CN110208571B - 气体静压主轴气膜速度场测试装置 - Google Patents

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Abstract

一种气体静压主轴气膜速度场测试装置，包括气体检测部分和气体静压主轴及供气部分，所述气体检测部分采用多普勒OCT结构，包括宽带相干光源、信号采集处理系统、参考臂，参考镜、50/50分束器、样品臂和检测探针，所述的宽带相干光源利用光纤与50/50分束器的输入端口相连，50/50分束器的两个输出端口分别以光纤连接，构建所述的样品臂与参考臂，参考臂将光束引导至参考镜前，检测探针位于样品臂上，信号采集处理系统利用光纤与50/50分束器的反射端口相连，所述检测探针放入气体静压主轴及供气部分的倾斜细孔内，检测探针密封固定于倾斜细孔内。本发明结构简单，适用范围广泛的气体静压主轴气膜速度场测试装置。

Description

气体静压主轴气膜速度场测试装置
技术领域
本发明主要涉及微气体流体流速检测领域，尤其涉及气体静压主轴气膜速度场测试系统。
背景技术
气体静压主轴是一种采用空气作为润滑介质的轴承，其具有转速和回转精度高、振动和噪声小、使用寿命长、摩擦功耗小的优点。气体静压主轴可以有效地保障超精密机床的加工精度，是目前超精密机床中不可或缺的核心部件。然而对于静压主轴内部气膜流速的测量依然存在诸多问题无法解决。
由于气体静压主轴内部环境的特殊性，非接触式测量是少数可采用的方法。气体流速的非接触式测量方法主要包括了激光多普勒测量法与粒子图像测速法(PIV)。激光多普勒测量法通过激光照射大气中的高散射粒子(气溶胶)，接受后向散射并通过所照射粒子产生的多普勒偏移来得到高散射粒子的流速，进而得到气体本身的流速。同时多普勒OCT作为一种传统OCT的衍生，常常用于测量血液流速。该系统原理与激光多普勒测速类似，都是通过高散射粒子(血液中的红细胞)来完成测速目标。多普勒OCT的光纤探头可以很好地适应气体静压主轴气膜速度场测量时的狭小环境，缺点在于多普勒OCT并没有对微气体流速测量的先例，因为在多数气体环境中并没有足够多的高散射粒子。
粒子图像测速法通过在流体中人为撒播高散射的示踪粒子，利用CCD相机对流体区域内示踪粒子的位置进行拍摄，并通过互相关运算得到流速的分布。这种测量方法的好处在于这是一种全局测量，可以得到流体的全局速度场分布，缺点是CCD相机难以胜任气体静压主轴内部的狭小环境。尽管在PIV技术的发展中出现过一种用于微流体测量的micro-PIV技术，但是这种技术目前也仅应用于液体流速的测量中。
总之，目前所拥有的各类检测手段对于气体静压主轴内部气膜流速的测量存在困难。
发明内容
为了填补目前气体静压主轴气膜速度场测量中PIV技术难以适应测量的狭窄环境、而多普勒OCT系统无法完成气膜流速测量的问题，本发明结合两者特点，提供了一种结构简单，适用范围广泛的气体静压主轴气膜速度场测试装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种气体静压主轴气膜速度场测试装置，包括气体检测部分和气体静压主轴及供气部分，所述气体检测部分采用多普勒OCT结构，所述气体检测部分包括宽带相干光源、信号采集处理系统、参考臂、参考镜、50/50分束器、样品臂和检测探针，所述的宽带相干光源利用光纤与50/50分束器的输入端口相连，50/50分束器的两个输出端口分别以光纤连接，构建所述的样品臂与参考臂，参考臂将光束引导至参考镜前，检测探针位于样品臂上，信号采集处理系统利用光纤与50/50分束器的反射端口相连，所述检测探针放入气体静压主轴及供气部分的倾斜细孔内，检测探针密封固定于倾斜细孔内。
进一步，所述气体静压主轴及供气部分包括上止推盘、主轴、下止推盘、轴套、多组轴向和径向节流孔、气室外套、进气口、倾斜细孔、示踪粒子、示踪粒子存储腔、主气泵、次气泵和阀门。所述的上止推盘、下止推盘分别与所述主轴的上下两端面同轴密封固接，共同形成用于容纳轴套的凹腔，轴套套在主轴外部，轴套与凹腔之间的间隙作为气膜的容纳腔；轴套的外壁设有用于容纳气室外套的凹槽，轴套外部套装气室外套，并且凹槽的上下槽壁分别与气室外套上下两端面密封固接，轴套上设置有多组轴向径向节流孔，气室外套的壁面上设有进气孔，倾斜细孔与气膜流向所成夹角为θ，示踪粒子存储于示踪粒子存储腔内，主气泵位于供气系统的干路上，次气泵通过管道依次与示踪粒子存储腔、阀门相连，形成供气系统支路。
进一步，所述的示踪粒子包括但不限于聚苯乙烯、氧化铝粉末、氧化钛粉末和实心玻璃微球体。
