一种测量平板边界层内微小表面空气摩擦阻力的测力天平的制作方法

本实用新型属于流体力学空气阻力测量技术领域，特别涉及一种测量平板边界层内微小表面空气摩擦阻力的测力天平及其标定，适合流体力学实验室以及相关专业学校、研究所使用。

背景技术：

在实验研究和工程应用中，我们经常需要测量湍流边界层内的微小空气摩擦阻力(10^-4N数量级甚至更低)，然而，国内外市场均无现成仪器能够准确地直接测量如此小的空气摩擦阻力。虽然目前有很多种非直接测量的手段，比如光学，电磁学，传热学，特殊涂层等，但这些测量手段都不能达到很好的效果或者因其标定困难精确度较低。本实用新型为一超高灵敏度支撑在刀片上的测力天平，浮动控制平面受到的空气摩擦阻力通过测力天平放大传递到力传感器，再由计算机对力传感器的输出信号进行采集。由于平板受到的空气摩擦阻力极小，无法使用传统的砝码标定力传感器的方法，本实用新型已成功解决该问题，即采用热线风速仪测量边界层流向速度分布来计算当地空气摩擦阻力，并以此标定测力天平。测量结果已与由热线测量的局部摩擦力积分的结果相比较而得到验证。

本实用新型使用直接测量的方法，通过力传感器测量浮动控制平面受到的空气摩擦阻力，并提出一种新型的标定方法来完成目前科学任务。用直接的方法测量表面空气摩擦阻力有助于减少外界，如光、磁场等中间因素的干扰，从而具有很高的精准度。其简单的测力标定方法适合大规模推广，具有广阔的应用前景。同时，应用本实用新型可作为其他平板边界层空气摩擦阻力测量方法的标准或参考。

技术实现要素：

鉴于现有技术存在缺陷，本实用新型主要应用于测量平板边界层内空气摩擦阻力。为了解决平板边界层实验中表面空气摩擦阻力难以精确测量的问题，本实用新型提供了基于杠杆原理的一种测量平板边界层内微小表面空气摩擦阻力的测力天平。该测力天平的测量精度为5％，理论上，最小可以分辨5×10^-5N大小的摩擦力。

本实用新型通过以下技术方案来实现，一种测量平板边界层内微小表面空气摩擦阻力的测力天平，包括，平板1，支撑杆3，平衡杆4，配重5，支点6，力传感器7，浮动控制平面9，其中，平板和浮动控制平面处于同一平面且存在微小间隙，浮动控制平面与支撑杆连接并放置在支点上，支点和传感器设置在平衡杆上，两个配重分别设置于平衡杆的两端。

其中，优选所述间隙大小范围为0.4到0.6mm之间。

该测力天平使用热线风速仪进行标定。使用热线风速仪测量不同风速下的边界层速度曲线，并根据速度曲线计算得出表面摩擦阻力，依据计算出的阻力对测力天平进行标定。

流体流过平板，浮动控制平面受到的空气摩擦阻力通过支撑杆、支点、平衡杆传递后作用在传感器上。

在测力天平外侧设置保护壳2，使测力天平处于封闭的状态，减少外界空气流动对测力天平干扰。

其中，平衡杆为螺纹结构，两个配重可在平衡杆上通过旋转来调节配重位置，测力天平各部件处于紧密连接状态，通过调节配重在平衡杆的水平位置使力传感器在其规定量程内工作。

进一步的，优选所述的支撑杆使用的材料为密度小且刚度大的聚氧亚甲基(赛钢)，并优选采用中空的设计以减少质量。支撑杆的质量对测力天平时间分辨率有很高的影响，质量过大会使测力天平的响应速度降低，影响测力天平的灵敏度；支撑杆刚度不够则会导致测量过程中支撑杆发生形变，从而影响测量的准确性。因此，本测力天平中支撑杆采用密度小且刚度大的赛钢材料。

所述的测量平板边界层空气摩擦阻力的测力天平，支撑杆3放置在支点6上，优选为刀片型的支点，作用于浮动控制平面9上的微小表面空气摩擦阻力通过支撑杆3与平衡杆4传递给力传感器7，其放大倍数由力传感器7到刀片型支点6的距离以及浮动控制平面9到刀片型支点的距离决定。

其中，传感器通过连接螺栓8固定在平衡杆上，传感器优选高灵敏度力传感器。传感器可通过连接螺栓8改变力传感器7的水平位置，从而可以调整测力天平的放大倍数。本测力天平的放大倍数是45倍，为了与实际结合，可以设计不同尺寸的测力天平达到不同的放大倍数。

作用于浮动控制平面上的空气摩擦阻力，由天平放大后传递到力传感器输出电压信号，为了确定浮动控制平面受到的空气摩擦阻力与力传感器输出电压之间的关系，需要对测力天平进行标定。对于粗糙表面，可以采用砝码对测力天平进行标定。砝码标定装置一般由砝码、细线、定滑轮以及支架等部件组成，各部件之间的摩擦力与光滑壁面受到的空气摩擦阻力在同一量级。因此，对于光滑表面，砝码标定的方法已不再适用。本实用新型提出了一种全新的标定方法，在充分发展的湍流边界层中，使用已知风速下光滑表面受到的空气摩擦阻力对测力天平进行标定，其具体实现过程如下：

