CN113686481A - 一种利用量子点测量流体动力接触区压力的方法 - Google Patents

一种利用量子点测量流体动力接触区压力的方法 Download PDF

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孙剑楠
朱永生
洪军
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Abstract

一种利用量子点测量流体动力接触区压力的方法，包括以下步骤：(一)、通过对量子点溶液进行不同压力标定，得到量子点光致发光能量——压力标定曲线；(二)、将配置的量子点溶液作为润滑流体，加入润滑区域，在弹流润滑的接触区形成掺杂量子点的流体薄膜,利用激光器作为激发光源，计算得到光谱信息的光致发光能量，并与量子点光致发光能量——压力标定曲线进行对比，从而得到流体动力接触区压力，实现对接触区流体薄膜压力的实时测量；本发明具备具有泛用性高、稳定性好、非接触式等优点；为流体动力接触区监测提供创新性思路与方法，同时为重大装备流体润滑领域的压力监测提供必要的技术借鉴。

Description

一种利用量子点测量流体动力接触区压力的方法
技术领域
本发明涉及流体润滑技术领域，特别涉及一种利用量子点测量流体动力接触区压力的方法。
背景技术
流体润滑广泛存在于航空航天、汽车等领域，最大限度地减少润滑过程的摩擦和散热对于实现装备更长时间的高速运行具有重要意义。润滑内部流体的流变行为和摩擦响应与接触区域各点的局部压力以及温度直接相关，因此，在与接触尺寸兼容的空间尺度上，准确了解流体动力接触中的压力，对于分析流体润滑过程中的摩擦、实现装备的高速运转具有重要意义。
目前，随着各种探测技术和流体力学的发展，对流体动力接触区压力的探测技术也受到了越来越多的关注。例如，利用某些材料对压力的电阻敏感性，制成薄膜传感器沉积在摩擦表面，从而实现对接触区压力的监测。然而，这一类传感器的厚度对于接触区流体厚度不可忽略，具有一定的侵入性，且传感器结构脆弱，在高剪切应力下易发生破坏。在非接触测试技术领域，采用拉曼光谱测量压力分布的方式，实现了对流体动力接触区压力的非接触式测量，同时避免了对流体形态和装备结构造成影响，但在实际水平上，该技术的信噪比极低，且所探测的流体必须是强拉曼散射体，使得该技术的工程应用受到限制。如何实现具有高泛用性，高准确性、非接触式的流体动力接触区压力探测，依然是目前流体润滑探测技术的难点问题。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种利用量子点测量流体动力接触区压力的方法，可以准确高效地对流体动力接触区的流体薄膜压力进行探测，具有泛用性高、非接触式的优点。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种利用量子点测量流体动力接触区压力的方法，包括以下步骤：
(一)、对压力敏感量子点选用及标定：配置量子点溶液,将量子点1作为传感器与润滑流体2混合，形成量子点溶液，通过对量子点溶液进行不同压力标定，得到量子点光致发光能量——压力标定曲线；
(二)、压力的实时测量：将配置的量子点溶液作为润滑流体，加入润滑区域，在弹流润滑的接触区形成掺杂量子点的流体薄膜,利用激光器作为激发光源，将激发光照射到流体动力接触区中心位置，受激发产生的荧光经过光谱仪分析后输送到PC端，计算得到光谱信息的光致发光能量，并与量子点光致发光能量——压力标定曲线进行对比，从而得到流体动力接触区压力，实现对接触区流体薄膜压力的实时测量。
所述的润滑流体包括但不限于角鲨烷、甲醇-乙醇混合物。
所述的步骤(一)量子点光致发光能量——压力标定曲线，具体为：
将量子点光谱光致发光强度达到最大值时记录的平均发射能量作为不同压力下光谱的光致发光能量，用于评估平均发射能量和平均值周围的标准偏差，光致发光能量计算公式为Eg＝hc/λ，其中，λ为光致发光强度曲线的峰值波长，h为普朗克常数，c为光速；根据获得的记录点进行拟合，获得量子点光致发光能量——压力标定曲线。
所述的步骤(二)压力的实时测量，具体为：
(1)、流体薄膜的形成：将配置的量子点溶液作为润滑流体；将润滑流体加入光盘11与底板12的接触区域形成流体接触区，然后对底板12施加压力，从而在接触区形成掺杂量子点的流体薄膜3；
(2)、同步监测平台的搭建：利用激光器4作为激发光源，入射光纤6一端与第一探头5相连，另一端连接激光器4，将第一探头5对准流体动力接触区液体薄膜的中心位置，通过入射光纤6和第一探头5将激发的紫外光透过透明光盘11照射到流体动力接触区油膜的中心位置，激发油膜中混合的压敏量子点传感器实现光致发光，利用接收用的第二探头7和光纤8收集量子点发射的光致发光光谱，并将其传输至光谱仪9，光谱信息经过光谱仪输送到PC端10；
(3)、压力的实时监测：对底板12施加不同压力，PC端10将获取到不同压力下的光谱信息，并根据光谱信息计算光致发光能量Eg，通过将不同压力下的压敏量子点光致发光能量与量子点光致发光能量——压力标定曲线进行对比，从而得到流体动力接触区压力，实现对接触区流体薄膜压力的实时测量。
本发明的优点：
(1)基于量子点对于压力的敏感性，利用紫外光激发压敏量子点，实现量子点光致发光，根据量子点光致发光能量与压力呈现线性拟合的特性，实现了对流体力学接触区压力的准确快捷监测，具有非接触式、实时测量等特点。
(2)相比传统压力测量方法，量子点的稳定性较好，对实验流体的要求较低，具有较高的泛用性。
(3)通过改变底板结构、形状及材料，可以研究不同接触工况下的接触区压力情况，实用性较高。
附图说明
图1为本发明的量子点压力标定示意图。
图2为本发明方法的系统结构示意图。
图3为本方法中压力的获取原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
利用量子点测量流体动力接触区压力的方法，包括以下步骤：
(一)对压力敏感量子点选用及标定：参照图1，根据不同种类量子点对压力的敏感程度，选取合适的压敏性的量子点1作为传感器，混合在润滑流体2中，作为用于压力校准的量子点校准溶液。利用压力校准装置3施加不同的加载压力，并在校准装置内部的校准溶液中选取四处不同位置作为测量点，收集每一处测量点的发射光谱，将量子点光谱光致发光强度达到最大值时记录的平均发射能量作为不同压力下光谱的光致发光能量，用于评估平均发射能量和平均值周围的标准偏差，光致发光能量计算公式为Eg＝hc/λ，其中，λ为光致发光强度曲线的峰值波长，h为普朗克常数，c为光速。根据获得的记录点进行拟合，获得量子点光致发光能量——压力标定曲线。
润滑流体应确保不会干扰量子点的光致发光响应，包括但不限于角鲨烷、甲醇-乙醇混合物。
(二)压力的实时测量：
以油膜润滑测量为例：
(1)、流体薄膜的形成:参照图2，将配置的量子点溶液作为润滑流体；将润滑流体加入光盘11与底板12的接触区域形成流体接触区，然后对底板12施加压力，从而在接触区形成掺杂量子点的流体薄膜3；
(2)、同步监测平台的搭建：参照图2，利用激光器4作为激发光源，入射光纤6一端与第一探头5相连，另一端连接激光器4，将第一探头5对准流体动力接触区液体薄膜的中心位置，通过入射光纤6和第一探头5将激发的紫外光透过透明光盘11照射到流体动力接触区油膜的中心位置，激发油膜中混合的压敏量子点传感器实现光致发光，利用接收用的第二探头7和光纤8收集量子点发射的光致发光光谱，并将其传输至光谱仪9，光谱信息经过光谱仪输送到PC端10。
(3)、压力的实时监测：参考图3，启动步骤①搭建的测试系统，对底板12施加不同压力，PC端10将获取到不同压力下的光谱信息，并根据光谱信息计算光致发光能量Eg，通过将不同压力下的压敏量子点光致发光能量与量子点光致发光能量——压力标定曲线进行对比，从而得到流体动力接触区压力，实现对接触区流体薄膜压力的实时测量。
本发明利用压敏量子点在不同压力下的光致发光特性，根据采用量子点的光致发光能量与流体薄膜压力近似呈线性关系的原理，实现对流体薄膜压力的实时测量。本发明所选取的量子点应使特定温度范围内的光致发光能量——压力标定曲线近似呈线性。

