专利名称:一种调频型流体壁面剪切力仪的制作方法
本发明为流体力学实验中测定流体对固体壁面的流体剪切应变率，以确定作用于壁面的剪切应力或摩擦力的仪器，属于计量流体应力的仪器类。
用以驱动宇航飞行器和潜射航行器的能量要用来克服其表皮所受空气或水的摩擦力。石油工业与市政工程中，通过管道输送油、水或气时，主要由管道内壁的摩擦阻力决定耗能的多少。为了节能及改善上述管道和飞行器等的性能，需要在研制阶段借助于仪器测定不同形状及不同表面粗糙度情况下的摩擦阻力。此外，在压水堆式核电站反应器的设计阶段，也需要测定其模型棒束流场的剪切变形速率。本发明即应上述需要而创制。在本发明以前，一般是采用Preston管式、热膜式或电化学式流体剪切力仪做为测量仪器。但是，Preston管插入流体近壁层会显著地干扰流场，使测值不能反映真实的受力情况。热膜式流体剪切力仪基于热膜式剪力法的理论基础，即承认热交换与动量交换这两种物理现象之间存在着确定的比拟关系，但这种比拟关系是否确实成立，目前仍有很大疑点，因而其测值的代表性并不可靠。电化学测量仪也以承认电化学反应与剪力之间的比拟关系为前提，故也是非直接测量，目前，对其测值的解释尚有很大分歧。发明人在本发明以前，曾在英国发明了激光流体应变率仪，激光流体应变率仪可直接测量应变率。此外，美国田纳西大学吴建民教授及Vakili博士在美国1986年航天航空学术会议上公开了一种活动条带式流体摩擦力仪，也可以用来直接测量应变率。
上述两种应变率仪比Preston管式、热膜式和电化学式应变率仪有了很大改进。但是，激光流体应变率仪体积太大，造价昂贵，且要求流体及被测壁面透明；而活动条带式流体摩擦力仪采用调幅式信号转换，因而容易因温度等环境变化而造成零点漂移及特性校正曲线的改变。这些缺点限制了上述两种应变率仪的适用范围。
本发明的目的是提供一种直测式的剪切力仪，并采用调频式信号转换，以易于直接对流体壁面剪切力进行测量，并能使读数零点稳定，仪器安装方便，且制造工艺简单的流体壁面剪切力仪。
本发明的技术解决方案是剪切力仪中的承剪片(5)绕在支承辊(6)上，并与金属丝(13，14)相连，应变测量装置包括一个固定在瓷垫座(8)上的永磁铁(7)，音频放大器集成片(1)和(4)，混频器集成片(2)和直流放大器集成片(3)。
在本发明中仪器输出信号的频率将随欲测的摩擦力之大小而变化，属调频工作方式，抗干扰能力强，易于遥传，不必经模数转换环节即可直接输送给电子计算机进行数据处理。敏感元件对偶式地差动布置，仪器输出信号为两元件自振频率的差拍频率，可补偿温湿度影响，扩大适用的温度范围。传力与导电部件都可以用高强度金属丝与带，经熔接焊联接，没有粘接环节，避免了由蠕变徐滑产生的零点漂移。在仪器安装时即调整得使其与零荷载对应的差拍频率等于某一特定频率(如2KHZ)，而在受正方向剪切力时，输出频率将由该特定频率增高，受负方向剪切力时输出频率将由该特定频率降低，从而能够测定湍动流体中正负交变的剪切力。在本发明中，用与被测模型表面具有同等粗糙度的活动承剪片(5)来承接传递剪切力，可以尽可能真实而无畸变地反映流体施加于飞行器表面的剪切力。承剪片(5)光滑地浮贴在可绕轴旋转的圆弧形轮廓的支承辊(6)表面，可以减少上游(迎流面)与下游(背流面)间隙因剪切力作用而变动大小及上下游压力差所带来的误差。支承辊(6)可以采用转轴位于中间高度的椭圆形，也可以采用转轴位于圆心的圆形。承剪片(5)的延伸部分与左右两根金属丝(13，14)用熔接焊焊牢。金属丝(13，14)最好采用钨铼合金丝。金属丝(13，14)分别借助于纯镍片焊接固定在调节螺栓(9)上端。调节螺栓(9)采用异形螺栓，即在调节螺栓(9)的一端沿螺栓中心线用一纵切面与一垂直于直径的横切面切去一块的螺栓，这样可保证金属丝(13，14)不致随调节螺栓(9)的旋转而缠绕导致损坏。S和N分别代表钐钴(Sm－CC)永磁铁(7)的南北极。永磁铁(7)固定在瓷垫座(8)上，瓷垫座(8)上有预置的半圆孔(10)以限制调节螺栓(9)的转动。O代表仪器的输出端，GND代表仪器接地端。借助于底板(11)上螺孔(12)可调节仪器使承剪片(5)恰好与试验模型表面齐平。金属丝(13，14)自振时切割永磁铁(7)的磁力线将产生交变电信号，将这些信号馈送给音频放大器集成片(1，4)，放大后，送混频器集成片(2)混频，然后将差拍信号送到直流放大器集成片(3)放大，最后经输出端O输出，经低通滤波后可得金属丝(13，14)自振频率之差。图中表示调频型流体壁面剪切力仪的平面图与A－A剖面图。
1和4－音频放大器集成片2－混频器集成片3－直流放大器集成片
5－承剪片6－支承辊7－永磁铁8－瓷垫座9－调整螺栓10－半圆孔11－底板12－螺孔13和14－金属丝本发明结构简单，使用安全，节省能耗，且适用于宇航、核能、石油及土建水利多项领域中。
权利要求
1.一种调频型流体壁面剪切力仪，有仪器外壳，承剪片(5)和应变测量装置，其特征在于承剪片(5)绕在支承辊(6)上，并与金属丝(13，14)相连，应变测量装置包括一个固定在瓷垫座(8)上的永磁铁(7)，音频放大器集成片(1)(4)，混频器集成片(2)和直流放大器集成片(3)。金属丝(13，14)自振时切割永磁铁(7)的磁力线，产生交变电信号送给音频放大集成片(1，4)，放大后送混频器集成片(2)，再经直流放大器集成片(3)将差拍信号放大，由输出端0输出。
2.如权利要求
1的调频型流体壁面剪切力仪，其特征在于金属丝(13，14)是钨铼合金丝。
3.如权利要求
1或2的调频型流体壁面剪切力仪，其特征在于调节螺栓(9)是异形螺栓，即在调节螺栓(9)的一端沿螺栓中心线用一纵切面与一垂直于直径的横切面切去一块的螺栓。
专利摘要
一种调频型流体壁面剪切力仪，可用来测定接近固体壁面的流体剪切应变率，是确定作用于壁面的剪切应力或摩擦力的仪器。本实用新型的技术解决方案是剪切力仪中的承剪片绕在支承辊上，并与金属丝相连，应变测量装置包括一个固定在瓷垫座上的永磁铁，音频放大器集成片，混频器集成片和直流放大器集成片。
文档编号G01N11/00GK87205821SQ87205821
公开日1988年2月3日 申请日期1987年4月4日
发明者孙厚钧 申请人:北京建筑工程学院导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan