專利名稱：渦流振動實驗儀的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種高校物理實驗裝置，確切地說，涉及一種渦流振動實驗儀，該裝置利用有彈性和耐腐蝕的金屬絲制成的螺旋狀阻流體，與管道中流動的液體相互作用， 再利用信號處理電路與軟件對其中涉及的流體力學、非線性動力學現象進行測量和研究， 屬于高等院校實驗教學儀器的技術領域。
背景技術：
1911年匈牙利科學家卡門在德國專門研究了不可壓縮的粘性流體繞流過圓柱體時發(fā)現當雷諾系數Re在IO2 IO5范圍時，圓柱體背后將產生有規(guī)律的漩渦交替脫落的現象，并且，漩渦脫落的頻率與流速成正比。這個現象被叫做“卡門渦旋”。實際上，由于卡門渦旋產生的振動并不是一個嚴格的正弦波形式，因此，其振動的頻譜必然具有一定的分布寬度，只有非常特殊形狀的阻流體才能夠產生比較窄與穩(wěn)定的頻譜分布。目前，對于一般阻流體的振動頻率特征的研究還比較少見。在流體力學中，“湍流”始終是一個研究熱點。研究湍流的方法主要集中于流速場的分布，而對于流體中，由湍流所引起的阻流體的振動研究卻比較少。我們知道當流速達到一定程度后，置于流體中的阻流體會激發(fā)湍流，而湍流又會反過來作用到阻流體上，造成阻流體的振動。因此，研究阻流體的振動特征，可以從另外一個側面來研究湍流現象。目前，中國高校中涉及湍流現象與研究的實驗儀器還十分少見，主要原因是相關儀器的結構復雜、售價昂貴、操作繁碩，故主要用于科研。而且，許多相關儀器的功能單一， 缺乏互動性和探究性，難以滿足教學需求。因此，設計一種普及性的、操作方便的、具有很強的互動性的關于流體力學的教學實驗儀器具有非常重要的現實需求和實用意義。

實用新型內容有鑒于此，本實用新型的發(fā)明目的是提供一種渦流振動實驗儀，該儀器的原理基于卡門渦旋理論及其推廣，它能夠從多方面對流體中阻流體的振動特征進行測量，并且能夠方便、快捷、實時采樣與處理的實驗教學儀器，可以用作對流體中阻流體的振動特征進行研究的高校物理實驗裝備，以解決目前國內對流體力學中的渦流振動現象的研究只是集中于流速場，對于流體中阻流體的振動特征研究缺乏相應裝備的缺陷。為了達到上述發(fā)明目的，本實用新型提供了一種渦流振動實驗儀，其特征在于該儀器包括下述部件信號發(fā)生器、信號采集器和裝設處理軟件的計算機，所述信號發(fā)生器用于引入水流，并流經阻流體產生渦流振動的模擬信號后，送到信號采集器；信號采集器將該渦流振動模擬信號轉換為數字信號后，送入由軟件對信號進行處理并作實時顯示的計算機；其中的信號發(fā)生器的箱體外側一端設有控制外接水流體流量的閥門，箱體左右側壁分別焊設有跨接于側壁里外的進水嘴和出水嘴，位于箱體壁外部分的進水嘴上卡箍套接有進水管，出水嘴的箱體壁內和壁外兩部分分別用卡箍套接有兩段出水管；位于箱體內側的進水嘴端面與錐體連接件的外徑凸環(huán)之間設有密封圈，再用快接將進水嘴和錐體連接件、以及位于中間的密封圈夾緊為一體；該錐體連接件的一端緊貼進水嘴的內壁，另一端與呈螺旋狀的金屬絲阻流體的粗口端相焊接，并一起伸入箱體內的出水管中；該出水管的管壁貼緊壓在將金屬絲阻流體的振動信號轉換為電信號的壓電陶瓷片上，該壓電陶瓷片、箱體內的水管、錐體連接件都固接于箱體底板上，再由該壓電陶瓷片上的兩根電線將振動電信號送至控制面板上的兩個輸出端。所述進水嘴和出水嘴都采用銅或銅合金制成，其中進水嘴的管徑為14 18mm，出水嘴的管徑為11 15mm，壁厚為0. 8 1. 