專利名稱:一種調(diào)頻型流體壁面剪切力儀的制作方法
本發(fā)明為流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)中測定流體對固體壁面的流體剪切應(yīng)變率，以確定作用于壁面的剪切應(yīng)力或摩擦力的儀器，屬于計(jì)量流體應(yīng)力的儀器類。
用以驅(qū)動(dòng)宇航飛行器和潛射航行器的能量要用來克服其表皮所受空氣或水的摩擦力。石油工業(yè)與市政工程中，通過管道輸送油、水或氣時(shí)，主要由管道內(nèi)壁的摩擦阻力決定耗能的多少。為了節(jié)能及改善上述管道和飛行器等的性能，需要在研制階段借助于儀器測定不同形狀及不同表面粗糙度情況下的摩擦阻力。此外，在壓水堆式核電站反應(yīng)器的設(shè)計(jì)階段，也需要測定其模型棒束流場的剪切變形速率。本發(fā)明即應(yīng)上述需要而創(chuàng)制。在本發(fā)明以前，一般是采用Preston管式、熱膜式或電化學(xué)式流體剪切力儀做為測量儀器。但是，Preston管插入流體近壁層會(huì)顯著地干擾流場，使測值不能反映真實(shí)的受力情況。熱膜式流體剪切力儀基于熱膜式剪力法的理論基礎(chǔ)，即承認(rèn)熱交換與動(dòng)量交換這兩種物理現(xiàn)象之間存在著確定的比擬關(guān)系，但這種比擬關(guān)系是否確實(shí)成立，目前仍有很大疑點(diǎn)，因而其測值的代表性并不可靠。電化學(xué)測量儀也以承認(rèn)電化學(xué)反應(yīng)與剪力之間的比擬關(guān)系為前提，故也是非直接測量，目前，對其測值的解釋尚有很大分歧。發(fā)明人在本發(fā)明以前，曾在英國發(fā)明了激光流體應(yīng)變率儀，激光流體應(yīng)變率儀可直接測量應(yīng)變率。此外，美國田納西大學(xué)吳建民教授及Vakili博士在美國1986年航天航空學(xué)術(shù)會(huì)議上公開了一種活動(dòng)條帶式流體摩擦力儀，也可以用來直接測量應(yīng)變率。
上述兩種應(yīng)變率儀比Preston管式、熱膜式和電化學(xué)式應(yīng)變率儀有了很大改進(jìn)。但是，激光流體應(yīng)變率儀體積太大，造價(jià)昂貴，且要求流體及被測壁面透明；而活動(dòng)條帶式流體摩擦力儀采用調(diào)幅式信號轉(zhuǎn)換，因而容易因溫度等環(huán)境變化而造成零點(diǎn)漂移及特性校正曲線的改變。這些缺點(diǎn)限制了上述兩種應(yīng)變率儀的適用范圍。
本發(fā)明的目的是提供一種直測式的剪切力儀，并采用調(diào)頻式信號轉(zhuǎn)換，以易于直接對流體壁面剪切力進(jìn)行測量，并能使讀數(shù)零點(diǎn)穩(wěn)定，儀器安裝方便，且制造工藝簡單的流體壁面剪切力儀。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是剪切力儀中的承剪片(5)繞在支承輥(6)上，并與金屬絲(13，14)相連，應(yīng)變測量裝置包括一個(gè)固定在瓷墊座(8)上的永磁鐵(7)，音頻放大器集成片(1)和(4)，混頻器集成片(2)和直流放大器集成片(3)。
在本發(fā)明中儀器輸出信號的頻率將隨欲測的摩擦力之大小而變化，屬調(diào)頻工作方式，抗干擾能力強(qiáng)，易于遙傳，不必經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)即可直接輸送給電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。敏感元件對偶式地差動(dòng)布置，儀器輸出信號為兩元件自振頻率的差拍頻率，可補(bǔ)償溫濕度影響，擴(kuò)大適用的溫度范圍。傳力與導(dǎo)電部件都可以用高強(qiáng)度金屬絲與帶，經(jīng)熔接焊聯(lián)接，沒有粘接環(huán)節(jié)，避免了由蠕變徐滑產(chǎn)生的零點(diǎn)漂移。在儀器安裝時(shí)即調(diào)整得使其與零荷載對應(yīng)的差拍頻率等于某一特定頻率(如2KHZ)，而在受正方向剪切力時(shí)，輸出頻率將由該特定頻率增高，受負(fù)方向剪切力時(shí)輸出頻率將由該特定頻率降低，從而能夠測定湍動(dòng)流體中正負(fù)交變的剪切力。