在零压梯度下，力传感器受到的力全部来自浮动控制平面受到的空气摩擦阻力，对于充分发展的湍流边界层，光滑表面受到的空气摩擦阻力与边界层内的壁面剪切速度满足公式：

式中，τ_w为光滑表面受到的空气摩擦阻力，u_τ为充分发展的湍流边界层内壁面剪切速度，ρ为空气密度，面积为A的光滑表面受到的摩擦阻力F可以表示为：

F＝τ_wA＝ρu_τ²A (2)

使用热线风速仪(HWA)测量不同风速下平板边界层内流向速度分布，再根据Clauser法则，在充分发展的湍流边界层对数区满足公式：

其中

y⁺＝yu_τ/ν (5)

式中，ν为空气运动粘度，和y分别为边界层内平均流向速度和距壁面距离，上标“+”表示无量纲化后的变量。得出充分发展的湍流边界层对数区平均速度、剪切速度和距壁面高度的关系：

从而计算出不同风速下湍流边界层的剪切速度u_τ，由于浮动控制平面上u_τ变化很小，前后缘差值小于1％，因而可以使用浮动控制平面中心位置的壁面剪切速度作为平面上平均壁面剪切速度，再通过公式(2)计算得到浮动控制平面受到的空气摩擦阻力。

本实用新型相对于现有技术的有益效果包括：

在平板边界层实验中，浮动控制平面受到的空气摩擦阻力通过测力天平放大传递到力传感器，然后转化为电压信号通过计算机进行采集。本测力天平的浮动控制平面可以为粗糙表面或光滑表面，平衡杆和配重是为了保证测力天平的平衡和调节测力天平中力传感器的预载荷。测力天平使用高灵敏度的力传感器以保证数据可靠，并通过改变其水平方向位置调整测力天平的放大倍数，使得整个测力天平具有高精度、高分辨率等特点。同时，本实用新型还提供了一种用于充分发展湍流边界层的方便且精确度高的标定方法。

在实验研究和工程应用中，我们经常需要测量湍流边界层内的空气摩擦阻力，其大小仅为10^-4N数量级甚至更低。然而，国内外市场均无现成仪器能够准确地直接测量如此小的空气摩擦阻力。本实用新型中的测力天平适用于平板边界层内空气摩擦阻力的精确测量，分辨率达5×10^-5N。

附图说明

图1本实用新型的一种测量平板边界层内微小表面空气摩擦阻力的测力天平的结构示意图；

图2采用本实用新型的测力天平进行标定的曲线示意图。

其中，平板1，保护壳2，支撑杆3，平衡杆4，配重5，支点6，传感器7，连接螺栓8，浮动控制平面9。

具体实施方式

下面结合附图详细介绍本实用新型的传感器制作工艺及工作方法的具体实施方式，但本实用新型不局限于此：

实施例1

如图1所示，一种测量平板边界层内微小表面空气摩擦阻力的测力天平，包括，平板1，支撑杆3，平衡杆4，配重5，支点6，力传感器7，浮动控制平面9，其中，平板和浮动控制平面处于同一平面且存在微小间隙，浮动控制平面与支撑杆连接并放置在支点上，支点和传感器设置在平衡杆上，两个配重分别设置于平衡杆的两端。

其中，间隙大小范围为0.4到0.6mm之间。

流体流过平板，浮动控制平面受到的空气摩擦阻力通过支撑杆、支点、平衡杆传递后作用在传感器上。

优选，在测力天平外侧增加保护壳2，使测力天平处于封闭的状态，减少外界空气流动对测力天平干扰。

其中，优选平衡杆为螺纹结构，两个配重可在平衡杆上通过旋转来调节配重位置，测力天平各部件处于紧密连接状态。

进一步的，优选所述的支撑杆使用的材料为密度小且刚度大的聚氧亚甲基(赛钢)，并优选采用中空的设计。

所述测力的放大倍数由力传感器7到刀片型支点6的距离以及浮动控制平面9到刀片型支点6的距离决定。优选本测力天平的放大倍数是45倍。

实施例2标定方法

采用实施例1所述的测力天平，通过已知的7个不同风速(0m/s、2.4m/s、3.08m/s、3.57m/s、4.25m/s、4.78m/s、4.96m/s)下浮动控制平面受到的空气摩擦阻力与力传感器输出电压之间的关系对测力天平进行标定，得到如图2所示的标定曲线，由图可见，测力天平的输出电压与浮动控制平面受到的空气摩擦阻力具有高度线性的特点，整体误差小于5％。在实际应用中，可以根据需要选取适当的风速进行标定。

对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。