专利名称：涡流振动实验仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种高校物理实验装置，确切地说，涉及一种涡流振动实验仪，该装置利用有弹性和耐腐蚀的金属丝制成的螺旋状阻流体，与管道中流动的液体相互作用， 再利用信号处理电路与软件对其中涉及的流体力学、非线性动力学现象进行测量和研究， 属于高等院校实验教学仪器的技术领域。
背景技术：
1911年匈牙利科学家卡门在德国专门研究了不可压缩的粘性流体绕流过圆柱体时发现当雷诺系数Re在IO2 IO5范围时，圆柱体背后将产生有规律的漩涡交替脱落的现象，并且，漩涡脱落的频率与流速成正比。这个现象被叫做“卡门涡旋”。实际上，由于卡门涡旋产生的振动并不是一个严格的正弦波形式，因此，其振动的频谱必然具有一定的分布宽度，只有非常特殊形状的阻流体才能够产生比较窄与稳定的频谱分布。目前，对于一般阻流体的振动频率特征的研究还比较少见。在流体力学中，“湍流”始终是一个研究热点。研究湍流的方法主要集中于流速场的分布，而对于流体中，由湍流所引起的阻流体的振动研究却比较少。我们知道当流速达到一定程度后，置于流体中的阻流体会激发湍流，而湍流又会反过来作用到阻流体上，造成阻流体的振动。因此，研究阻流体的振动特征，可以从另外一个侧面来研究湍流现象。目前，中国高校中涉及湍流现象与研究的实验仪器还十分少见，主要原因是相关仪器的结构复杂、售价昂贵、操作繁硕，故主要用于科研。而且，许多相关仪器的功能单一， 缺乏互动性和探究性，难以满足教学需求。因此，设计一种普及性的、操作方便的、具有很强的互动性的关于流体力学的教学实验仪器具有非常重要的现实需求和实用意义。
实用新型内容有鉴于此，本实用新型的发明目的是提供一种涡流振动实验仪，该仪器的原理基于卡门涡旋理论及其推广，它能够从多方面对流体中阻流体的振动特征进行测量，并且能够方便、快捷、实时采样与处理的实验教学仪器，可以用作对流体中阻流体的振动特征进行研究的高校物理实验装备，以解决目前国内对流体力学中的涡流振动现象的研究只是集中于流速场，对于流体中阻流体的振动特征研究缺乏相应装备的缺陷。为了达到上述发明目的，本实用新型提供了一种涡流振动实验仪，其特征在于该仪器包括下述部件信号发生器、信号采集器和装设处理软件的计算机，所述信号发生器用于引入水流，并流经阻流体产生涡流振动的模拟信号后，送到信号采集器；信号采集器将该涡流振动模拟信号转换为数字信号后，送入由软件对信号进行处理并作实时显示的计算机；其中的信号发生器的箱体外侧一端设有控制外接水流体流量的阀门，箱体左右侧壁分别焊设有跨接于侧壁里外的进水嘴和出水嘴，位于箱体壁外部分的进水嘴上卡箍套接有进水管，出水嘴的箱体壁内和壁外两部分分别用卡箍套接有两段出水管；位于箱体内侧的进水嘴端面与锥体连接件的外径凸环之间设有密封圈，再用快接将进水嘴和锥体连接件、以及位于中间的密封圈夹紧为一体；该锥体连接件的一端紧贴进水嘴的内壁，另一端与呈螺旋状的金属丝阻流体的粗口端相焊接，并一起伸入箱体内的出水管中；该出水管的管壁贴紧压在将金属丝阻流体的振动信号转换为电信号的压电陶瓷片上，该压电陶瓷片、箱体内的水管、锥体连接件都固接于箱体底板上，再由该压电陶瓷片上的两根电线将振动电信号送至控制面板上的两个输出端。所述进水嘴和出水嘴都采用铜或铜合金制成，其中进水嘴的管径为14 18mm，出水嘴的管径为11 15mm，壁厚为0. 8 1. 4mm，长为20 25mm ；进水管和出水管为塑料或橡胶软管，其中进水管的内径为15 20mm，外径为17 22mm，长度不小于900mm，出水管的内径为12 17mm，外径为14 19mm，长度不小于600mm ；锥体连接件的材质为不锈钢，其粗口直径为10 18mm，细口直径为6 IOmm ；密封圈的材质是聚四氟乙烯，其内径和进水嘴的外径相同；压电陶瓷片是铜片衬底式压电蜂鸣片，其直径不小于32mm。。