所述的多普勒OCT结构包括但不限于时域OCT、谱域OCT、扫频OCT和共路OCT。
再进一步，所述的示踪粒子会采用一定方式提高其散射效果，包括但不限于镀膜或量子点固定于示踪粒子表面。
本发明的技术构思为：1)利用在气膜中添加高散射示踪粒子的方法，可以让原本只适用于测量血液流速的多普勒OCT系统，用于测量气膜速度场。2)多普勒OCT的微小探头结构可以在对气体静压主轴伤害尽可能小的前提下完成对气膜速度场的测量。
本发明的有益效果主要表现在：1)该测量方式为一种非接触测量，探头不会直接影响到原有的气膜速度场。2)利用多普勒效应测量气体流速的方式对气体本身有一定的要求，本方法通过选择具有高散射的气体粒子实现。3)传统的多普勒OCT仅用于完成液体流速测量的工作，而本发明可以让多普勒OCT完成对气膜流速的测量。4)粒子图像测速技术由于其系统结构问题，无法在过于狭小的环境内进行测量，而本发明可以在狭小环境内完成测速任务。
附图说明
图1是气体静压主轴气膜速度场测试装置的示意图。
图2是气体静压主轴及供气部分示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1和图2，一种气体静压主轴气膜速度场测试装置，包括气体检测部分和气体静压主轴及供气部分，气体检测部分采用多普勒OCT结构，所述气体检测部分包括宽带相干光源101,50/50分束器102、参考臂103、参考镜104、信号采集处理系统105、样品臂106和检测探针107，其中宽带相干光源101利用光纤与50/50分束器102的输入端口相连。50/50分束器102的两个输出端口分别以光纤连接，构建所述的参考臂103与样品臂106，参考臂103将光束引导至参考镜104前，检测探针107位于样品臂106上。信号采集处理系统105利用光纤与50/50分束器102的反射端口相连。所述检测探针107与其部分光纤放入气体静压主轴及供气部分的倾斜细孔206内，检测探针107通过特定材料密封固定于倾斜细孔206内。
参照图2，气体静压主轴及供气部分示意图，包括上止推盘201、主轴202、下止推盘203、轴套204、多组轴向和径向节流孔2041、气室外套205、进气口2051、倾斜细孔206、示踪粒子存储腔208、示踪粒子209、阀门210、主气泵2111和次气泵2112。
所述的上止推盘201，下止推盘203分别与所述主轴202的上下两端面同轴密封固接，共同形成用于容纳轴套的凹腔，轴套204套在主轴202外部，轴套204与凹腔之间的间隙作为气膜207的容纳腔；轴套204的外壁设有用于容纳气室外套205的凹槽，轴套204外部套装气室外套205，并且凹槽的上下槽壁分别与气室外套上下两端面密封固接，轴套204上设置有多组轴向径向节流孔2041，气室外套205的壁面上设有进气孔2051。倾斜细孔206与气膜流向所成夹角为θ。示踪粒子209存储于示踪粒子存储腔208内。主气泵2111位于供气系统的干路上，次气泵2112通过管道依次与示踪粒子存储腔208、阀门210相连，形成供气系统支路。
进一步，所述的示踪粒子209包括但不限于聚苯乙烯，氧化铝粉末、氧化钛粉末、实心玻璃微球体。所述的多普勒OCT结构包括但不限于时域OCT、谱域OCT、扫频OCT、共路OCT。
再进一步，所述的示踪粒子209会采用一定方式提高其散射效果，包括但不限于镀膜，量子点固定于示踪粒子表面。
参照图1，气体静压主轴气膜速度场测量的检测系统部分的原理：首先宽带光源101输入信号经过50/50分束器102时，分束为两束。一束通过参考镜104反射会分束器102内，一束通过检测探针107照射到气膜207内的示踪粒子209上。这种照射随后会产生带有多普勒频移的后向散射，该部分光束重新返回分束器102中，并经过信号采集处理系统105进行处理，即可得到该粒子的多普勒频移fD。由公式可知，当角度θ确定时，即可推算出该示踪粒子209在气体中的速度分布，其中λ为介质中光波长，进而可以得到气体静压主轴内部气膜207的整体速度场。
参照图2，气体静压主轴及供气部分工作原理如下：主气泵2111为气体静压主轴提供气体，次气泵2112与阀门210共同控制示踪粒子209的撒播，阀门210打开时，次气泵2112启动，吹动部分示踪粒子209进入气体中，随后阀门210关闭，以防止过多的示踪粒子进入，干扰测试或损害装置。该部分气体通过进气口2051进入气室内，随后气体通过多组的轴向和径向节流孔2041，形成高压气膜207，实现气浮效果的同时会使气膜中含有示踪粒子209。示踪粒子209被固定于倾斜细孔206处的检测探针107照射，完成测量。

