CN113432699B - 一种超轻梁的振幅测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超轻梁的振幅测量装置，其特征在于，包括气体流量控制计(1)、可调导流装置(2)、气道壳(3)、可调扰流装置(5)、振幅测量仪(7)和底板(8)；其中气道壳(3)与底板(8)连接构成用于测量超轻梁振动幅度的气道，所述气道内安装有用于支撑超轻梁的前端超轻梁支架(41)、后端超轻梁支架(42)，超轻梁支架(41)与后端超轻梁支架(42)之间的气道内壁上设有可调扰流装置(5)；气体流量控制计(1)一端用于与气源连接，另一端连通可调导流装置(2)，用于为气道提供引起超轻梁振动的气流并控制流量大小；可调导流装置(2)与气道入口端连接；振幅测量仪(7)设置于气道外侧，用于测量超轻梁的振幅。

Description

一种超轻梁的振幅测量装置

技术领域

本发明涉及一种梁的振幅测量装置，尤其涉及一种对用于探测器上的超轻支撑梁的振幅进行测量的装置，属于振幅测量技术领域。

背景技术

高空间分辨率的硅像素探测器技术在材料科学、生物化学、航天航空与高能物理等领域发挥着越来越重要的作用。硅像素探测器由于其优异的探测和位置分辨性能，可应用于高精度的成像、下一代高能物理大装置的粒子径迹重建等。尤其是高能物理大装置的粒子径迹重建上，如高能环形正负电子对撞机，其顶点探测器初步规划方案即采用多个条状像素探测器单元(每个探测器单元由支撑结构、电路板、探测器芯片组成)通过相互叠加，布置成多个直径不同的桶装结构，这些探测单元共同作用实现粒子径迹测量，达到对撞顶点探测目的。硅像素径迹探测器对支撑结构有着很高的要求。首先，要求探测器的基本支撑结构，即探测器单元的支撑梁，其本身须具有足够好的刚性，探测器在负载下变形足够小，以满足高精度的位置分辨；再有，要求支撑梁所用材料须具有尽可能低的密度，以降低物质量，减少多次散射引起的成像质量的损失。此外，对于探测器还要进行冷却以降低芯片和电子学的温度。用低物质量的气冷方式来调节芯片温度在允许的工作温度范围内，是高分辨探测器冷却的首选方式。气冷情况下，在考虑冷却系统控制温度及引起的伸缩变形的同时，应充分考虑气冷时气体载荷对探测器支撑结构产生的振动影响，在实现预期冷却效果同时控制支撑结构的振幅，尽量减小振动引起的支撑结构的位置和形状不稳定性，降低由此引起的探测器的位置偏移，避免严重影响探测器系统的位置分辨。

一般支撑梁的振动幅度测量可以采用接触式或非接触式实现，接触式的测量通常可以采用如在梁的被测点加装加速度传感器再通过积分算法确定被测点的位移，非接触式的测量通常可以采用如光学或涡流式的振幅测量仪。对于硅顶点探测器的径迹探测所用的超轻梁，一方面由于其自重超轻，常规的加速度传感器由于重量相当于甚至远大于超轻梁自身重量，其安装后的梁固有属性会发生改变，应用不匹配；另一方面是其振幅本身就要求非常微小，加速度法测量振幅本身误差又相对稍微偏大，故对于微小的振幅测量也不合适。非接触式的如激光干涉仪比较适合该类探测器梁的振幅测量，可配置在气体环境之外。

对于具有多层探测结构的硅顶点探测器，基于自身结构形式和气流的流动状态，对不同层探测器产生的振动幅度均需要充分评估和测量。对该类超轻、高刚度的探测器支撑梁本身在重力负载下仅具有极微小变形，但气体流动引起的探测器支撑梁振幅应该控制在比探测器空间分辨要低的水平，而这个允许振幅又是非常小的，所以测量该微小振幅是一个综合性的系统级的工作，需要能对气流进行调节和控制，以期测得不同气流状态下梁的振幅，评估支撑梁在气流下的结构尺寸稳定性。目前市面上没有能提供可调气体环境并同时可实现对类似具有微小振幅的超轻梁进行振幅测量的现成可用的或类似的装置。