所述螺旋状的金属丝阻流体是用一根直径为0. 4 0. 7mm的不锈钢的弹簧钢丝或铜合金丝绕制而成，其形状为在一段长度为35 45mm的直线金属丝后，是呈锥体状的螺旋体，然后其另一端沿着螺旋体状内侧壁返回，从粗口伸出后，仍然是一段长度相同的直线金属丝；该两根平行金属丝用于将该金属丝阻流体固定于锥体连接件内。所述金属丝阻流体的螺旋体的长度为28 35mm，螺距为1. 5 5. 5mm,共绕制6 18圈；其粗口端内径不小于5mm，细口端内径不小于2mm，该金属丝阻流体与其外侧的锥体连接件的前端一起伸入箱体内的出水管中。所述压电陶瓷片是用粘结剂粘接于箱体底板，箱体内的出水管和锥体连接件是用紧固件固接于箱体底板。 所述信号采集器的电路板上设有压电转换等效电路、放大电路和模数转换电路， 从信号发生器两个输出端输出的振动电信号，先被送至压电转换等效电路进行处理，输出与水管的管壁振动位移成正比的信号，再经放大和模数转换后，由控制面板上的两个输出端与计算机的USB端口相连接，由计算机对其进行处理和显示。所述模数转换电路是型号为NI USB-6009的数据采集卡。本实用新型涡流振动实验仪的原理虽基于卡门涡旋的基本理论，但又是对该理论的拓展。该装置利用液体的流速Q与阻流体振动位移的方差ο 1/4呈线性关系这个原理，巧妙地设计了振动传感装置，并使其快速、精确地探测到阻流体的振动信号，再利用LABVIEW 软件编程进行各种数据分析，为涡旋理论的研究提供实验支持。在教学上，可根据需要选择不同的功能，展示流体力学的某些典型现象。相对现有技术，本实用新型具有以下优点该涡流振动实验仪的阻流体形状还可设计为其他形状，只要能够产生足够的振动信号即可。该装置结构简单，各个零件的材料成本和制作费用低廉，加工容易、便利，使用后工作稳定、精度高，且维护方便。实施例中利用 LABVIEW软件与OT USB-6009数据采集卡，实现了方便的数模转换和实时采样。另外，该装置的实验内容广泛，可以对流体内的阻流体振动特性进行比较细致的演示和研究；可以作为一种方便实用的流体力学中的湍流与非线性振动的教学实验仪器，具有很好的推广应用前景。
[0015]图1是本实用新型涡流振动实验仪的结构组成示意图。图2(A)、(B)分别是涡流振动实验仪的信号发生器结构组成的俯视图和侧视图。图3是信号发生器中呈螺旋状的金属丝阻流体结构示意图。图4是信号采集器内部电路结构示意图。图5是信号采集器内的等效电路实施例的电原理图、图6是信号采集器内的放大电路实施例的电原理图、图7和图8分别是本实用新型实施例试验时水的流速Q与振动位移的方差σ之间关系的两个测试曲线图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，
以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细描述。参见图1，介绍本实用新型涡流振动实验仪实施例的结构组成的三个部件信号发生器(长X宽X高400 X 300 X IOOmm3)、信号采集器(长X宽X高400 X 300 X IOOmm3) 和装设处理软件的计算机。信号发生器用于引入水流，并流经阻流体产生涡流振动的模拟信号后，由其输出端口①和②送到信号采集器的输入端口③和④；信号采集器将该涡流振动模拟信号转换为数字信号后，由其输出端口⑤送入计算机的USB接口，只要开启开关⑥ 后，就能够利用申请人自行研制的LABVIEW软件直接控制计算机中数据采集卡的工作状态，并将放大后的信号实时输入到计算机，由软件对信号进行处理并作实时显示。