专利名称：微型总压探针及其制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种用于在流场中测量压力的微型总压探针及其制作方法，属于流场测量技术设备。
背景技术：
在微电子机械系统(MEMS)近年来获得了飞速发展的基础上，航空航天领域出现了诸如微型飞行器，微型涡轮发动机，微型卫星和微型火箭等微型机械。进行这些涉及流体运动的各种微型化装置的研究和开发等技术工作，需要进行相应的微尺度流场实验研究。
当前相当多的微尺度流动尤其是特征尺度在毫米和厘米量级的，目前这一等级的微流动还缺乏有效的实验测量手段。迄今为止，国内外多数微流动实验只是测量了通道进出口的压差，籍此得到的仅仅是微尺度流动的平均摩擦阻力特性，无法得知沿程分布且其结果不可避免的包含进、出口流动损失，因此测量结果不够细致、准确。采用分子跟踪测速技术(MTV)和微粒子图象测速技术(M-PIV)可以获取详细的流场速度分布信息，但因为这类设备价格昂贵(价值数百万元人民币以上)，使用技术复杂，因此使用受到局限，一般用于微米级微流动的实验测量。
发明内容
本发明提出的一种用于在流场中测量压力的微型总压探针，旨在发展常规测量手段，对于特征尺度在毫米和厘米级的流场，利用微型总压探针测量，获取微尺度流场总压(流速)分布的详细信息，又能确保微型总压探针强度可承受微尺度低雷诺数气流作用于探针的载荷且不影响微型总压探针刚度。本发明的技术解决方案微型总压探针，其结构是具有三级外径，阶梯形圆管，探针头部外径为0.2mm，三级的长度比为1∶(3～5)∶(8～12)，对应于三级长度的外径比为1∶2∶5。
微型总压探针的制作方法，其工艺步骤分(一)微细电火花加工工艺；(二)纯水微细电解加工工艺；(三)微操作工艺。
所述的微细电火花加工工艺步骤(一)是在电火花加工过程中，通过对圆管进行脉冲放电，电火花造成材料微团的去除和放电坑的产生，从而形成上述圆管1/2外径的两级阶梯形圆管。
所述的纯水微细电解加工工艺步骤(二)是将上述两级阶梯形圆管作为工具阳极，一金属平板作为工具阴极，采用纯水作为工作液，外加电场，迅速对圆管端面进行抛光，避免由于杂散腐蚀造成的端面边缘蚀除，保证清棱清角，采用强化导电联接工艺，保证零件的气密和可加工性，这样得到了微型总压探针第一、二两级阶梯形圆管。
所述的微操作工艺步骤(三)是通过微定位平台系统、微操作机械手、显微图像及自动聚焦系统将一外径为第一级圆管外径五倍的空心圆管套在上述工艺步骤得到的两级阶梯形圆管外面，在确保同心后采用粘结剂将这两个圆管粘结在一起以获得三级阶梯形圆管的微型总压探针。
本发明的优点为微流体力学实验提供了有效的测量手段，三级阶梯形状的微型总压探针设计既可以保证有效测量尺度在毫米和厘米级的流场总压分布，又能确保微型总压探针强度可承受微尺度低雷诺数气流作用于探针的载荷，且不影响微型总压探针刚度。本发明的微型总压探针造价低，使用方便，经济可靠。采用微细电火花和微细电解复合加工工艺，整个制作过程采用一次装夹，定位精度达到2μm；加工过程中采用交流脉冲电源技术，保证较低的加工粗糙度；采用纯水微细电解加工工艺，实现端面抛光，降低了加工表面粗糙度，采用强化导电联接工艺，保证零件的气密和可加工性，采用微操作工艺，保证装配的技术要求。
附图是微型总压探针实施例结构示意图，图中的A1、A2、A3是三管的根部位置，L1、L2、L3分别是三管的长度。
具体实施例方式
实施例1、2、3，在三管段上均布载荷，三管的长度L1、L2、L3对应的三管外径是D1、D2、D3。
其结构是微型总压探针具有三级外径，逐级阶梯形圆管，头部外径为0.2mm，三管的外径D1、D2、D3分别为0.2mm，0.4mm，1mm；三管的长度其中实施例1中的三管的长度L1、L2、L3分别为2mm，6mm，16mm。
实施例2中的三管的长度L1、L2、L3分别为2mm，8mm，20mm。
实施例3中的三管的长度L1、L2、L3分别为2mm，10mm，24mm。
微型总压探针的制作方法微细电火花加工工艺步骤(一)是在电火花加工过程中，通过对外径0.4mm的圆管进行脉冲放电，电火花造成材料微团的去除和放电坑的产生，从而形成第一级外径0.2mm、第二级外径0.4mm的两级阶梯形圆管。
