專利名稱：一種具有粒子運動摩擦帶電測量功能的粒子環(huán)境模擬系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種粒子環(huán)境模擬系統(tǒng)，更具體地說，涉及一種具有粒子運動摩擦帶電測量功能的粒子環(huán)境模擬系統(tǒng)。
背景技術：
粒子環(huán)境作為一種典型的服役環(huán)境，正在日益影響著人們的生產生活，空氣中懸 浮的微塵粒子對機械設備，特別是精密機械，如磁頭磁卡系統(tǒng)、空氣軸承的服役情況和壽命 產生了很大的影響，因此，機械設備的設計與應用不得不考慮粒子環(huán)境對設備服役狀態(tài)的 影響。粒子環(huán)境中粒子之間的相互運動摩擦產生的靜電會在局部形成很強的靜電場，已有 的研究表明粒子環(huán)境中的靜電場會對高壓送電及微波傳輸等產生嚴重的不良影響。但是， 粒子環(huán)境中的帶電荷粒子和靜電場對機械系統(tǒng)摩擦學特性的影響還不清楚?，F(xiàn)有模擬粒子環(huán)境主要是在風洞中利用強風形成大面積的模擬沙塵環(huán)境，利用該 模擬環(huán)境可以研究整個機械系統(tǒng)在沙塵環(huán)境中的磨損情況及使用壽命；但是，對于研究帶 電粒子侵入摩擦副表面引起的摩擦磨損性能的變化及電磁性能的變化，則需要在較小腔體 內形成穩(wěn)定可控的模擬粒子環(huán)境以方便研究，而研究帶電微粒子對空氣軸承的影響則要求 形成具有一定壓力的含粒子氣流。因此，搭建空氣壓力可調的模擬粒子環(huán)境，并能夠控制環(huán) 境中粒子相互作用，測量粒子相互運動摩擦的帶電情況，對研究粒子環(huán)境下機械系統(tǒng)的摩 擦學特性具有重要意義，可為機械系統(tǒng)設計改進提供參考。

發(fā)明內容
鑒于上述研究需要，本發(fā)明的目的在于提供一種具有粒子運動摩擦帶電測量功能 的粒子環(huán)境模擬系統(tǒng)，它能夠模擬具有一定正壓力、不同紊流程度的粒子環(huán)境，并能夠對粒 子環(huán)境模擬裝置中的粒子的帶電情況進行測量。為了達到上述目的，本發(fā)明采用以下技術方案予以實現(xiàn)。一種具有粒子運動摩擦帶電測量功能的粒子環(huán)境模擬系統(tǒng)，其特征在于，包括粒 子環(huán)境模擬裝置和粒子運動摩擦帶電測量裝置；所述粒子環(huán)境模擬裝置包含潔凈氣流總管 路、水平放置的圓柱狀粒子環(huán)境模擬腔、與粒子環(huán)境模擬腔徑向入口連通的擾流管路、與粒 子環(huán)境模擬腔的軸向出口連通的粒子收集腔、與粒子環(huán)境模擬腔的軸向入口連接的粒子供 應管路、與粒子供應管路水平連通的主氣管路、與粒子供應管路垂直連通的粒子進給機構， 粒子進給機構具有粒子腔供氣管路，所述潔凈氣流總管路分別連通主氣管路、擾流管路、粒 子進給機構的粒子腔供氣管路；所述粒子運動摩擦帶電測量裝置包含電荷放大電路，以及 電連接電荷放大電路并軸向設置在粒子環(huán)境模擬腔內的探針。本發(fā)明的進一步改進和特點在于(1)所述粒子進給機構包含粒子腔，設置在粒 子腔內粒子漏斗；所述粒子腔的上入口連通粒子腔供氣管路，下出口連通粒子供應管路。(2)所述粒子供應管路通過三通管件分別與主氣管路水平連通、與粒子進給機構 垂直連通；所述三通管件與主氣管路水平連通的管道部分沿進氣方向先收縮后擴張。