参见图2，介绍该装置核心部件信号发生器的结构组成。箱体外侧一端设有控制外接水流体流量的阀门(参见图1)，箱体的左右侧壁分别焊设有跨接于侧壁里外的进水嘴 2和出水嘴6，位于箱体壁外部分的进水嘴2上经卡箍8套接有进水管1，出水嘴7的箱体壁内和壁外两部分分别用卡箍8套接有两段出水管5和7 ；位于箱体内侧的进水嘴2端面与锥体连接件3的外径凸环之间设置有聚四氟乙烯制成的密封圈11 (其内径和进水嘴2的外径相同)，再用快接10将进水嘴2和锥体连接件3、以及位于中间的密封圈11夹紧为一体。由不锈钢材质制成的该锥体连接件3 (其粗口直径为10 18mm，细口直径为6 IOmm) 的一端紧贴进水嘴2的内壁，另一端与呈螺旋状的金属丝阻流体4的粗口端相焊接，并一起伸入箱体内的出水管5中。该出水管5的管壁贴紧压在将金属丝阻流体4的振动信号转换为电信号的压电陶瓷片13(即铜片衬底式压电蜂鸣片，直径不小于32mm)上，该压电陶瓷片 13粘接在箱体底板9上，箱体内的出水管5、锥体连接件3通过紧固件12固接于箱体底板9 上，再由该压电陶瓷片13上的两根电线I和II将振动电信号送至控制面板上的两个输出端①和②。进水嘴和出水嘴都用铜或铜合金制成，其中进水嘴的管径为14 18mm，出水嘴的管径为11 15mm，壁厚为0.8 1. 4mm，长为20 25mm。进水管和出水管为塑料或橡胶软管，进水管的内径为15 20mm，外径为17 22mm，长度不小于900mm，出水管的内径为 12 17_，外径为14 19_，长度不小于600_。参见图3，介绍金属丝阻流体4的结构用一根直径为0. 4 0. 7mm的不锈钢弹簧钢丝或铜合金丝绕制而成的螺旋状锥体，具体形状为在一段长度b = 35 45mm的直线金属丝后，是呈锥体状的螺旋体(其长度c =观 35mm，螺距为1. 5 5. 5mm,共绕制6 18圈)，然后其另一端沿着螺旋体状内侧壁返回，从粗口端伸出后，仍然是一段相同长度b = 35 45mm的直线金属丝。该两根平行金属丝用于将该金属丝阻流体4固定于锥体连接件 3内。该阻流体4的螺旋体粗口端内径a > 5mm,细口端内径d > 2mm,该金属丝阻流体4与其外侧的锥体连接件3的前端一起伸入箱体内的出水管5中。参见图4，介绍信号采集器的电路结构其控制电路板上设有压电转换等效电路、 放大电路和模数转换电路(实施例采用的NI USB-6009的数据采集卡)，其中，开关⑥控制电源⑦的供电，从信号发生器输出的振动电信号连接至其输入端口③和④，先被送至压电转换等效电路进行处理，输出与水管的管壁振动位移成正比的信号，再经放大、滤波等处理后输出到数转换电路后，转换后的数字信号经由控制面板上的输出端口⑤被送至计算机的 USB端口，由计算机对其进行处理和显示。本实用新型内，有水流通过阻流体4时，就会激起其振动，该振动通过出水管5的管壁传递给压电陶瓷片13，使得压电陶瓷片13中的压电晶体发生应变，在输出电极上产生电荷。参见图5，介绍本实用新型实施例的压电陶瓷片与分压电阻组成的等效电路。实际电路中，R1 = Ra+Rb =，压电陶瓷片13的等效电容约为InF，则等效电路的驰豫时间t = R1C 5X10_6秒，也就是说每间隔时间5X10_6秒，压电陶瓷片极板的电荷就减少2. 718倍。因为极板上的电荷变化周期远大于5 X 10_6秒时，可以认为其极板不会积累残余电荷。而回水管中的阻流体振动频率只有IKHz左右，其周期约为10_3秒，远大于驰豫时间。因此，可以认为任何一个时刻压电陶瓷片上的电荷都已通过RC回路中耗尽了。故设压电陶瓷片的两极在非常短的时间dt内感受到来自水管壁的压力变化为dF，其使压电陶瓷片的距离变化为dy = klClF，则产生的电荷dQ = k2dy = k^dF，其中的Ic1A2分别是取决于压电陶瓷片性能的两个常数。由于可以认为每个时刻极板上的电荷都已通过RC等效回
