CN109489878A - 一种流体压力场测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于压力测量领域，涉及一种流体压力场测量装置及方法。所述的流体压力场测量装置，包括Z方向滑台模组、Y方向滑台模组、X方向滑台模组、龙门架、工作台、PVDF压电薄膜传感器、工件、水箱、载荷放大器、采集卡、计算机和射流喷嘴。龙门架固定在工作台上，龙门架的上端水平固定Y方向滑台模组，Y方向滑台模组与Z方向滑台模组滑动连接且相互垂直；Z方向滑台模组侧面固定射流喷嘴，射流喷嘴的喷射方向垂直向下；X方向滑台模组水平固定在工作台上表面，X方向滑台模组位于龙门架内且与Y方向滑台模组垂直。本发明的装置结构简单稳定，实验数据简单易得，本发明方法中的数学模型计算方便，实用性好。
Description
技术领域
本发明属于压力测量领域，涉及一种流体压力场测量装置及方法。
背景技术
射流技术随着长时间的发展，在加工制造业中逐渐被认可和应用，随着高速摄影、数值模拟、流体显形等先进研究技术的引入，射流技术在加工制造业中得到迅速的发展。射流压力作为加工过程的重要影响因子，不仅影响射流加工过程的稳定性以及加工后工件的表面质量，而且对射流的发生及控制参数的优化起着重要的作用。而传统的流体压力场测量方法存在很多不足，由于射流的特质，在不同截面、同一截面的各处压力会分布不均，而一般的测量方法在测量射流力时通常是将测力仪上的工件开孔，根据要求的精度决定开孔的大小。当射流通过小孔时，会因为阻尼的作用，射流力发生变化，使得测量的射流力小于实际的力。当孔越小时，射流收到的阻尼越大。同时，受机械加工能力的影响，开孔的大小也很难达到精度要求的大小。因此用传统方法测量射流压力场时，力的大小和测量精度都与要求有一定的差距。
本发明克服传统测量方法的缺陷，实现不同喷距射流微米级分辨率下压力的测量。
发明内容
为了克服现有方法存在的以上不足，提供了一种流体压力场测量装置及方法，实现确定要求测量分辨率下压力场的测量。
本发明的技术方案如下：
一种流体压力场测量装置，包括Z方向滑台模组1、Y方向滑台模组2、X方向滑台模组3、龙门架4、工作台5、PVDF压电薄膜传感器6、工件7、水箱8、载荷放大器9、采集卡10、计算机11和射流喷嘴12。
龙门架4固定在工作台5上，龙门架4的上端水平固定Y方向滑台模组2，Y方向滑台模组2与Z方向滑台模组1滑动连接且相互垂直；Z方向滑台模组1侧面固定射流喷嘴12，射流喷嘴12的喷射方向垂直向下；X方向滑台模组3水平固定在工作台5上表面，X方向滑台模组3位于龙门架4内且与Y方向滑台模组2垂直；X方向滑台模组3上表面固定水箱8，水箱8内部由下而上依次设有工件7和PVDF压电薄膜传感器6，用于收集流体循环利用；PVDF压电薄膜传感器6与载荷放大器9、采集卡10和电子计算机11依次连接，实现射流力实验数据的采集。
所述的射流喷嘴12为圆柱形射流喷嘴，其射流为圆形；PVDF压电薄膜传感器6为正方形传感器。PVDF压电薄膜传感器6的正方形面积大于射流喷嘴12的射流圆形面积。
基于流体压力场测量装置的测量方法，步骤如下：
步骤一：将工件7上表面固定PVDF压电薄膜传感器6，启动喷嘴12。
步骤二：移动Z方向滑台模组1，使射流喷嘴12射流冲击PVDF压电薄膜传感器6，通过移动Y方向滑台模组1和X方向滑台模组3改变射流喷嘴12射流冲击PVDF压电薄膜传感器6的面积，使PVDF压电薄膜传感器6所测方形区域的四个角点依次成为射流喷嘴12射流冲击扇形区域的顶点。
进一步的，滑台模组的伺服电机的脉冲当量为360°/224，能实现X,Y方向40nm正方形区域的移动，即能得到最小分辨率为40×40nm的区域的压力场的测量。
通过PVDF压电薄膜传感器6和工作台的X、Y、Z轴的滑台模组移动来获取并记录射流喷嘴12的射流与PVDF压电薄膜传感器6的接触位置、射流半径R、接触角点的坐标系以及压力
实时的射流压力值：
其中，为射流喷嘴12射流与PVDF压电薄膜传感器6冲击扇形区域的压力值。
步骤三，以射流喷嘴12射流截面的圆心为坐标原点，在任意位置用射流喷嘴12射流冲击PVDF压电薄膜传感器6，形成的扇形区域面积计算公式为：
其中：
p1＝a+r+R
p2＝b+r+R
式中：x为射流与压电薄膜传感器冲击扇形截面顶点横坐标，y为射流与压电薄膜传感器冲击扇形截面顶点纵坐标，R为射流截面半径。