4mm，長為20 25mm ；進水管和出水管為塑料或橡膠軟管，其中進水管的內徑為15 20mm，外徑為17 22mm，長度不小于900mm，出水管的內徑為12 17mm，外徑為14 19mm，長度不小于600mm ；錐體連接件的材質為不銹鋼，其粗口直徑為10 18mm，細口直徑為6 IOmm ；密封圈的材質是聚四氟乙烯，其內徑和進水嘴的外徑相同；壓電陶瓷片是銅片襯底式壓電蜂鳴片，其直徑不小于32mm。。所述螺旋狀的金屬絲阻流體是用一根直徑為0. 4 0. 7mm的不銹鋼的彈簧鋼絲或銅合金絲繞制而成，其形狀為在一段長度為35 45mm的直線金屬絲后，是呈錐體狀的螺旋體，然后其另一端沿著螺旋體狀內側壁返回，從粗口伸出后，仍然是一段長度相同的直線金屬絲；該兩根平行金屬絲用于將該金屬絲阻流體固定于錐體連接件內。所述金屬絲阻流體的螺旋體的長度為28 35mm，螺距為1. 5 5. 5mm,共繞制6 18圈；其粗口端內徑不小于5mm，細口端內徑不小于2mm，該金屬絲阻流體與其外側的錐體連接件的前端一起伸入箱體內的出水管中。所述壓電陶瓷片是用粘結劑粘接于箱體底板，箱體內的出水管和錐體連接件是用緊固件固接于箱體底板。 所述信號采集器的電路板上設有壓電轉換等效電路、放大電路和模數轉換電路， 從信號發(fā)生器兩個輸出端輸出的振動電信號，先被送至壓電轉換等效電路進行處理，輸出與水管的管壁振動位移成正比的信號，再經放大和模數轉換后，由控制面板上的兩個輸出端與計算機的USB端口相連接，由計算機對其進行處理和顯示。所述模數轉換電路是型號為NI USB-6009的數據采集卡。本實用新型渦流振動實驗儀的原理雖基于卡門渦旋的基本理論，但又是對該理論的拓展。該裝置利用液體的流速Q與阻流體振動位移的方差ο 1/4呈線性關系這個原理，巧妙地設計了振動傳感裝置，并使其快速、精確地探測到阻流體的振動信號，再利用LABVIEW 軟件編程進行各種數據分析，為渦旋理論的研究提供實驗支持。在教學上，可根據需要選擇不同的功能，展示流體力學的某些典型現象。相對現有技術，本實用新型具有以下優(yōu)點該渦流振動實驗儀的阻流體形狀還可設計為其他形狀，只要能夠產生足夠的振動信號即可。該裝置結構簡單，各個零件的材料成本和制作費用低廉，加工容易、便利，使用后工作穩(wěn)定、精度高，且維護方便。實施例中利用 LABVIEW軟件與OT USB-6009數據采集卡，實現了方便的數模轉換和實時采樣。另外，該裝置的實驗內容廣泛，可以對流體內的阻流體振動特性進行比較細致的演示和研究；可以作為一種方便實用的流體力學中的湍流與非線性振動的教學實驗儀器，具有很好的推廣應用前景。

[0015]圖1是本實用新型渦流振動實驗儀的結構組成示意圖。圖2(A)、(B)分別是渦流振動實驗儀的信號發(fā)生器結構組成的俯視圖和側視圖。圖3是信號發(fā)生器中呈螺旋狀的金屬絲阻流體結構示意圖。圖4是信號采集器內部電路結構示意圖。圖5是信號采集器內的等效電路實施例的電原理圖、圖6是信號采集器內的放大電路實施例的電原理圖、圖7和圖8分別是本實用新型實施例試驗時水的流速Q與振動位移的方差σ之間關系的兩個測試曲線圖。
具體實施方式
為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，
以下結合附圖和實施例對本實用新型作進一步的詳細描述。參見圖1，介紹本實用新型渦流振動實驗儀實施例的結構組成的三個部件信號發(fā)生器(長X寬X高400 X 300 X IOOmm3)、信號采集器(長X寬X高400 X 300 X IOOmm3) 和裝設處理軟件的計算機。信號發(fā)生器用于引入水流，并流經阻流體產生渦流振動的模擬信號后，由其輸出端口①和②送到信號采集器的輸入端口③和④；信號采集器將該渦流振動模擬信號轉換為數字信號后，由其輸出端口⑤送入計算機的USB接口，只要開啟開關⑥ 后，就能夠利用申請人自行研制的LABVIEW軟件直接控制計算機中數據采集卡的工作狀態(tài)，并將放大后的信號實時輸入到計算機，由軟件對信號進行處理并作實時顯示。