在本發(fā)明中，用與被測模型表面具有同等粗糙度的活動(dòng)承剪片(5)來承接傳遞剪切力，可以盡可能真實(shí)而無畸變地反映流體施加于飛行器表面的剪切力。承剪片(5)光滑地浮貼在可繞軸旋轉(zhuǎn)的圓弧形輪廓的支承輥(6)表面，可以減少上游(迎流面)與下游(背流面)間隙因剪切力作用而變動(dòng)大小及上下游壓力差所帶來的誤差。支承輥(6)可以采用轉(zhuǎn)軸位于中間高度的橢圓形，也可以采用轉(zhuǎn)軸位于圓心的圓形。承剪片(5)的延伸部分與左右兩根金屬絲(13，14)用熔接焊焊牢。金屬絲(13，14)最好采用鎢錸合金絲。金屬絲(13，14)分別借助于純鎳片焊接固定在調(diào)節(jié)螺栓(9)上端。調(diào)節(jié)螺栓(9)采用異形螺栓，即在調(diào)節(jié)螺栓(9)的一端沿螺栓中心線用一縱切面與一垂直于直徑的橫切面切去一塊的螺栓，這樣可保證金屬絲(13，14)不致隨調(diào)節(jié)螺栓(9)的旋轉(zhuǎn)而纏繞導(dǎo)致?lián)p壞。S和N分別代表釤鈷(Sm－CC)永磁鐵(7)的南北極。永磁鐵(7)固定在瓷墊座(8)上，瓷墊座(8)上有預(yù)置的半圓孔(10)以限制調(diào)節(jié)螺栓(9)的轉(zhuǎn)動(dòng)。O代表儀器的輸出端，GND代表儀器接地端。借助于底板(11)上螺孔(12)可調(diào)節(jié)儀器使承剪片(5)恰好與試驗(yàn)?zāi)Ｐ捅砻纨R平。金屬絲(13，14)自振時(shí)切割永磁鐵(7)的磁力線將產(chǎn)生交變電信號，將這些信號饋送給音頻放大器集成片(1，4)，放大后，送混頻器集成片(2)混頻，然后將差拍信號送到直流放大器集成片(3)放大，最后經(jīng)輸出端O輸出，經(jīng)低通濾波后可得金屬絲(13，14)自振頻率之差。圖中表示調(diào)頻型流體壁面剪切力儀的平面圖與A－A剖面圖。
1和4－音頻放大器集成片2－混頻器集成片3－直流放大器集成片
5－承剪片6－支承輥7－永磁鐵8－瓷墊座9－調(diào)整螺栓10－半圓孔11－底板12－螺孔13和14－金屬絲本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，使用安全，節(jié)省能耗，且適用于宇航、核能、石油及土建水利多項(xiàng)領(lǐng)域中。
權(quán)利要求
1.一種調(diào)頻型流體壁面剪切力儀，有儀器外殼，承剪片(5)和應(yīng)變測量裝置，其特征在于承剪片(5)繞在支承輥(6)上，并與金屬絲(13，14)相連，應(yīng)變測量裝置包括一個(gè)固定在瓷墊座(8)上的永磁鐵(7)，音頻放大器集成片(1)(4)，混頻器集成片(2)和直流放大器集成片(3)。金屬絲(13，14)自振時(shí)切割永磁鐵(7)的磁力線，產(chǎn)生交變電信號送給音頻放大集成片(1，4)，放大后送混頻器集成片(2)，再經(jīng)直流放大器集成片(3)將差拍信號放大，由輸出端0輸出。
2.如權(quán)利要求
1的調(diào)頻型流體壁面剪切力儀，其特征在于金屬絲(13，14)是鎢錸合金絲。
3.如權(quán)利要求
1或2的調(diào)頻型流體壁面剪切力儀，其特征在于調(diào)節(jié)螺栓(9)是異形螺栓，即在調(diào)節(jié)螺栓(9)的一端沿螺栓中心線用一縱切面與一垂直于直徑的橫切面切去一塊的螺栓。
專利摘要
一種調(diào)頻型流體壁面剪切力儀，可用來測定接近固體壁面的流體剪切應(yīng)變率，是確定作用于壁面的剪切應(yīng)力或摩擦力的儀器。本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案是剪切力儀中的承剪片繞在支承輥上，并與金屬絲相連，應(yīng)變測量裝置包括一個(gè)固定在瓷墊座上的永磁鐵，音頻放大器集成片，混頻器集成片和直流放大器集成片。
文檔編號G01N11/00GK87205821SQ87205821
公開日1988年2月3日 申請日期1987年4月4日
發(fā)明者孫厚鈞 申請人:北京建筑工程學(xué)院導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan