CN111795770A - 一种用于测量流体脉冲动压的压强探针 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于测量流体脉冲动压的压强探针，用于测量脉冲形式的高速流动介质的局部压强，采用密封压电陶瓷的方式实现接触式压力参数测量，与传统的压力传感器相比，尺寸小，不仅能实现可变换测点的便携式探针，还能保证压强探针尽可能小地影响被测介质的流动，避免产生压缩波。通过将导电银胶涂抹在玻璃管端面上的方式密封粘合压电陶瓷，可以大大增加电导率，保证微弱的压电信号的高信噪比。采用将导电银漆涂抹在玻璃管内壁上的方式引出电压信号，与传统的导线相比，不仅可以保证压电陶瓷密封良好，还能保证引出的电压信号的高信噪比。选用质地坚硬的石英玻璃片与来流介质接触，具有很好的抗压、耐磨性能，可以保证压强探针的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及流体力学测量技术领域，尤其涉及一种用于测量流体脉冲动压的压强探针。
背景技术
接触式测量是利用被测介质与测量物体接触、碰撞之后产生相互作用，根据相应的作用机理和计算模型获得被测介质特性参数的方法。接触式测量方法具有高空间分辨、可标定以及高精度等优势，在流体领域和等离子体诊断领域具有广泛的应用，例如Langmuir探针、法拉第探针和阻滞能量分析仪等。目前，接触式探针的测量方法已被广泛应用于流体、磁流体和燃烧等测量领域。
传统的探针通常是静电式的，测量参数一般为微观的等离子参数，例如电子温度、电流密度和离子数密度等，其对宏观参数的测量是十分有限的。然而，不论是在任何领域，压强都是至关重要的一个宏观参数。因此，测量高速流动介质的局部动压需要克服高频、强干扰和信号强度低等挑战。目前还没有专门针对高速流动介质测量局部压强的接触式探针。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种用于测量流体脉冲动压的压强探针，用以通过探针形式接触式测量脉冲形式的高速流动介质的局部压强。
因此，本发明提供了一种用于测量流体脉冲动压的压强探针，包括：石英玻璃片、压电传感器、玻璃管、聚四氟活塞、接线柱正极以及接线柱负极；其中，
所述压电传感器包括压电陶瓷以及分别位于所述压电陶瓷正反两面的压电陶瓷正极和压电陶瓷负极；
所述压电传感器位于所述玻璃管内，所述压电陶瓷正极的表面与所述玻璃管的顶部端面平齐，所述石英玻璃片通过导电银胶分别与所述压电陶瓷正极的表面和所述玻璃管的顶部端面粘接；所述压电陶瓷负极的表面涂敷有绝缘密封胶，所述绝缘密封胶将所述压电传感器密封固定在所述玻璃管内；
所述接线柱正极和所述接线柱负极通过紧配合固定在所述聚四氟活塞上，所述聚四氟活塞插入所述玻璃管的尾部；所述压电陶瓷正极通过涂敷在所述玻璃管内壁上的第一导电银漆线与所述接线柱正极连接，所述压电陶瓷负极通过涂敷在所述玻璃管内壁上的第二导电银漆线与所述接线柱负极连接。
在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述用于测量流体脉冲动压的压强探针中，所述压电传感器为圆片状，所述玻璃管为圆筒状；
所述压电传感器的外径与所述玻璃管的内径相同。
在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述用于测量流体脉冲动压的压强探针中，所述石英玻璃片为圆片状；
所述石英玻璃片的直径与所述玻璃管的外径相同。
在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述用于测量流体脉冲动压的压强探针中，所述石英玻璃片的直径为5nm～20mm。
在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述用于测量流体脉冲动压的压强探针中，所述石英玻璃片选用表面粗糙度为0.5nm级别的石英玻璃圆片。
在一种可能的实现方式中，在本发明提供的上述用于测量流体脉冲动压的压强探针中，所述绝缘密封胶为环氧树脂胶。