发明内容

针对目前缺乏对气冷情况下硅径迹探测器的超轻支撑梁的振幅测量的问题，本发明的目的在于提出一种超轻梁的振幅测量装置。本发明的超轻梁振幅测量装置可对超轻探测器支撑梁提供流量、导流、扰流、出气口开度等均可进行调节的气流环境，并可对不同环境下产生的振动振幅进行测量，以评估探测器支撑梁的综合性能是否达到预期目标，从而检验和指导探测器的支撑梁结构设计。

本发明中的超轻梁振幅测量装置，由具有对气源流量、入口导流、气道内扰流、出气口开度等的调节功能，采用非接触式振幅测量仪器，适用于对轻质尤其超轻梁在气流下的振幅测量，特别是梁的振幅预期非常微小(一般在微米级)的情况，该装置在气流的调节和振幅的测量精度上都更具优越性。

本发明的技术方案为：

一种超轻梁的振幅测量装置，其特征在于，包括上游的气体流量控制计1，可调导流装置2，气道壳3，超轻梁4，可调扰流装置5，开度可调出气口结构6，非接触式振幅测量仪7和底板8。可调导流装置2与气道壳3连接，气道壳3与底板8构成的气道内安装有用于支撑超轻梁4的前端超轻梁支架41、后端超轻梁支架42，超轻梁4的下方设有可调扰流装置5，气道下游与开度可调出气口结构6连接，气道内的气体由该开度可调出气口结构6排出。

从气源过来的气体，经流量控制计1进入可调导流装置2，然后进入气道内，底板8与气道壳3组成气道。超轻梁4通过两端的支架41、42安装在该测量装置的底板8上。

进一步的，可调导流装置2由进气腔21和若干导流插件22构成。

通过调整可调导流装置2中导流插件22的数量和插入深度、方向等，调节导流效果，尽量让气体通过进气腔21后能够流速均匀地(或横向有差异地)流入梁区域。

进一步的，气道截面尺寸优先，进气腔的截面形状应与气道壳相匹配。

气体经可调导流装置2进入气道，气流在气道内经由可调扰流装置2的调节在被测位置附近气流通道的截面尺寸发生改变，气体流向和速度都发生变化，在梁附近产生扰动气流，产生气流冲击，引起振动振幅的发生。

进一步的，超轻梁在气道内纵向沿气道轴线方向，横向可水平或竖直放置。

气体经可调扰流装置5的调节，获得不同气体流态，最后经开度可调出气口结构6流出，通过调节出口开度，进一步改变气道内的气体流态，获得复杂流态下的梁振幅结果。

进一步的，可调扰流装置5可以由多个不同规格的扰流块组成，扰流块形成从气道壁向梁方向的凸起结构，不同规格的扰流块高度不同，通过不同高度的扰流块来调节凸起高度实现扰流作用；扰流块的安装位置可以沿着梁纵向按测量位置需求单点或多点方式布置在气道壁上。可调扰流装置5也可以由插入式扰流块从气道外侧插入气道内部形成朝向梁的凸起，通过其插入深度即凸起的高度调节实现扰流调节；插入式扰流块的安装位置可以为沿梁纵向按测量位置需求以单点或多点形式布置在气道壁上。通过在被梁测位置附近布置并调整扰流块来调节被测位置附近的通气间隙实现扰流，根据伯努利方程，通气间隙的调整引起气流度和方向的变化，会引起气流压差对梁产生冲击引起振动，可以获得不同情况的振幅检测。

扰流块的高度方向垂直于超轻梁的平面-即探测器平面方向。如果梁横向为竖直放置，采用非接触式测量方法，振幅测量仪应对着梁的宽面放置，若采用光学测量仪，则仪器所在一侧的风道壳需透明；扰流装置同样与梁宽面相对。

进一步的，开度可调出气口结构6可以由单个挡板组成，通过挡板相对气道截面的滑动实现开度调节；或由双挡板组成，其中每个挡板上都有间隔分布的配孔，一个挡板相对气道固定，另一个挡板可通过在固定挡板上滑动实现通气截面的调节，获得不同出口开度。

进一步的，因为梁本身质量超轻，故不适合采用接触式的加速度传感器推导获得振幅，另外由于梁在气流下的振幅值本来就很小，也不适合加速度测量法获得。故采用非接触式的测量方法。如果采用光学方法的非接触式振幅测量仪器，则气道壳的材质须是透明材料，且壳壁应尽量薄，不影响光学仪器的测量精度。