參見圖2，介紹該裝置核心部件信號發(fā)生器的結構組成。箱體外側一端設有控制外接水流體流量的閥門(參見圖1)，箱體的左右側壁分別焊設有跨接于側壁里外的進水嘴 2和出水嘴6，位于箱體壁外部分的進水嘴2上經卡箍8套接有進水管1，出水嘴7的箱體壁內和壁外兩部分分別用卡箍8套接有兩段出水管5和7 ；位于箱體內側的進水嘴2端面與錐體連接件3的外徑凸環(huán)之間設置有聚四氟乙烯制成的密封圈11 (其內徑和進水嘴2的外徑相同)，再用快接10將進水嘴2和錐體連接件3、以及位于中間的密封圈11夾緊為一體。由不銹鋼材質制成的該錐體連接件3 (其粗口直徑為10 18mm，細口直徑為6 IOmm) 的一端緊貼進水嘴2的內壁，另一端與呈螺旋狀的金屬絲阻流體4的粗口端相焊接，并一起伸入箱體內的出水管5中。該出水管5的管壁貼緊壓在將金屬絲阻流體4的振動信號轉換為電信號的壓電陶瓷片13(即銅片襯底式壓電蜂鳴片，直徑不小于32mm)上，該壓電陶瓷片 13粘接在箱體底板9上，箱體內的出水管5、錐體連接件3通過緊固件12固接于箱體底板9 上，再由該壓電陶瓷片13上的兩根電線I和II將振動電信號送至控制面板上的兩個輸出端①和②。進水嘴和出水嘴都用銅或銅合金制成，其中進水嘴的管徑為14 18mm，出水嘴的管徑為11 15mm，壁厚為0.8 1. 4mm，長為20 25mm。進水管和出水管為塑料或橡膠軟管，進水管的內徑為15 20mm，外徑為17 22mm，長度不小于900mm，出水管的內徑為 12 17_，外徑為14 19_，長度不小于600_。參見圖3，介紹金屬絲阻流體4的結構用一根直徑為0. 4 0. 7mm的不銹鋼彈簧鋼絲或銅合金絲繞制而成的螺旋狀錐體，具體形狀為在一段長度b = 35 45mm的直線金屬絲后，是呈錐體狀的螺旋體(其長度c =觀 35mm，螺距為1. 5 5. 5mm,共繞制6 18圈)，然后其另一端沿著螺旋體狀內側壁返回，從粗口端伸出后，仍然是一段相同長度b = 35 45mm的直線金屬絲。該兩根平行金屬絲用于將該金屬絲阻流體4固定于錐體連接件 3內。該阻流體4的螺旋體粗口端內徑a > 5mm,細口端內徑d > 2mm,該金屬絲阻流體4與其外側的錐體連接件3的前端一起伸入箱體內的出水管5中。參見圖4，介紹信號采集器的電路結構其控制電路板上設有壓電轉換等效電路、 放大電路和模數轉換電路(實施例采用的NI USB-6009的數據采集卡)，其中，開關⑥控制電源⑦的供電，從信號發(fā)生器輸出的振動電信號連接至其輸入端口③和④，先被送至壓電轉換等效電路進行處理，輸出與水管的管壁振動位移成正比的信號，再經放大、濾波等處理后輸出到數轉換電路后，轉換后的數字信號經由控制面板上的輸出端口⑤被送至計算機的 USB端口，由計算機對其進行處理和顯示。本實用新型內，有水流通過阻流體4時，就會激起其振動，該振動通過出水管5的管壁傳遞給壓電陶瓷片13，使得壓電陶瓷片13中的壓電晶體發(fā)生應變，在輸出電極上產生電荷。參見圖5，介紹本實用新型實施例的壓電陶瓷片與分壓電阻組成的等效電路。實際電路中，R1 = Ra+Rb =，壓電陶瓷片13的等效電容約為InF，則等效電路的馳豫時間t = R1C 5X10_6秒，也就是說每間隔時間5X10_6秒，壓電陶瓷片極板的電荷就減少2. 718倍。因為極板上的電荷變化周期遠大于5 X 10_6秒時，可以認為其極板不會積累殘余電荷。而回水管中的阻流體振動頻率只有IKHz左右，其周期約為10_3秒，遠大于馳豫時間。因此，可以認為任何一個時刻壓電陶瓷片上的電荷都已通過RC回路中耗盡了。故設壓電陶瓷片的兩極在非常短的時間dt內感受到來自水管壁的壓力變化為dF，其使壓電陶瓷片的距離變化為dy = klClF，則產生的電荷dQ = k2dy = k^dF，其中的Ic1A2分別是取決于壓電陶瓷片性能的兩個常數。由于可以認為每個時刻極板上的電荷都已通過RC等效回
