动转台；

所述顶盖(12)和基座相匹配；顶盖的底面与基座的顶面上均开设一个环形凹槽，顶盖的底面与基座的顶面贴合固定后，两个环形凹槽相匹配组合成液体流通槽；顶盖的顶面对称分布有两个注液管安装孔，注液管安装孔接通所述液体流通槽；

所述基座底部绕基座一周开设有转台安装槽(22)；

所述多孔介质圆片垂直于顶盖与基座的交界面安装在所述液体流通槽内，多孔介质圆片两侧对称设置有两个软管接口；基座通过转台安装槽(22)安装至所述高精度角运动转台；所述注液管连接至所述两个注液管安装孔上；所述软管接口通过软管接头(19)连接压力传感器；所述软管接头为倒勾接头；压力传感器连接至控制电路。

2.如权利要求1所述的一种多孔介质动-压转换特性测量装置，其特征在于，所述顶盖(12)和基座的内边缘和外边缘处均对应开设安装孔，用于二者相对固定安装。

3.如权利要求1所述的一种多孔介质动-压转换特性测量装置，其特征在于，所述基座的顶面上、液体流通槽的两侧同心圆处开设有两个密封圈凹槽，所述密封圈凹槽截面为圆角矩形。

4.如权利要求1所述的一种多孔介质动-压转换特性测量装置，其特征在于，所述多孔介质圆片由玻璃微珠烧结生成，为薄圆片结构；所述压力传感器为压差传感器，用于测量多孔介质圆片两侧的压力差。

5.如权利要求1所述的一种多孔介质动-压转换特性测量装置，所述控制电路包括顺次相连的信号滤波电路、信号衰减电路、信号采集电路、控制器和存储电路；

所述信号滤波电路用于滤除压力传感器的输出信号中的工频噪声；

所述信号衰减电路用于将压力传感器的输出信号衰减到信号采集电路可以接受的范围内；

所述信号采集电路用于将压力传感器的输出信号进行模拟-数字转换，获得数字信号；

所述控制器用于控制所述数字信号的读取、解算和存储；所述控制器包含串口通信接口；

所述存储电路采用MicroSD卡，存储电路与控制器通过SDIO模式连接。