本发明提供的上述用于测量流体脉冲动压的压强探针，是使用接触式测量方式对高速流动介质的动压进行阻挡并获得当地动压的探针，用于测量脉冲形式的高速流动介质的局部压强，例如，可以测量激波、脉冲等离子体团以及爆炸冲击波的动压。采用密封压电陶瓷的方式实现接触式压力参数测量，与传统的压力传感器相比，尺寸小很多，不仅能获得多个不同位置的压强，实现可变换测点的便携式探针，还能保证压强探针尽可能小地影响被测介质的流动，避免产生压缩波。通过将导电银胶涂抹在玻璃管端面上的方式密封粘合压电陶瓷，可以大大增加电导率，保证微弱的压电信号的高信噪比。采用将导电银漆涂抹在玻璃管内壁上的方式引出电压信号，与传统的导线相比，不仅可以保证压电陶瓷密封良好，还能保证引出的电压信号的高信噪比。选用质地坚硬的石英玻璃片与来流介质接触，具有很好的抗压、耐磨性能，可以保证压强探针的使用寿命。
附图说明
图1为本发明提供的一种用于测量流体脉冲动压的压强探针的三维图；
图2为图1的剖面图。
附图标记：1、石英玻璃片；2、压电传感器；3、玻璃管；4、聚四氟活塞； 5、接线柱正极；6、接线柱负极；7、压电陶瓷；8、压电陶瓷正极；9、压电陶瓷负极；10、绝缘密封胶；11、第一导电银漆线；12、第二导电银漆线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅仅是作为例示，并非用于限制本发明。
本发明提供的一种用于测量流体脉冲动压的压强探针，如图1和图2所示，图2为图1的剖面图，包括：石英玻璃片1、压电传感器2、玻璃管3、聚四氟活塞4、接线柱正极5以及接线柱负极6；其中，
压电传感器2包括压电陶瓷7以及分别位于压电陶瓷7正反两面的压电陶瓷正极8和压电陶瓷负极9；
压电传感器2位于玻璃管3内，压电陶瓷正极8的表面与玻璃管3的顶部端面平齐，石英玻璃片1通过导电银胶分别与压电陶瓷正极8的表面和玻璃管3的顶部端面粘接；压电陶瓷负极9的表面涂敷有绝缘密封胶10，绝缘密封胶 10将压电传感器2密封固定在玻璃管3内，使压电传感器2不能移动，这样，在利用压强探针测量流动介质的动压时，可以排除其他外力影响，确保所测电压是由于介质流动使石英玻璃片1形变从而压动压电陶瓷7而产生的，保证压强探针的测量精度和准确度；密封于玻璃管3内的压电陶瓷7在石英玻璃片1 的压力作用下能测量0.1mN级的动压；
接线柱正极5和接线柱负极6通过紧配合固定在聚四氟活塞4上，聚四氟活塞4插入玻璃管3的尾部；压电陶瓷正极8通过涂敷在玻璃管3内壁上的第一导电银漆线11与接线柱正极5连接，压电陶瓷负极9通过涂敷在玻璃管3 内壁上的第二导电银漆线12与接线柱负极6连接。
本发明提供的上述用于测量流体脉冲动压的压强探针，适用于测量高温 (流场局部温度>800K)、高速(流速>10000m/s)流体(包括气体和等离子体) 的脉冲动压。本发明提供的上述用于测量流体脉冲动压的压强探针的工作原理如下：将压强探针伸入脉冲式的高速流动介质中，石英玻璃片垂直面向来流，在流动介质中产生压阻，石英玻璃片的表面就会产生相应的压强，石英玻璃片会因压强的存在而产生形变，不同的形变量就会对压电陶瓷施加不同的压力，压电陶瓷也会产生相应压力下的电荷量，电荷量通过压电陶瓷正极与压电陶瓷负极以电压的形式分别传递给接线柱正极和接线柱负极，通过采集接线柱正极和接线柱负极上的电压信号可以得到压强探针测量位置处介质流动的局部动压。
需要说明的是，利用本发明提供的上述用于测量流体脉冲动压的压强探针测量流动介质的动压时，可以直接采集接线柱正极和接线柱负极上的电压信号，或者，也可以将接线柱正极和接线柱负极接放大电路后采集电压信号，放大电路采用现有的放大电路即可，在此不作限定。
在具体实施时，在本发明提供的上述用于测量流体脉冲动压的压强探针中，如图1和图2所示，压电传感器2可以为圆片状，玻璃管3可以为圆筒状，可以设置压电传感器2的外径与玻璃管3的内径相同，这样，通过绝缘密封胶10 将压电传感器2密封固定在玻璃管3后，可以进一步保证压电传感器2在玻璃管3内的固定性和稳定性，在利用压强探针测量流动介质的动压时，可以进一步排除其他外力影响，确保所测电压是由于介质流动使石英玻璃片1形变从而压动压电传感器2而产生的，从而可以进一步提高压强探针的测量精度和准确度。
当然，在本发明提供的上述用于测量流体脉冲动压的压强探针中，压电传感器并非局限于圆片状，玻璃管也并非局限于圆筒状，只要保证压电传感器与玻璃管形状一致且尺寸紧配合即可，例如，压电传感器和玻璃管也可以为棱柱状，在此不作限定。
在具体实施时，在本发明提供的上述用于测量流体脉冲动压的压强探针中，如图1和图2所示，石英玻璃片1可以为圆片状，可以设置石英玻璃片1的直径与玻璃管3的外径相同，这样，可以进一步保证压强探针尺寸小这一特点，从而确保能够获得多个不同位置的压强，实现可变换测点的便携式探针。
