CN110824190A - 一种测量离子风速度的装置及方法 - Google Patents

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朱涛
王姜博
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Abstract

本发明公开了一种测量离子风速度的装置及方法，该装置包括平衡梁，平衡梁的一端安装有受力平板，承受来自于垂直方向的离子风驱动力作用，从而发生微弱的偏转；安装于平衡梁另一端的激光位移传感器记录平衡梁的位移。利用微型电磁驱动器进行校正，得到微型电磁驱动器输入电压与平衡梁偏转位移之间的线性关系图，从而得到修正因子，进而得到修正后的离子风推进力，再根据离子风推进力与风速的关系计算出有效平均风速。该装置结构简单、占用空间小，能测量更为微小的力，且计算得到的离子风有效平均风速比传统测试方法得到的速度值更为准确。

Description

一种测量离子风速度的装置及方法
技术领域
本发明涉及一种微型力测量装置与方法，具体来说是指一种用于准确测量离子风发生器有效平均风速的装置及方法。
背景技术
近年来，离子风技术在医疗、室内除尘、推进器设计和电子器件散热领域得到越来越多的关注和应用研究。在离子风技术的应用过程中，产生的离子风驱动力和速度大小的测量至关重要。传统的测试离子风速度的装置有皮托管、热线风速仪。然而，这两种方式都只能测量单点的离子风速度大小，无法从整体上系统表征离子风的速度大小；此外，还存在较低风速时无法测量的问题。而诸如激光多普勒测速系统和粒子图像测速系统，虽然能较为精确地测量离子风速度，但测试系统较为复杂，且成本高。因此，亟需寻求一种结构紧凑、操作简单、工作可靠的离子风驱动力和速度大小的测试装置。
发明内容
本发明的目的在于提出一种用于准确测量离子风发生器产生的驱动力和有效平均风速的装置和方法。针对传统离子风测速装置的不足，提出了一种结构紧凑、操作简单、测量准确的离子风速度大小的间接测试装置和方法。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的：
一种测量离子风速度的装置，包括通过止推轴承固定的平衡梁，平衡梁一端与平板连接固定，平衡梁另一端处设有激光位移传感器，平板与离子风发生器的出风口相对，离子风发生器下方设有微型电磁驱动器，且微型电磁驱动器与平板相对，微型电磁驱动器还与触发器信号连接。
上述技术方案中，还包括密封箱，所述触发器、平衡梁、止推轴承、微型电磁驱动器、平板、离子风发生器和激光位移传感器组成测试系统，所述测试系统设置在密封箱中。
上述技术方案中，靠近激光位移传感器的平衡梁下方设有磁性阻尼器。
上述技术方案中，所述离子风发生器的出风口与平板之间的距离小于等于1mm。
上述技术方案中，所述平板的面积大于离子风发生器出风口的截面积。
上述技术方案中，所述激光位移传感器采用数显式，其测试精度为0.5μm。
上述技术方案中，所述平衡梁上加有平衡重，平衡梁内部装有隔振垫。
一种测量离子风速度的方法，测试开始前，利用微型电磁驱动器进行校正，得到微型电磁驱动器输入电流与平衡梁偏转位移之间的线性关系图；开启离子风发生器，平衡梁发生偏转，由激光位移传感器得到平衡梁的位移Δx，从而得到修正后的离子风推进力：
Figure BDA0002230563890000021
根据
Figure BDA0002230563890000022
获取离子风速度；其中L1为微型电磁驱动器与止推轴承之间的距离，L2为离子风发生器在平板上的作用中心与止推轴承之间的距离，修正因子k为线性关系图的斜率倒数，ρ为空气密度，S为离子风发生器出风口处的横截面积。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：
(1)本发明装置中，由激光位移传感器测得的平衡梁的线性位移值，同时由微型电磁驱动器得到修正因子，对离子风推进力进行修正，从而得到较为精确的离子风有效平均风速，克服了传统测试方法只能测量单点速度的缺陷；相对于热线风速仪测速法，得到的风速大小不受粒子荷电的影响，测量结果更为准确；与激光多普勒测速和粒子图像测速相比，装置结构更为简单，且成本大幅降低。
(2)本发明装置的测试原理是基于平衡梁的扭转摆动原理实施的，所测试的参数较少，操作简单，只要通过简单的公式计算既可以得到所需结果。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
图1为本发明一种测量离子风速度的装置结构示意图。
图中：00-触发器；10-平衡梁；20-止推轴承；30-基座；40-微型电磁驱动器；50-平板；60-磁性阻尼器；70-离子风发生器；80-激光位移传感器；90-密封箱。
具体实施方式
有关本发明的详细说明及技术内容，配合图示说明如下，但所附图示仅供参考及说明用，并非对本发明加以限制。