进一步的，非接触式的振幅测量仪布置在气道外，其位置非固定，按梁上不同振幅测量位置而布置。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的超轻支撑梁的振幅测量装置，能够实现对强迫气流下的超轻梁振幅测量，本发明综合多项调节功能，可对超轻探测器支撑梁提供流量、导流、扰流、出气口开度等均可进行调节的气流环境，采用非接触式振幅测量仪器，可对不同环境下产生的振动振幅进行测量，以评估探测器支撑梁的综合性能，检验和指导探测器的支撑梁结构设计。适用于对轻质尤其超轻梁在气流下的振幅测量，特别是梁的振幅预期非常微小(一般为微米级)的情况，该装置在气流的调节和振幅的测量精度上都更具优越性。

附图说明

图1为超轻梁振幅测量装置示意图。

图2为超轻梁振幅测量装置侧视图。

图3为超轻梁振幅测量装置侧视图(气道透明，内部可视)。

图4为超轻梁振幅测量装置俯视图(气道透明，内部可视)。

图5为可调导流装置内部结构图。

1-气体流量控制计、2-可调导流装置、3-气道壳、4-超轻梁、5-可调扰流装置、6-开度可调出气口结构、7-非接触式振幅测量仪、8-底板、21-进气腔、22-导流插件、41-前端超轻梁支架、42-后端超轻梁支架。

具体实施方式

附图1、附图2、附图3、附图4为超轻梁振幅测量装置示意图。以此为实施例进一步说明本发明的具体实施方式。

本发明的超轻梁的振幅测量装置，包括上游的气体流量控制计1，可调导流装置2，气道壳3，超轻梁4，可调扰流装置5，开度可调出气口结构6，非接触式振幅测量仪7。可调导流装置2与气道壳3连接，气道内安装有用于支撑超轻梁4的前端超轻梁支架41、后端超轻梁支架42，超轻梁4的下方有可调扰流装置5，气道下游与开度可调出气口结构6连接，气体由该开度可调出气口结构6排出。

1)从气源过来的气体，经流量控制计1进入可调导流装置2，然后进入气道壳3，被测超轻梁通过两端的支架安装在该测量装置的底板8上，底板8与气道壳3组成气道。

进一步的，可调导流装置由进气腔21和若干倒流插件22组成。

进一步的，进气腔横截面形状不限(可按需要制作)，如可以为矩形、半圆形等。

进一步的，导流插件可以是柱、销、板或条状等不同的形式。

进一步的，导流插件在进气腔内的安装定位可以根据需要做成水平的、或竖直的、或倾斜的。

2)该装置通过调整导流插件22的数量和深度等，调节导流效果，尽量让气体通过进气腔后能够流速均匀地(或横向有差异地)流入梁区域。

进一步的，超轻梁4通过两端的前端超轻梁支架41、后端超轻梁支架42安装在气道内，即固定在该振幅测量装置的底板8上。支架尺寸要尽可能的和探测器支撑结构相近，并注意尺寸尽量小，少占额外空间，减少对进气的阻挡。

进一步的，气道的形状和尺寸不是唯一的，可根据支撑梁在探测器结构中的布置，做不同尺寸的气道以获得不同的梁外围空间，与探测器上同层或不同层间的支撑梁间隙相近。气道截面尺寸优先，进气腔21的截面形状应与气道壳3相匹配。

3)气体经可调导流装置2进入气道，气流在气道内经由可调扰流装置5的调节在被测位置附近气流通道的截面尺寸发生改变，气体流向和速度都发生变化，在梁附近产生扰动气流，产生气流冲击，引起振动振幅的发生。

进一步的，可调扰流装置5可以由多个不同规格的扰流块组成，扰流块形成从气道壁向梁方向的凸起结构，不同规格的扰流块高度不同，通过不同高度的扰流块来调节凸起高度实现扰流作用；扰流块的安装位置可以沿着梁纵向按测量位置需求单点或多点方式布置在气道壁上。可调扰流装置或可由插入式扰流块从气道外侧插入通道内部形成朝向梁的凸起，通过其插入深度即凸起的高度调节实现扰流调节；插入式扰流块的安装位置可以为沿梁纵向按测量位置需求以单点或多点形式布置在气道壁上。通过在被梁测位置附近布置并调整扰流块来调节被测位置附近的通气间隙实现扰流，根据伯努利方程，通气间隙的调整引起气流度和方向的变化，会引起压气流压差对梁产生冲击引起振动，可以获得不同的振幅。