(3)所述粒子環(huán)境模擬腔軸向設置有多個徑向入口，所述擾流管路分多路連通的所述多個徑向入口，所述多個徑向入口相互錯開。(4)所述主氣管路、擾流管路、粒子進給機構的粒子腔供氣管路分別沿各自的氣流 方向依次設置有單向節(jié)流閥和壓力閥。(5)所述探針的迎流端設置有金屬球。所述電荷放大電路采用CA3140芯片實現(xiàn)。本發(fā)明具有粒子運動摩擦帶電測量功能的粒子環(huán)境模擬系統(tǒng)，具有如下有益效 果(1)能夠形成均勻穩(wěn)定的具有一定正壓力的粒子環(huán)境。潔凈氣流總管路可由空氣壓縮 機供應穩(wěn)定的氣流，粒子供應機構送出的氣體-粒子二相流混合，經三通管件整流進入粒 子環(huán)境模擬腔內，形成一種穩(wěn)定而均勻的且具有一定正壓力的粒子環(huán)境。(2)粒子環(huán)境模擬腔內氣流流速、粒子濃度、紊流程度可調。粒子環(huán)境模擬腔內的 氣流流速可以通過三路管路(粒子進給機構具有粒子腔供氣管路、主氣管路、擾流管路) 上的壓力閥與單向節(jié)流閥控制；粒子濃度通過更換粒子腔內不同口徑大小的漏斗調節(jié)粒子 供應速率控制；粒子環(huán)境模擬腔內氣流紊流程度通過改變擾流管路與主氣管路的流量比控 制。(3)粒子運動摩擦帶電測量裝置的精度很高。電荷放大電路采用CA3140芯片，該 芯片自身偏置電流典型值為ΙΟρΑ，約比探針測量到的電流低2-3個數量級，從而保證了測
量誤差在以內。


圖1是本發(fā)明一種具有粒子運動摩擦帶電測量功能的粒子環(huán)境模擬系統(tǒng)的結構 示意圖；圖2是粒子供給機構的半剖結構示意圖；圖3是三通管件的結構示意圖；圖4是粒 子環(huán)境模擬腔部分的結構示意圖；圖5是探針的安裝示意圖；圖6是電荷放大電路的原理 示意圖；圖中1、潔凈氣流總管路；2、第一球閥；3、三通；4、第二球閥；5、潔凈氣流支路；6、 粒子腔供氣管路；7、主氣管路；8、擾流管路；9、單向節(jié)流閥；10、壓力閥；11、粒子進給機構； 1101第三球閥；1102粒子腔；1103蓋子；1104粒子漏斗；1105第四球閥；12三通管件；13粒 子環(huán)境模擬腔；1301前腔體；1302后腔體；14粒子供應管路；15探針；1501金屬球；1502L 型銅絲；16粒子收集腔；17電荷放大電路；18信號采集卡；19環(huán)形基板；20引線。
具體實施例方式參照圖1，本實施例的具有粒子運動摩擦帶電測量功能的粒子環(huán)境模擬系統(tǒng)，包括 粒子環(huán)境模擬裝置和粒子運動摩擦帶電測量裝置兩部分。粒子環(huán)境模擬裝置中，粒子環(huán)境模擬腔13為水平放置的圓柱狀，軸向出口通過法 蘭連通的粒子收集腔16，粒子收集腔16設置有軸向出口，軸向出口逐漸收縮，獲得含粒子 氣流；粒子環(huán)境模擬腔13的軸向入口連接的粒子供應管路14，粒子供應管路14連接三通 管件12的一個水平端口，三通管件12的另一個水平端口與主氣管路連通，三通管件12的 垂直端口連通粒子進給機構11的出口 ；粒子環(huán)境模擬腔設置有三個徑向入口，三個徑向入 口沿軸向分布，并且三個徑向入口錯開角度，其中兩邊開口向上，中間的開口向下，對應的 擾流管路通過四通分為三路分別連通上述三個徑向入口。潔凈氣流總管路通過四通分別連通主氣管路7、擾流管路8、粒子進給機構11的粒子腔供氣管路6 ；主氣管路7、擾流管路8、粒子進給機構11的粒子腔供氣管路6分別沿各自的氣流方向依次設置有單向節(jié)流閥9和壓力閥10，可以控制粒子環(huán)境模擬腔內的氣流流 速。潔凈氣流總管路的入口連接空氣壓縮機，潔凈氣流總管路1還設置有第一球閥2，第一 球閥的入口端通過三通3設置有潔凈氣流支路5，該潔凈氣流支路5上設置有第二球閥4。粒子運動摩擦帶電測量裝置包含信號采集卡18、與信號采集卡18電連接的電荷 放大電路17，以及軸向設置在粒子環(huán)境模擬腔內的電連接電荷放大電路的探針15。探針15 固定在粒子環(huán)境模擬腔13和離子收集腔16的連接法蘭上，探針15位于粒子環(huán)境模擬腔13 和離子收集腔16的中軸線上。在粒子環(huán)境模擬系統(tǒng)中，由空氣壓縮機將經過空氣潔凈單元送入的潔凈壓縮空氣 在潔凈氣流總管路1上經過三通3分為兩路，分別由第一球閥2和第二球閥4控制管路開 合，向粒子環(huán)境模擬裝置和潔凈氣流支路5提供氣流，以保證該裝置可以根據需要分別輸 出含粒子氣流和潔凈氣流。