使用射流冲击PVDF压电薄膜传感器6，通过X、Y轴的滑台模组移动，使得所测方形区域的四个角点依次成为冲击扇形区域的顶点，获得扇形区域的面积分别为S1，S2，S3，S4。
待测区域的面积：S测＝S1-S2-S4+S3
步骤四，利用差分法计算测量分辨率下的任意位置的压力，如图5所示所测区域面积S测的压力等于以所测方形区域四个角点为顶点的扇形区域压力的代数和：
其中，为以所测方形区域四个角点为顶点的扇形区域的所受压力代数值。
通过所测区域面积S测与压力即可得图5所测区域的压力场的大小。
步骤五，通过重复步骤二到四，获得同一平面压力场的分布。然后通过Z方向滑台模组1调节Z轴，同理Z轴可最小实现40nm的移动。通过Z轴的调节，实现射流喷嘴Z向的移动，即可实现不同高度压力场的精细化测量。
本发明与现有的测量方法相比，优点在于：
针对射流的压力场特性，用数学模型的方法对射流压力场进行计算，可得到任意高度，水平位置微米级分辨率下的压力。同时，数学模型中所需要的参数，简单易得，用简单的实验即可得到；数学模型不需要复杂的计算，简单易行，实用性好。方便对数值模拟结果进行验证，修正数学模型，使数值模拟达到精度要求。
附图说明
图1是射流综合实验装置主视图。
图2是射流综合实验装置俯视图。
图3是压力传感器与射流坐标位置示意图。
图4是任意位置四个角点的压力示意图。
图5是任意位置压力计算的示意图。
图中，1Z方向IAI滑台模组；2Y方向IAI滑台模组；3X方向IAI滑台模组；4龙门架；5工作台；6PVDF压电薄膜传感器；7工件；8水箱；9载荷放大器；10采集卡；11计算机；12射流喷嘴；13PVDF压电传感器；14射流截面。
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容，下面配图进行详细描述：
一种流体压力场测量装置，包括Z方向IAI滑台模组1、Y方向IAI滑台模组2、X方向IAI滑台模组3、龙门架4、工作台5、PVDF压电薄膜传感器6、工件7、水箱8、载荷放大器9、采集卡10、计算机11和射流喷嘴12。
龙门架4固定在工作台5上，龙门架4的顶端水平固定Y方向IAI滑台模组2，Y方向IAI滑台模组2竖直方向与Z方向IAI滑台模组1滑动连接；Z方向IAI滑台模组1表面固定射流喷嘴12，射流喷嘴12的喷射方向垂直向下；X方向IAI滑台模组3固定在工作台5上表面，X方向IAI滑台模组3位于龙门架4内且与Y方向IAI滑台模组2垂直；X方向IAI滑台模组3上表面固定水箱8，水箱8内部由下而上依次设有工件7和PVDF压电薄膜传感器6，用于收集流体循环利用；PVDF压电薄膜传感器6与载荷放大器9、采集卡10和电子计算机11依次连接，实现射流力实验数据的采集。
所述的射流喷嘴12为圆柱形射流喷嘴，其射流为圆形；PVDF压电薄膜传感器6为正方形传感器。PVDF压电薄膜传感器的正方形面积大于射流喷嘴12的射流圆形面积。
基于一种流体压力场测量装置的测量方法，步骤如下：
步骤一：工件7上表面固定PVDF压电薄膜传感器6，启动喷嘴12。
步骤二：移动Z方向IAI滑台模组1，使射流喷嘴12射流冲击PVDF压电薄膜传感器6，通过移动Y方向IAI滑台模组1和X方向IAI滑台模组3改变射流喷嘴12射流冲击PVDF压电薄膜传感器6的面积，使所测方形区域的四个角点依次成为冲击扇形区域的顶点。
进一步的，IAI滑台模组的伺服电机的脉冲当量为360°/224，模组中的丝杠螺距为6mm，经过实测最小可实现X,Y方向40nm正方形区域的移动，即可以得到最小分辨率为40×40nm的区域的压力场的测量。
通过PVDF压电薄膜传感器6和工作台的X、Y、Z轴的IAI滑台模组移动来获取并记录射流喷嘴12的射流与PVDF压电薄膜传感器6的接触位置、射流半径R、接触角点的坐标系以及压力
实时的射流压力值：
其中，为射流喷嘴12射流与PVDF压电薄膜传感器6冲击扇形区域的压力值。
步骤三，以射流喷嘴12射流截面的圆心为坐标原点，在任意位置用射流喷嘴12射流冲击PVDF压电薄膜传感器6，形成的扇形区域面积计算公式为：
其中：
p1＝a+r+R
p2＝b+r+R
式中：x为射流与压电薄膜传感器冲击扇形截面顶点横坐标，y为射流与压电薄膜传感器冲击扇形截面顶点纵坐标，R为射流截面半径。