路耗盡，故通過Rb的電流I= =k,k2 χ —。于是Rb輸出的電壓信號為υ=ΙΙ 2 χ —,
dt 1 2 dt dt
即輸出信號與水管壁的振動速度成正比。由凡輸出的電壓信號，先要經過一個放大電路，再經由模數轉換電路轉換為數字信號。參見圖6，介紹該實用新型實施例的放大電路。由壓電陶瓷片輸出的信號經過分壓電阻R1調節(jié)后，由集成運放AD623(其從電源插槽輸入6V直流電壓驅動)進行前置放大，由電阻&調節(jié)其放大系數(當&為I時，放大倍數為51)。放大后的信號經由電容Q、C2 (兩個電容值都為100F)濾掉直流分量，且對于IOOHz的信號，電容阻抗僅為10Ω，這遠小于R3。 因阻流體4的振動頻率在幾百赫茲，因此對于交變信號，可以忽略電容造成的相位與阻抗隨頻率的不同而引起的非線性誤差。由&輸出的電壓信號經過NI USB-6009型模數轉換數據采集卡轉化為數字信號后，輸送給計算機。NI USB-6009型數據采集卡支持LAB VIEW軟件。實施例的仿真實驗中利用 LABVIEff軟件直接控制采集卡的工作狀態(tài)，并將放大后的信號實時輸入到自行設計的程序進行相關運算。根據需要，模數轉換采集卡的采樣率設置為40K/s，每次采樣時間為Is。本實用新型的計算機為普通PC機，其處理軟件是用LABVIEW編寫完成的。該處理軟件可以實現頻譜分析、振幅分析和流量-振幅分析三個功能，具體操作步驟如下(一 )頻譜分析[0035]眷選擇I頻譜分M選項；參選擇I查看頻率的方式丨a.查看所有頻率(顯示所有頻率的信息)b.查看指定頻率(在“頻率選擇”中輸入希望查看的頻率，計算機將會顯示該頻率隨時間的振幅關系)c.自動查看頻率(將根據程序設計中指定的頻率進行顯示)眷點擊I頻譜分#按鈕，開始進行頻譜分析(二)振幅分析眷擇I振幅分M選項 點擊_幅分硐按鈕(計算機將實時顯示平均振幅和振幅方差)眷擇I關聯(lián)分析I鍵，進行振動信號_間關_分析(左關右開)(三)流量-振幅分析Φ點擊I流量-振幅分析I按鈕眷點擊Istart/stoFI按鈕，啟動/關閉秒表計時器功能，再由Gi^清零眷點擊I容器容并輸入相應的使用的容器容量眷在|Υ= ( ) xX> ( ) I中輸入相應的擬合系數本實用新型已經試制了性能樣機，并進行了多次實施試驗，研究了阻流體的振動位移的時間導數和流量之間的關系。在處理軟件的功能選擇界面中，選擇
資υ量-振幅分然后利用軟件程序分別測量不同流速下振動位移的方差σ，圖7所示是
其中的一組試驗的測量結果。從圖7可以清楚看到，振動位移的方差ο是隨流量Q的增加而迅速增加的。當將橫軸改為σ 1/4，縱軸仍為流量Q時，其測試結果如圖8所示。實際應用表明，本實用新型儀器的試驗是成功的，其能夠較好地演示阻流體的振動特性，又能夠進行有效的實驗測量和研究，實現了發(fā)明目的。
權利要求1.一種渦流振動實驗儀，其特征在于該儀器包括下述部件信號發(fā)生器、信號采集器和裝設處理軟件的計算機，所述信號發(fā)生器用于引入水流，并流經阻流體產生渦流振動的模擬信號后，送到信號采集器；信號采集器將該渦流振動模擬信號轉換為數字信號后，送入由軟件對信號進行處理并作實時顯示的計算機；其中的信號發(fā)生器的箱體外側一端設有控制外接水流體流量的閥門，箱體左右側壁分別焊設有跨接于側壁里外的進水嘴和出水嘴， 