向粒子環(huán)境模擬裝置提供的潔凈氣流經過四通分為粒子進給機 構11的粒子腔供氣管路6、主氣管路7和擾流管路8，上述三路管路都分別有單向節(jié)流閥9 和壓力閥10控制管路壓力和流量大小。粒子進給機構11的粒子腔供氣管路6的氣流經過粒子進給機構11形成含粒子的 氣流，并經過三通管件12與主氣管路7匯合后送入粒子環(huán)境模擬腔13中。擾流管路提供 的氣流經過四通分為三路向粒子環(huán)境模擬腔13中通入擾流氣流，促使主氣管路中所含的 粒子相互作用摩擦產生電荷。調節(jié)主氣管路7與擾流氣路8的流量壓力比可以控制粒子環(huán) 境模擬腔13內氣流的紊流程度，從而控制氣流中粒子相互作用的劇烈程度而影響粒子摩 擦產生的靜電量。位于粒子環(huán)境模擬腔13后端的探針15與通過與氣流中的粒子發(fā)生接觸，將粒子 上產生的電荷轉移到探針上15，形成微小電流，并通過導線連接到電荷放大電路17上，將 微小電流放大為較好測量的電壓信號，并通過信號采集卡18將電壓信號讀取并記錄，實現(xiàn) 對粒子帶電的測量。參照圖2、圖3，粒子進給機構主要包含粒子腔1102，設置在粒子腔1102內粒子 漏斗1104，粒子腔1104的上入口設置第三球閥1101并連通粒子腔供氣管路6，下出口設置 第四球閥1105并連通三通管件12的垂直端口。粒子腔1102頂部設置有蓋子1103，用于 向粒子漏斗1104放置粒子。粒子供應管路14連接三通管件12的一個水平端口，三通管件 12的另一個水平端口與主氣管路7連通；并且，三通管件12與主氣管路7水平連通的管道 部分沿進氣方向先收縮后擴張。粒子進給機構11添加粒子時，將第三球閥1101和第四球閥1105關閉，打開蓋子 1103，此時粒子腔1102內壓力為大氣壓，向粒子漏斗1104內加入定量的粒子，粒子由開在 漏斗1104底部的小孔向粒子腔1102內緩慢流出粒子。擰緊蓋子1103，打開第一球閥1101， 壓縮空氣沿粒子腔供氣管路6進入粒子腔1102，使粒子腔1102內的壓力升高；分別調節(jié)粒 子腔供氣管路6和主氣管路7上的單向節(jié)流閥9和壓力閥10，可以調節(jié)粒子腔1102和主 氣管路的壓力關系。打開粒子腔1102下出口的第四球閥1105，粒子腔1102內的氣流與漏 斗1104流出來的粒子混合形成含粒子氣流，進入三通管件12內與主氣管路7混合。三通 管件12與主氣管路7水平連通的管道部分沿進氣方向設計為先收縮后擴張，可以在粒子腔 1102的下出口形成相對負壓，降低對粒子腔1102的壓力要求，并且這種形狀的管路設計可以促進粒子腔1102的下出口中的含粒子氣流與主氣管路7中的潔凈氣流充分均勻混合。參照圖4、圖5，粒子環(huán)境模擬腔13包括通過法蘭連接的前腔體1301和后腔體1302，連接法蘭之間設置有橡膠密封圈；與擾流管路連通的三個徑向入口位于前腔體1301 上。粒子環(huán)境模擬腔13的后腔體1302和粒子收集腔16的通過法蘭連接，該處的法蘭 連接之間夾持有環(huán)形基板19。探針15由表面光滑的金屬球1501和表面涂有絕緣漆的L型 銅絲1502組成，L型銅絲1502的一條邊位于粒子環(huán)境模擬腔13的中軸線上，該條的迎流 端設置有金屬球1501，其另一條邊作為引出線貫穿環(huán)形基板19徑向開設通孔，并固定固定 在環(huán)形基板19上。探針15的引出線順次電連接電荷放大電路17和信號采集卡18。上述結構中，擾流管路8的氣流經過四通分為三路與主氣管路7氣流方向垂直通 入前腔體1301中，擾流氣流與主氣流相互作用，在前腔體1301內形成渦流，促進粒子相互 摩擦作用產生靜電荷；分別通過調節(jié)主氣管路7和擾流管路8上的單向節(jié)流閥9和壓力閥 10以控制主氣管流和擾流氣路的流量比，可以控制前腔體1301內渦流的大小，從而控制粒 子相互作用的劇烈程度，以控制粒子摩擦產生的靜電量。前腔體1301內的氣流在后腔體 1304內逐漸穩(wěn)定，形成均勻的含粒子氣流。