纯水微细电解加工工艺步骤(二)是将上述两级阶梯形圆管作为工具阳极，一金属平板作为工具阴极，采用纯水作为工作液，外加电场，迅速对圆管端面进行抛光，避免由于杂散腐蚀造成的端面边缘蚀除，保证清棱清角，采用强化导电联接工艺，保证零件的气密和可加工性，这样得到了经抛光工艺后的微型总压探针第一、二两级阶梯形圆管。
微操作工艺是通过微定位平台系统(德国PI公司的M-415.PD型组装)、微操作机械手(美国Sutter公司的MP285型)、显微图像及自动聚焦系统(显微镜采用Navitar公司的12X显微镜，CCD采用美国UNIQ公司的UM201，图像采集处理卡采用加拿大Matrox公司的Genesis系统卡，选择性自动聚焦系统，由一维运动平台来实现，平台采用德国PI公司的M126.DG)组成微装配系统。可对尺寸大小在微尺度(1μm-100μm)和中等尺度(100μm-1μm)范围内的微小零件进行装配。本工艺是将一段外径1mm、内径0.5mm的空心圆管套在前面工艺得到的两级阶梯形圆管外面，在确保同心后采用粘结剂将这两个圆管粘结在一起以获得第一级外径为0.2mm、第二级外径为0.4mm、第三级外径为1mm的三级阶梯形的微型总压探针。
表1为总压探针的强度、刚度估算结果。
表2为微型总压探针最大挠度的计算结果，从中可以看出总挠度均小于各管长的1％，满足要求。
表1总压探针的强度、刚度估算结果
表2微型总压探针最大挠度计算结果(单位mm)
这些通过现有技术计算所分析的受载是假设探针与气流垂直条件下的结果，而本发明的微型总压探针实际使用中与气流的夹角不会大于10～15度，实际的载荷比计算假设的载荷小1～2个数量级。因此，这样的设计方案能保证不会因变形而影响测量的准确性。
权利要求
1.微型总压探针，其特征在于具有三级外径，阶梯形圆管，探针头部外径为0.2mm，三级的长度(L1∶L2∶L3)＝1∶(3～5)∶(8～12)，对应于三级长度(L1、L2、L3)的外径(D1∶D2∶D3)＝1∶2∶5。
2.微型总压探针的制作方法，其特征是它的工艺步骤分(一)微细电火花加工工艺；(二)纯水微细电解加工工艺；(三)微操作工艺。
3.根据权利要求2所述的微型总压探针的制作方法，其特征是所述的微细电火花加工工艺步骤(一)是在电火花加工过程中，通过对圆管进行脉冲放电，电火花造成材料微团的去除和放电坑的产生，从而形成上述圆管1/2外径的两级阶梯形圆管。
4.根据权利要求2所述的微型总压探针的制作方法，其特征是所述的纯水微细电解加工工艺步骤(二)是将上述两级阶梯形圆管作为工具阳极，一金属平板作为工具阴极，采用纯水作为工作液，外加电场，迅速对圆管端面进行抛光，避免由于杂散腐蚀造成的端面边缘蚀除，保证清棱清角，采用强化导电联接工艺，保证零件的气密和可加工性，这样得到了微型总压探针第一、二两级阶梯形圆管。
5.根据权利要求2所述的微型总压探针的制作方法，其特征是所述的微操作工艺步骤(三)是通过微定位平台系统、微操作机械手、显微图像及自动聚焦系统将一外径为第一级圆管五倍的空心圆管套在上述工艺步骤得到的两级阶梯形圆管外面，在确保同心后采用粘结剂将这两个圆管粘结在一起以获得三级阶梯形梯形圆管的微型总压探针。
全文摘要
本发明是微型总压探针及其制作方法，其结构是具有三级外径，阶梯形圆管，头部外径为0.2mm，三管的外径D1∶D2∶D3＝1∶2∶5，三管的长度L1∶L2∶L3＝1∶(3～5)∶(8～12)。制作方法采用微细电火花和微细电解复合加工工艺，整个制作过程采用一次装夹，定位精度达到2μm；其体工艺步骤分一、微细电火花加工工艺；二、纯水微细电解加工工艺；三、微操作工艺。优点为微流体力学实验提供了有效的测量手段，三级阶梯形状的微型总压探针设计既可以保证有效测量尺度在毫米和厘米级的流场总压分布，又能确保微型总压探针强度可承受微尺度低雷诺数气流作用于探针的载荷且不影响微型总压探针刚度。造价低，使用方便，经济可靠。
文档编号G01P5/14GK1693897SQ200510040128
公开日2005年11月9日 申请日期2005年5月23日 优先权日2005年5月23日
发明者黄国平, 汪炜, 梁德旺 申请人:南京航空航天大学