如图1所示一种测量离子风速度的装置，包括：触发器00、平衡梁10、止推轴承20、基座30、微型电磁驱动器40、平板50、磁性阻尼器60、离子风发生器70、激光位移传感器80和密封箱90；触发器00、平衡梁10、止推轴承20、基座30、微型电磁驱动器40、平板50、磁性阻尼器60、离子风发生器70和激光位移传感器80组成测试系统。密封箱90采用透明材料制备而成，整个测试系统置于密封箱90内部，以消除空气扰动对测试结果的影响。基座30固定在密封箱90底部，基座30上固定止推轴承20，止推轴承20上端与平衡梁10中心位置相连接。平衡梁10的材料为质量较轻的铝合金，为确保平衡梁10的两端重量分布均衡，在适当位置添加平衡重；平衡梁10内部装有隔振垫以消除外部振动带来的影响。止推轴承20具有较小的阻尼系数，且在30°转角范围内重复工作时，轴承性能不会发生退化。基座30具有足够的刚度和工作稳定性。平衡梁10的一端与平板50连接固定，固定于密封箱90上的离子风发生器70的出风口正对着平板50；离子风发生器70的正下方为固定在密封箱90上的微型电磁驱动器40，微型电磁驱动器40与平板50相对，微型电磁驱动器40与触发器00信号连接；平衡梁10的另一端处为固定在密封箱90上的激光位移传感器80，激光位移传感器80的测试精度为0.5μm，靠近激光位移传感器80的平衡梁10正下方为固定在密封箱90上的磁性阻尼器60，磁性阻尼器确保平衡梁10在静态时，只在1°以内的转动自由度。离子风发生器70的出风口与平板50之间的距离不大于1mm，以减小离子风的传输距离。离子风发生器70的发射极为钨钢针，接收极为不锈钢网，产生的离子风位于离子风发生器圆柱形空腔内，离子风产生的驱动力垂直作用于平板50；平板50面积大于离子风发生器70出风口的截面积。
测试系统的校正：触发器00向微型电磁驱动器40的载流线圈通入电流，使磁介质和线圈相互作用，产生与电流成正比的电磁力，依据下列公式可得出电磁力的大小：
公式中，B为气隙平均磁通密度，I为通过载流线圈的电流，L为一个线匝的平均长度，W为线圈的总匝数。电磁力可以通过改变载流线圈中的电流进行控制，电磁力使微型电磁驱动器40发生线性的精密位移，微型电磁驱动器40作用于平板50上，使得平衡梁10发生偏移，通过数显式激光位移传感器80测得平衡梁10的位移值。利用激光位移传感器80读取平衡梁10的位移，测量触发器00对微型电磁驱动器40输入电流的大小，大量的数据表明：输入电流与偏转位移之间呈线性关系；将线性关系图的斜率，取倒数为修正因子k。
参照图1，开启离子风发生器70，产生离子风，进而对平板50产生离子风驱动力，在离子风驱动力的作用下，平衡梁10发生一定角度的偏转，由于离子风驱动力很小，平衡梁10角位移也很小，设定平衡梁10的线性位移与角位移一致。数显式激光位移传感器80可以直接读取平衡梁10的位移值，根据以下公式得到修正后的离子风推进力大小：
Figure BDA0002230563890000032
公式中，L1为微型电磁驱动器40与止推轴承20之间的距离，L2为离子风发生器70在平板50上的作用中心与止推轴承20之间的距离；Δx为激光位移传感器80测得的平衡梁10的位移值(线性位移值)。获得离子风推进力后，根据以下公式计算得到较为准确的有效平均风速：
Figure BDA0002230563890000041
公式中，ρ为空气密度，S为离子风发生器70出风口处的横截面积。
以上内容是结合附图对本发明实施例进行的描述，对本发明只起到示意性作用而非限制性作用。因此，本发明并不局限于上述的具体实施方式。本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者同等替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种测量离子风速度的装置，其特征在于：包括通过止推轴承(20)固定的平衡梁(10)，平衡梁(10)一端与平板(50)连接固定，平衡梁(10)另一端处设有激光位移传感器(80)，平板(50)与离子风发生器(70)的出风口相对，离子风发生器(70)下方设有微型电磁驱动器(40)，且微型电磁驱动器(40)与平板(50)相对，微型电磁驱动器(40)还与触发器(00)信号连接。
2.根据权利要求1所述的测量离子风速度的装置，其特征在于：还包括密封箱(90)，所述触发器(00)、平衡梁(10)、止推轴承(20)、微型电磁驱动器(40)、平板(50)、离子风发生器(70)和激光位移传感器(80)组成测试系统，所述测试系统设置在密封箱(90)中。
3.根据权利要求1所述的测量离子风速度的装置，其特征在于：靠近激光位移传感器(80)的平衡梁(10)下方设有磁性阻尼器(60)。
4.根据权利要求1所述的测量离子风速度的装置，其特征在于：所述离子风发生器(70)的出风口与平板(50)之间的距离小于等于1mm。
5.根据权利要求1或5所述的测量离子风速度的装置，其特征在于：所述平板(50)的面积大于离子风发生器(70)出风口的截面积。
6.根据权利要求1所述的测量离子风速度的装置，其特征在于：所述激光位移传感器(80)采用数显式，其测试精度为0.5μm。
7.根据权利要求1所述的测量离子风速度的装置，其特征在于：所述平衡梁(10)上加有平衡重，平衡梁(10)内部装有隔振垫。
8.一种测量离子风速度的方法，其特征在于：测试开始前，利用微型电磁驱动器(40)进行校正，得到微型电磁驱动器(40)输入电流与平衡梁(10)偏转位移之间的线性关系图；开启离子风发生器(70)，平衡梁(10)发生偏转，由激光位移传感器(80)得到平衡梁(10)的位移Δx，从而得到修正后的离子风推进力：
Figure FDA0002230563880000011
根据获取离子风速度；其中L1为微型电磁驱动器(40)与止推轴承(20)之间的距离，L2为离子风发生器(70)在平板(50)上的作用中心与止推轴承(20)之间的距离，修正因子k为线性关系图的斜率倒数，ρ为空气密度，S为离子风发生器(70)出风口处的横截面积。
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