Claims (2)

1.一种气体静压主轴气膜速度场测试装置，其特征在于，所述装置包括气体检测部分和气体静压主轴及供气部分，所述气体检测部分采用多普勒OCT结构，所述气体检测部分包括宽带相干光源、信号采集处理系统、参考臂，参考镜、50/50分束器、样品臂和检测探针，所述的宽带相干光源利用光纤与50/50分束器的输入端口相连，50/50分束器的两个输出端口分别和光纤连接，构建所述的样品臂与参考臂，参考臂将光束引导至参考镜前，检测探针位于样品臂上，信号采集处理系统利用光纤与50/50分束器的反射端口相连，所述检测探针放入气体静压主轴及供气部分的倾斜细孔内，检测探针密封固定于倾斜细孔内；
所述气体静压主轴及供气部分包括上止推盘、主轴、下止推盘、轴套、多组轴向和径向节流孔、气室外套、进气口、倾斜细孔、示踪粒子、示踪粒子存储腔、主气泵、次气泵和阀门，所述的上止推盘，下止推盘分别与所述主轴的上下两端面同轴密封固接，共同形成用于容纳轴套的凹腔，轴套套在主轴外部，轴套与凹腔之间的间隙作为气膜的容纳腔；轴套的外壁设有用于容纳气室外套的凹槽，轴套外部套装气室外套，并且凹槽的上下槽壁分别与气室外套上下两端面密封固接，轴套上设置有多组轴向径向节流孔，气室外套的壁面上设有进气孔，倾斜细孔与气膜流向所成夹角为θ，示踪粒子存储于示踪粒子存储腔内，主气泵位于供气系统的干路上，次气泵通过管道依次与示踪粒子存储腔、阀门相连，形成供气系统支路；
所述的多普勒OCT结构为时域OCT、谱域OCT、扫频OCT或共路OCT，镀膜或量子点固定于所述示踪粒子表面。
2.如权利要求1所述的气体静压主轴气膜速度场测试装置，其特征在于，所述的示踪粒子为聚苯乙烯、氧化铝粉末、氧化钛粉末或实心玻璃微球体。
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