路耗尽，故通过Rb的电流I= =k,k2 χ —。于是Rb输出的电压信号为υ=ΙΙ 2 χ —,
dt 1 2 dt dt
即输出信号与水管壁的振动速度成正比。由凡输出的电压信号，先要经过一个放大电路，再经由模数转换电路转换为数字信号。参见图6，介绍该实用新型实施例的放大电路。由压电陶瓷片输出的信号经过分压电阻R1调节后，由集成运放AD623(其从电源插槽输入6V直流电压驱动)进行前置放大，由电阻&调节其放大系数(当&为I时，放大倍数为51)。放大后的信号经由电容Q、C2 (两个电容值都为100F)滤掉直流分量，且对于IOOHz的信号，电容阻抗仅为10Ω，这远小于R3。 因阻流体4的振动频率在几百赫兹，因此对于交变信号，可以忽略电容造成的相位与阻抗随频率的不同而引起的非线性误差。由&输出的电压信号经过NI USB-6009型模数转换数据采集卡转化为数字信号后，输送给计算机。NI USB-6009型数据采集卡支持LAB VIEW软件。实施例的仿真实验中利用 LABVIEff软件直接控制采集卡的工作状态，并将放大后的信号实时输入到自行设计的程序进行相关运算。根据需要，模数转换采集卡的采样率设置为40K/s，每次采样时间为Is。本实用新型的计算机为普通PC机，其处理软件是用LABVIEW编写完成的。该处理软件可以实现频谱分析、振幅分析和流量-振幅分析三个功能，具体操作步骤如下(一 )频谱分析[0035]眷选择I频谱分M选项；參选择I查看频率的方式丨a.查看所有频率(显示所有频率的信息)b.查看指定频率(在“频率选择”中输入希望查看的频率，计算机将会显示该频率随时间的振幅关系)c.自动查看频率(将根据程序设计中指定的频率进行显示)眷点击I频谱分#按钮，开始进行频谱分析(二)振幅分析眷择I振幅分M选项 点击_幅分硐按钮(计算机将实时显示平均振幅和振幅方差)眷择I关联分析I键，进行振动信号_间关_分析(左关右开)(三)流量-振幅分析Φ点击I流量-振幅分析I按钮眷点击Istart/stoFI按钮，启动/关闭秒表计时器功能，再由Gi^清零眷点击I容器容并输入相应的使用的容器容量眷在|Υ= ( ) xX> ( ) I中输入相应的拟合系数本实用新型已经试制了性能样机，并进行了多次实施试验，研究了阻流体的振动位移的时间导数和流量之间的关系。在处理软件的功能选择界面中，选择
资υ量-振幅分然后利用软件程序分别测量不同流速下振动位移的方差σ，图7所示是
其中的一组试验的测量结果。从图7可以清楚看到，振动位移的方差ο是随流量Q的增加而迅速增加的。当将横轴改为σ 1/4，纵轴仍为流量Q时，其测试结果如图8所示。实际应用表明，本实用新型仪器的试验是成功的，其能够较好地演示阻流体的振动特性，又能够进行有效的实验测量和研究，实现了发明目的。
权利要求1.