探針15固定在后腔體1304尾端，通過與氣流中 粒子接觸，將粒子表面所帶靜電荷轉移到探針頂端的金屬球上。含帶電粒子的氣流最后經 過粒子環(huán)境模擬腔13尾部的收集腔16對外輸出具有一定正壓力的含粒子氣流。參照圖6，電荷放大電路采用CA3140芯片實現(xiàn)，探針15采集的電荷通過具有低噪 聲屏蔽線的引線20連接到CA3140芯片的負極輸入端，CA3140芯片的正極輸入端經過并聯(lián) 的阻容補償電路(電容Cl、電阻Rl并聯(lián))接地；其輸入端與負極輸入端設置反饋電容支路 (電容Cf)，以及并聯(lián)的反饋電電阻支路(電阻Rf與開關K串聯(lián))；CA3140芯片輸出端獲得 代表電荷量的電壓信號Uo0
權利要求
一種具有粒子運動摩擦帶電測量功能的粒子環(huán)境模擬系統(tǒng)，其特征在于，包括粒子環(huán)境模擬裝置和粒子運動摩擦帶電測量裝置；所述粒子環(huán)境模擬裝置包含潔凈氣流總管路(1)、水平放置的圓柱狀粒子環(huán)境模擬腔(13)、與粒子環(huán)境模擬腔(13)徑向入口連通的擾流管路(8)、與粒子環(huán)境模擬腔(13)的軸向出口連通的粒子收集腔(16)、與粒子環(huán)境模擬腔(13)的軸向入口連接的粒子供應管路(14)、與粒子供應管路(14)水平連通的主氣管路(7)、與粒子供應管路(14)垂直連通的粒子進給機構(11)，粒子進給機構(11)具有粒子腔供氣管路(6)，所述潔凈氣流總管路分別連通主氣管路(7)、擾流管路(8)、粒子進給機構(11)的粒子腔供氣管路(6)；所述粒子運動摩擦帶電測量裝置包含電荷放大電路，以及電連接電荷放大電路并軸向設置在粒子環(huán)境模擬腔(13)內的探針(15)。
2.根據權利要求1所述的具有粒子運動摩擦帶電測量功能的粒子環(huán)境模擬系統(tǒng)，其 特征在于，所述粒子進給機構(11)包含粒子腔(1102)，設置在粒子腔(1102)內粒子漏斗 (1104)；所述粒子腔的上入口連通粒子腔供氣管路(6)，下出口連通粒子供應管路。
3.根據權利要求1所述的具有粒子運動摩擦帶電測量功能的粒子環(huán)境模擬系統(tǒng)，其特 征在于，所述粒子供應管路(14)通過三通管件分別與主氣管路(7)水平連通、與粒子進給 機構(11)垂直連通；所述三通管件與主氣管路(7)水平連通的管道部分沿進氣方向先收縮 后擴張。
4.根據權利要求1所述的具有粒子運動摩擦帶電測量功能的粒子環(huán)境模擬系統(tǒng)，其特 征在于，所述粒子環(huán)境模擬腔(13)軸向設置有多個徑向入口，所述擾流管路(8)分多路連 通的所述多個徑向入口，所述多個徑向入口相互錯開。
5.根據權利要求1所述的具有粒子運動摩擦帶電測量功能的粒子環(huán)境模擬系統(tǒng)，其特 征在于，所述主氣管路(7)、擾流管路(8)、粒子進給機構(11)的粒子腔供氣管路(6)分別 沿各自的氣流方向依次設置有單向節(jié)流閥(9)和壓力閥(10)。
6.根據權利要求1所述的具有粒子運動摩擦帶電測量功能的粒子環(huán)境模擬系統(tǒng)，其特 征在于，所述探針(15)的迎流端設置有金屬球(1501)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種粒子環(huán)境模擬系統(tǒng)，更具體地說，公開了一種具有粒子運動摩擦帶電測量功能的粒子環(huán)境模擬系統(tǒng)，其包括粒子環(huán)境模擬裝置和粒子運動摩擦帶電測量裝置。該系統(tǒng)搭建模擬粒子環(huán)境，其空氣壓力可調，紊流程度可調，可控制環(huán)境中粒子相互作用程度，并能夠測量粒子相互作用的帶電情況。
文檔編號G01M99/00GK101825524SQ20101017943
公開日2010年9月8日 申請日期2010年5月21日 優(yōu)先權日2010年5月21日
發(fā)明者刁東風, 孫文浩, 黃杰杰 申請人:西安交通大學