在具体实施时，在本发明提供的上述用于测量流体脉冲动压的压强探针中，压强探针的尺寸可以限定在mm量级，石英玻璃片的直径可以控制在 5nm～20mm范围，同样，玻璃管的外径也可以为5nm～20mm范围。
在具体实施时，在本发明提供的上述用于测量流体脉冲动压的压强探针中，石英玻璃片可以选用表面粗糙度为0.5nm级别的石英玻璃圆片，选用石英玻璃的原因有两点，第一是石英玻璃具有耐高温、高硬度的特性，在测量超高速及高温度的等离子体流动压强过程中可以起到温度防护和反馈压力的作用；第二是石英玻璃属于能实现较高加工精度和表面粗糙度的绝缘材料，表面的粗糙度直接决定了被测等离子体与探针相互发生动量交换的碰撞类型，高精度、高硬度的玻璃表面可以确保等离子体与玻璃壁面发生弹性碰撞的可能。当然，石英玻璃片的表面粗糙度并非局限于0.5nm，可以根据被测介质选择合适表面粗糙度的石英玻璃片，在此不作限定。
在具体实施时，在本发明提供的上述用于测量流体脉冲动压的压强探针中，绝缘密封胶可以选择环氧树脂胶，环氧树脂胶是典型的绝缘材料之一，环氧树脂在液体状态下很稠密且粘性大，密封效果好，更重要的是，环氧树脂胶在凝固以后具有非常高的硬度且不易变形，这可以确保压电陶瓷的固定的稳定性和支撑的牢固性，从而可以保证压强探针的测量值不会偏小。当然，用于密封固定压电陶瓷的绝缘密封胶并非局限于环氧树脂胶这一种，只要满足绝缘、密封要求即可，也可以为能够起到绝缘、密封作用的其他材料，在此不作限定。
本发明提供的上述用于测量流体脉冲动压的压强探针，是使用接触式测量方式对高速流动介质的动压进行阻挡并获得当地动压的探针，用于测量脉冲形式的高速流动介质的局部压强，例如，可以测量激波、脉冲等离子体团以及爆炸冲击波的动压。采用密封压电陶瓷的方式实现接触式压力参数测量，与传统的压力传感器相比，尺寸小很多，不仅能获得多个不同位置的压强，实现可变换测点的便携式探针，还能保证压强探针尽可能小地影响被测介质的流动，避免产生压缩波。通过将导电银胶涂抹在玻璃管端面上的方式密封粘合压电陶瓷，可以大大增加电导率，保证微弱的压电信号的高信噪比。采用将导电银漆涂抹在玻璃管内壁上的方式引出电压信号，与传统的导线相比，不仅可以保证压电陶瓷密封良好，还能保证引出的电压信号的高信噪比。选用质地坚硬的石英玻璃片与来流介质接触，具有很好的抗压、耐磨性能，可以保证压强探针的使用寿命。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (6)
1.一种用于测量流体脉冲动压的压强探针，其特征在于，包括：石英玻璃片、压电传感器、玻璃管、聚四氟活塞、接线柱正极以及接线柱负极；其中，
所述压电传感器包括压电陶瓷以及分别位于所述压电陶瓷正反两面的压电陶瓷正极和压电陶瓷负极；
所述压电传感器位于所述玻璃管内，所述压电陶瓷正极的表面与所述玻璃管的顶部端面平齐，所述石英玻璃片通过导电银胶分别与所述压电陶瓷正极的表面和所述玻璃管的顶部端面粘接；所述压电陶瓷负极的表面涂敷有绝缘密封胶，所述绝缘密封胶将所述压电传感器密封固定在所述玻璃管内；
所述接线柱正极和所述接线柱负极通过紧配合固定在所述聚四氟活塞上，所述聚四氟活塞插入所述玻璃管的尾部；所述压电陶瓷正极通过涂敷在所述玻璃管内壁上的第一导电银漆线与所述接线柱正极连接，所述压电陶瓷负极通过涂敷在所述玻璃管内壁上的第二导电银漆线与所述接线柱负极连接。
2.如权利要求1所述的用于测量流体脉冲动压的压强探针，其特征在于，所述压电传感器为圆片状，所述玻璃管为圆筒状；
所述压电传感器的外径与所述玻璃管的内径相同。
3.如权利要求2所述的用于测量流体脉冲动压的压强探针，其特征在于，所述石英玻璃片为圆片状；
所述石英玻璃片的直径与所述玻璃管的外径相同。
4.如权利要求3所述的用于测量流体脉冲动压的压强探针，其特征在于，所述石英玻璃片的直径为5nm～20mm。
5.如权利要求3所述的用于测量流体脉冲动压的压强探针，其特征在于，所述石英玻璃片选用表面粗糙度为0.5nm级别的石英玻璃圆片。
6.如权利要求1～5任一项所述的用于测量流体脉冲动压的压强探针，其特征在于，所述绝缘密封胶为环氧树脂胶。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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