一种涡流振动实验仪，其特征在于该仪器包括下述部件信号发生器、信号采集器和装设处理软件的计算机，所述信号发生器用于引入水流，并流经阻流体产生涡流振动的模拟信号后，送到信号采集器；信号采集器将该涡流振动模拟信号转换为数字信号后，送入由软件对信号进行处理并作实时显示的计算机；其中的信号发生器的箱体外侧一端设有控制外接水流体流量的阀门，箱体左右侧壁分别焊设有跨接于侧壁里外的进水嘴和出水嘴， 位于箱体壁外部分的进水嘴上卡箍套接有进水管，出水嘴的箱体壁内和壁外两部分分别用卡箍套接有两段出水管；位于箱体内侧的进水嘴端面与锥体连接件的外径凸环之间设有密封圈，再用快接将进水嘴和锥体连接件、以及位于中间的密封圈夹紧为一体；该锥体连接件的一端紧贴进水嘴的内壁，另一端与呈螺旋状的金属丝阻流体的粗口端相焊接，并一起伸入箱体内的出水管中；该出水管的管壁贴紧压在将金属丝阻流体的振动信号转换为电信号的压电陶瓷片上，该压电陶瓷片、箱体内的水管、锥体连接件都固接于箱体底板上，再由该压电陶瓷片上的两根电线将振动电信号送至控制面板上的两个输出端。
2.根据权利要求1所述的涡流振动实验仪，其特征在于所述进水嘴和出水嘴都采用铜或铜合金制成，其中进水嘴的管径为14 18mm，出水嘴的管径为11 15mm，壁厚为 0. 8 1. 4mm,长为20 25mm ；进水管和出水管为塑料或橡胶软管，其中进水管的内径为 15 20mm，外径为17 22mm，长度不小于900mm，出水管的内径为12 17mm，外径为14 19mm，长度不小于600mm ；锥体连接件的材质为不锈钢，其粗口直径为10 18mm，细口直径为6 IOmm;密封圈的材质是聚四氟乙烯，其内径和进水嘴的外径相同；压电陶瓷片是铜片衬底式压电蜂鸣片，其直径不小于32mm。
3.根据权利要求1所述的涡流振动实验仪，其特征在于所述螺旋状的金属丝阻流体是用一根直径为0. 4 0. 7mm的不锈钢的弹簧钢丝或铜合金丝绕制而成，其形状为在一段长度为35 45mm的直线金属丝后，是呈锥体状的螺旋体，然后其另一端沿着螺旋体状内侧壁返回，从粗口伸出后，仍然是一段长度相同的直线金属丝；该两根平行金属丝用于将该金属丝阻流体固定于锥体连接件内。
4.根据权利要求3所述的涡流振动实验仪，其特征在于所述金属丝阻流体的螺旋体的长度为28 35mm，螺距为1. 5 5. 5mm，共绕制6 18圈；其粗口端内径不小于5mm，细口端内径不小于2mm，该金属丝阻流体与其外侧的锥体连接件的前端一起伸入箱体内的出水管中。
5.根据权利要求1所述的涡流振动实验仪，其特征在于所述压电陶瓷片是用粘结剂粘接于箱体底板，箱体内的出水管和锥体连接件是用紧固件固接于箱体底板。
6.根据权利要求1所述的涡流振动实验仪，其特征在于所述信号采集器的电路板上设有压电转换等效电路、放大电路和模数转换电路，从信号发生器两个输出端输出的振动电信号，先被送至压电转换等效电路进行处理，输出与水管的管壁振动位移成正比的信号， 再经放大和模数转换后，由控制面板上的两个输出端与计算机的USB端口相连接，由计算机对其进行处理和显示。
7.根据权利要求6所述的涡流振动实验仪，其特征在于所述模数转换电路是型号为 NI USB-6009的数据采集卡。
专利摘要一种涡流振动实验仪，设有信号发生器、信号采集器和计算机，信号发生器用于引入水流，并流经阻流体产生涡流振动的模拟信号后，送到将涡流振动模拟信号转换为数字信号的信号采集器，再送入由软件对信号进行处理并实时显示的计算机。信号发生器设有分别卡接进水管和两段出水管的进水嘴和出水嘴，快接将进水嘴、锥体连接件与位于其中间的密封圈夹紧为一体。锥体连接件与螺旋状的金属丝阻流体的粗口端相焊接，并伸入箱体内出水管。该出水管管壁紧压在压电陶瓷片上，将金属丝阻流体的振动信号转换为电信号后，送去信号采集器和计算机进行处理。该装置结构简单，成本低廉，操作容易，可用作对流体中阻流体的振动进行研究的高校物理实验装备。
文档编号G09B23/12GK202205375SQ201120309480
公开日2012年4月25日 申请日期2011年8月23日 优先权日2011年8月23日
发明者孙萍, 杨润秋, 沈哲思, 潘斐, 白在桥 申请人:北京师范大学