Claims (4)

1.一种利用量子点测量流体动力接触区压力的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(一)、对压力敏感量子点选用及标定：配置量子点溶液,将量子点(1)作为传感器与润滑流体(2)混合形成量子点溶液，通过对量子点溶液进行不同压力标定，得到量子点光致发光能量——压力标定曲线；
(二)、压力的实时测量：将配置的量子点溶液作为润滑流体，加入润滑区域，在弹流润滑的接触区形成掺杂量子点的流体薄膜,利用激光器作为激发光源，将激发光照射到流体动力接触区中心位置，受激发产生的荧光经过光谱仪分析后输送到PC端，计算得到光谱信息的光致发光能量，并与量子点光致发光能量——压力标定曲线进行对比，从而得到流体动力接触区压力，实现对接触区流体薄膜压力的实时测量。
2.根据权利要求1所述的一种利用量子点测量流体动力接触区压力的方法，其特征在于，包括但不限于角鲨烷、甲醇-乙醇混合物。
3.根据权利要求1所述的一种利用量子点测量流体动力接触区压力的方法，其特征在于，所述的步骤(一)量子点光致发光能量——压力标定曲线，具体为：
将量子点光谱光致发光强度达到最大值时记录的平均发射能量作为不同压力下光谱的光致发光能量，用于评估平均发射能量和平均值周围的标准偏差，光致发光能量计算公式为Eg＝hc/λ，其中，λ为光致发光强度曲线的峰值波长，h为普朗克常数，c为光速。根据获得的记录点进行拟合，获得量子点光致发光能量——压力标定曲线。
4.根据权利要求1所述的一种利用量子点测量流体动力接触区压力的方法，其特征在于，所述的步骤(二)压力的实时测量，具体为：
(1)、流体薄膜的形成:将润滑流体加入光盘(11)与底板(12)的接触区域形成流体接触区，然后对底板(12)施加压力，从而在接触区形成掺杂量子点的流体薄膜(3)；
(2)、同步监测平台的搭建：利用激光器(4)作为激发光源，入射光纤(6)一端与第一探头(5)相连，另一端连接激光器(4)，将第一探头(5)对准流体动力接触区液体薄膜的中心位置，通过入射光纤(6)和第一探头(5)将激发的紫外光透过透明光盘(11)照射到流体动力接触区油膜的中心位置，激发油膜中混合的压敏量子点传感器实现光致发光，利用接收用的第二探头(7)和光纤8收集量子点发射的光致发光光谱，并将其传输至光谱仪9，光谱信息经过光谱仪输送到PC端10；
(3)、压力的实时监测：对底板(2)施加不同压力，PC端(10)将获取到不同压力下的光谱信息，并根据光谱信息计算光致发光能量Eg，通过将不同压力下的压敏量子点光致发光能量与量子点光致发光能量——压力标定曲线进行对比，从而得到流体动力接触区压力，实现对接触区流体薄膜压力的实时测量。
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