4)气体经可调扰流装置5的调节，获得不同气体流态，最后经开度可调出气口结构6流出，通过调节出口开度，进一步改变气道内的气体流态，获得复杂流态下的梁振幅结果。

进一步的，开度可调出气口结构6可以由单个挡板组成，通过单板相对气道截面的滑动实现开度调节；或由双挡板组成，其中每个挡板上都有间隔分布的配孔，一个挡板相对气道固定，另一个挡板可通过在固定挡板上滑动实现通气截面的调节，获得不同出口开度。

5)通过布置在气道外的非接触式振幅测量仪7，测量获得梁上被测位置的振幅。

进一步的，因为梁本身质量超轻，故不适合采用接触式的加速度传感器获得振幅，另外由于梁在气流下的振幅值本来就很小，也不适合加速度测量法获得。故采用非接触式的测量仪7。如采用光学方法的非接触式振幅测量仪器，则气道壳3的材质须是透明材料，且壳壁应尽量薄，不影响光学仪器的测量精度。

非接触式的振幅测量仪7布置在气道外，其位置非固定，按梁上不同振幅测量位置而布置。

尽管为说明目的公开了本发明的具体内容，其目的在于帮助理解本发明的内容并据以实施，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。本发明不应局限于本说明书最佳实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (8)

1.一种超轻梁的振幅测量装置，其特征在于，包括气体流量控制计(1)、可调导流装置(2)、气道壳(3)、可调扰流装置(5)、振幅测量仪(7)和底板(8)；其中气道壳(3)与底板(8)连接构成用于测量超轻梁振动幅度的气道，所述气道内安装有用于支撑超轻梁的前端超轻梁支架(41)、后端超轻梁支架(42)，前端超轻梁支架(41)与后端超轻梁支架(42)之间的气道内壁上设有可调扰流装置(5)；气体流量控制计(1)一端用于与气源连接，另一端连通可调导流装置(2)，用于为气道提供引起超轻梁振动的气流并控制流量大小；可调导流装置(2)与气道入口端连接；振幅测量仪(7)设置于所述气道外侧，用于测量超轻梁的振幅；其中，所述振幅测量仪(7)为采用光学方法测量的非接触式振幅测量仪器，气道壳的材质为透明材料。

2.如权利要求1所述的超轻梁的振幅测量装置，其特征在于，还包括一用于调节气体排出的开度可调出气口结构(6)；气道出口端与该开度可调出气口结构(6)连接。

3.如权利要求2所述的超轻梁的振幅测量装置，其特征在于，该开度可调出气口结构(6)包括一挡板，该挡板可相对气道截面进行滑动，实现开度调节。

4.如权利要求2所述的超轻梁的振幅测量装置，其特征在于，该开度可调出气口结构(6)包括第一挡板和第二挡板，其中该第一挡板、第二挡板上分别设有间隔分布的多个通孔，第一挡板与气道出口端固定连接，第二挡板可相对第一挡板滑动，实现开度调节。

5.如权利要求1～4任一所述的超轻梁的振幅测量装置，其特征在于，所述可调扰流装置(5)包括多个不同规格的扰流块，所述扰流块为从气道壁向超轻梁方向的凸起结构，不同规格的扰流块的凸起高度不同；各扰流块的安装位置为沿着气道纵向按超轻梁的测量位置需求单点或多点方式布置在气道壁上。

6.如权利要求1～4任一所述的超轻梁的振幅测量装置，其特征在于，所述可调扰流装置(5)包括多个插入式扰流块，所述插入式扰流块为从气道外侧插入气道内部形成朝向超轻梁的凸起结构，所述插入式扰流块的插入深度可调；各所述插入式扰流块的安装位置为沿气道纵向按超轻梁的测量位置需求以单点或多点形式布置在气道壁上。

7.如权利要求1所述的超轻梁的振幅测量装置，其特征在于，所述可调导流装置(2)包括进气腔(21)和插入该进气腔的若干个导流插件(22)；导流插件(22)的数量和插入深度可调。

8.如权利要求7所述的超轻梁的振幅测量装置，其特征在于，进气腔(21)的截面形状与气道壳(3)的截面相匹配。

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