位于箱體壁外部分的進水嘴上卡箍套接有進水管，出水嘴的箱體壁內和壁外兩部分分別用卡箍套接有兩段出水管；位于箱體內側的進水嘴端面與錐體連接件的外徑凸環(huán)之間設有密封圈，再用快接將進水嘴和錐體連接件、以及位于中間的密封圈夾緊為一體；該錐體連接件的一端緊貼進水嘴的內壁，另一端與呈螺旋狀的金屬絲阻流體的粗口端相焊接，并一起伸入箱體內的出水管中；該出水管的管壁貼緊壓在將金屬絲阻流體的振動信號轉換為電信號的壓電陶瓷片上，該壓電陶瓷片、箱體內的水管、錐體連接件都固接于箱體底板上，再由該壓電陶瓷片上的兩根電線將振動電信號送至控制面板上的兩個輸出端。
2.根據權利要求1所述的渦流振動實驗儀，其特征在于所述進水嘴和出水嘴都采用銅或銅合金制成，其中進水嘴的管徑為14 18mm，出水嘴的管徑為11 15mm，壁厚為 0. 8 1. 4mm,長為20 25mm ；進水管和出水管為塑料或橡膠軟管，其中進水管的內徑為 15 20mm，外徑為17 22mm，長度不小于900mm，出水管的內徑為12 17mm，外徑為14 19mm，長度不小于600mm ；錐體連接件的材質為不銹鋼，其粗口直徑為10 18mm，細口直徑為6 IOmm;密封圈的材質是聚四氟乙烯，其內徑和進水嘴的外徑相同；壓電陶瓷片是銅片襯底式壓電蜂鳴片，其直徑不小于32mm。
3.根據權利要求1所述的渦流振動實驗儀，其特征在于所述螺旋狀的金屬絲阻流體是用一根直徑為0. 4 0. 7mm的不銹鋼的彈簧鋼絲或銅合金絲繞制而成，其形狀為在一段長度為35 45mm的直線金屬絲后，是呈錐體狀的螺旋體，然后其另一端沿著螺旋體狀內側壁返回，從粗口伸出后，仍然是一段長度相同的直線金屬絲；該兩根平行金屬絲用于將該金屬絲阻流體固定于錐體連接件內。
4.根據權利要求3所述的渦流振動實驗儀，其特征在于所述金屬絲阻流體的螺旋體的長度為28 35mm，螺距為1. 5 5. 5mm，共繞制6 18圈；其粗口端內徑不小于5mm，細口端內徑不小于2mm，該金屬絲阻流體與其外側的錐體連接件的前端一起伸入箱體內的出水管中。
5.根據權利要求1所述的渦流振動實驗儀，其特征在于所述壓電陶瓷片是用粘結劑粘接于箱體底板，箱體內的出水管和錐體連接件是用緊固件固接于箱體底板。
6.根據權利要求1所述的渦流振動實驗儀，其特征在于所述信號采集器的電路板上設有壓電轉換等效電路、放大電路和模數轉換電路，從信號發(fā)生器兩個輸出端輸出的振動電信號，先被送至壓電轉換等效電路進行處理，輸出與水管的管壁振動位移成正比的信號， 再經放大和模數轉換后，由控制面板上的兩個輸出端與計算機的USB端口相連接，由計算機對其進行處理和顯示。
7.根據權利要求6所述的渦流振動實驗儀，其特征在于所述模數轉換電路是型號為 NI USB-6009的數據采集卡。
專利摘要一種渦流振動實驗儀，設有信號發(fā)生器、信號采集器和計算機，信號發(fā)生器用于引入水流，并流經阻流體產生渦流振動的模擬信號后，送到將渦流振動模擬信號轉換為數字信號的信號采集器，再送入由軟件對信號進行處理并實時顯示的計算機。信號發(fā)生器設有分別卡接進水管和兩段出水管的進水嘴和出水嘴，快接將進水嘴、錐體連接件與位于其中間的密封圈夾緊為一體。錐體連接件與螺旋狀的金屬絲阻流體的粗口端相焊接，并伸入箱體內出水管。該出水管管壁緊壓在壓電陶瓷片上，將金屬絲阻流體的振動信號轉換為電信號后，送去信號采集器和計算機進行處理。該裝置結構簡單，成本低廉，操作容易，可用作對流體中阻流體的振動進行研究的高校物理實驗裝備。
文檔編號G09B23/12GK202205375SQ201120309480
公開日2012年4月25日 申請日期2011年8月23日 優(yōu)先權日2011年8月23日
發(fā)明者孫萍, 楊潤秋, 沈哲思, 潘斐, 白在橋 申請人:北京師范大學