使用射流冲击PVDF压电薄膜传感器6，通过X、Y轴的IAI滑台模组移动，使得所测方形区域的四个角点依次成为冲击扇形区域的顶点，获得扇形区域的面积分别为S1，S2，S3，S4。
待测区域的面积：S测＝S1-S2-S4+S3
步骤四，利用差分法计算测量分辨率下的任意位置的压力，如图5所示所测区域面积S测的压力等于以所测方形区域四个角点为顶点的扇形区域压力的代数和：
其中，为以所测方形区域四个角点为顶点的扇形区域的所受压力代数值。
通过建立所测区域面积S测与压力的联系，即可得图5所测区域的压力场的大小。
步骤五，通过重复步骤二到四，可获得同一平面压力场的分布。然后通过IAI滑块模组1调节Z轴，同理Z轴可最小实现40nm的移动。通过Z轴的调节，可实现射流喷嘴Z向的移动，即可实现不同高度压力场的精细化测量。
Claims (3)
1.一种流体压力场测量装置，其特征在于，包括Z方向滑台模组(1)、Y方向滑台模组(2)、X方向滑台模组(3)、龙门架(4)、工作台(5)、PVDF压电薄膜传感器(6)、工件(7)、水箱(8)、载荷放大器(9)、采集卡(10)、计算机(11)和射流喷嘴(12)；
龙门架(4)固定在工作台(5)上，龙门架(4)的上端水平固定Y方向滑台模组(2)，Y方向滑台模组(2)与Z方向滑台模组(1)滑动连接且相互垂直；Z方向滑台模组(1)侧面固定射流喷嘴(12)，射流喷嘴(12)的喷射方向垂直向下；X方向滑台模组(3)水平固定在工作台(5)上表面，X方向滑台模组(3)位于龙门架(4)内且与Y方向滑台模组(2)垂直；X方向滑台模组(3)上表面固定水箱(8)，水箱(8)内部由下而上依次设有工件(7)和PVDF压电薄膜传感器(6)，用于收集流体循环利用；PVDF压电薄膜传感器(6)与载荷放大器(9)、采集卡(10)和电子计算机(11)依次连接，实现射流力实验数据的采集；
所述的射流喷嘴(12)为圆柱形射流喷嘴，其射流为圆形；PVDF压电薄膜传感器(6)为正方形传感器；PVDF压电薄膜传感器(6)的正方形面积大于射流喷嘴(12)的射流圆形面积。
2.根据权利1所述的基于流体压力场测量装置的测量方法，其特征在于，步骤如下：
步骤一：将工件(7)上表面固定PVDF压电薄膜传感器(6)，启动喷嘴(12)；
步骤二：移动Z方向滑台模组(1)，使射流喷嘴(12)射流冲击PVDF压电薄膜传感器(6)，通过移动Y方向滑台模组(1)和X方向滑台模组(3)改变射流喷嘴(12)射流冲击PVDF压电薄膜传感器(6)的面积，使PVDF压电薄膜传感器(6)所测方形区域的四个角点依次成为射流喷嘴(12)射流冲击扇形区域的顶点；
通过PVDF压电薄膜传感器(6)和工作台的X、Y、Z轴的滑台模组移动来获取并记录射流喷嘴(12)的射流与PVDF压电薄膜传感器(6)的接触位置、射流半径R、接触角点的坐标系以及压力
实时的射流压力值：
其中，为射流喷嘴(12)射流与PVDF压电薄膜传感器(6)冲击扇形区域的压力值；
步骤三，以射流喷嘴(12)射流截面的圆心为坐标原点，在任意位置用射流喷嘴(12)射流冲击压电薄膜传感器(6)，通过X、Y轴的滑台模组移动，使得所测方形区域的四个角点依次成为冲击扇形区域的顶点，获得扇形区域的面积分别为S1，S2，S3，S4；
待测区域的面积：S测＝S1-S2-S4+S3
步骤四，利用差分法计算测量分辨率下的任意位置的压力，则所测区域面积S测的压力等于以所测方形区域四个角点为顶点的扇形区域压力的代数和：
其中，为以所测方形区域四个角点为顶点的扇形区域的所受压力代数值；
通过所测区域面积S测与压力即可得所测区域的压力场的大小；
步骤五，通过重复步骤二到四，获得同一平面压力场的分布；通过Z方向滑台模组(1)调节Z轴，通过Z轴的调节，实现射流喷嘴Z向的移动，即实现不同高度压力场的精细化测量。
3.如权利要求2所述的测量方法，其特征在于，所述的滑台模组的伺服电机的脉冲当量为360°/224，能实现X,Y方向40nm正方形区域的移动，即能得到最小分辨率为40×40nm的区域的压力场的测量。
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| CN109489878B (zh) | 2020-07-24 |
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