Диссертация (Исследование механизмов термогидродинамических и МГД процессов с жидкометаллическими рабочими телами), страница 8

рис.1.15а).Какивпредыдущейоперации,спомощьюгрузаРимикронагревателя 2 в вертикальном положении вся четверка светопроводов 1оттягивалась на конус до торцевого диаметра ≈ 5 мкм (рис. 1.15б).Система регистрации перемещений указателя изготавливалась из четырехскрепленныхконусообразныхсветопроводоввследующейпоследовательности.

К одному из светопроводов 1 (рис. 1.15а) подводился вгорячем состоянии платиновый микронагреватель 2. Затем с помощьюдержателя 3 нагретый светопровод изгибался на 900 относительно своей оси(рис. 1.15.б). Микронагреватель 2 и держатель 3 были закреплены на двухмикрокоординатниках.осуществляласьОбрезкаследующимзагнутогообразом.Ссветопроводапомощью(рис.1.15.в)микрорезцаиз46твердотельного материала в предполагаемом месте облома загнутогосветопровода делался надрез.

Для того, чтобы светопровод сильно непружинил при нанесении надреза, с противоположной резцу сторонысветопровод предварительно подпирался держателем 5. Затем с помощьюдержателя 3 надрезанный светопровод изгибался и отламывался. Таким жеобразом поочередно изгибались и отламывались три другие оставшиесясветопровода.Рис.

1.16. Фотография опытного образца волоконно-оптического преобразователяперемещений.Фотография изготовленной волоконно-оптической системы регистрацииперемещений указателя показана на рис. 1.16. Как видно из этого рисунка,торцевой диаметр загнутых светопроводов ≈30 мкм, а расстояние междуторцами соосных светопроводов 100 ÷150 мкм. Отметим, что с цельюисключения взаимной засветки две пары взаимно перпендикулярныхсветопроводов смещены по высоте друг относительно друга на расстояние ≈2 мм.На следующем этапе лабораторной технологии изготавливались указателиволоконно-оптических преобразователей скорости.

Как описано выше,указатель представлял собой стеклянную балку диаметром 25 мкм и длиной 4÷ 5 мм с одной стороны впаянную в вершину стеклянного конуса. Указательизготавливался из светопровода диаметром 25 мкм (рис. 1.17). Подмикроскопом этот светопровод вводился в заготовленный стеклянный конуси протягивался через него на длину ~15 мм. Затем выступающая из широкоготорца конуса часть светопровода покрывалась тонким слоем черной туши на47длине ~ 1мм. После того как тушь высохнет, светопровод обрезалсяножницами в месте своего зачернения и протягивался через узкую частьконуса таким образом, чтобы длина его оставшейся части внутри конусасоставляла 3.5 ÷ 4 мм.

Затем, с помощью ножниц выступающая из конусачасть светопровода обрезалась на расстоянии ≈ 1 мм от торца конуса.тушьРис. 1.17. Схема изготовления указателя.4321Рис. 1.18. Схема изготовления чувствительного элемента. 1- держатель; 2 – конус; 3 –указатель; 4 – нагреватель.Сварка указателя с конусом проходила следующим образом (рис.

1.18). Спомощью нагревателя 4 на выступающей из конуса торцевой частисветопровода делалось утолщение шаровой формы диаметром 30 ÷ 40 мкм.48Данное утолщение не позволяло указателю 3 выпадать из конуса и облегчалоего юстировку в вертикальном положении. С помощью державки 1,закрепленной на координатном устройстве, указатель выставлялся такимобразом, чтобы его ось совпадала с осью конуса. После того как указательбыл отъюстирован, к торцу конуса с помощью другого координатногоустройства подводился нагреватель 4.

Затем производилось вплавлениеуказателя в вершину конуса.3214567VVРис. 1.19. Схема сборки преобразователя. 1 – светопроводы; 2 – корпус; 3 – указатель; 4 –эпоксидный клей; 5 – фотоприемники (фотодиоды); 6 – вторичная аппаратура; 7 –источник света (лампа накаливания).Заключительнаясборочнаяоперацияволоконно-оптическогопреобразователя, схематично показана на рис.

1.19. Соединение оптическойсистемы, состоящей из двух взаимно перпендикулярных пар светопроводов 1(на рис. 1.19. показана лишь одна пара) и конуса 2 с впаянным указателем 3,проходило в вертикальном положении. Конус с впаянным указателем49размещалсянаперемещение.координатномОптическаяустройстве,системаимеющемсветопроводоввертикальное1спомощьюкоординатного устройства от микроскопа ММИ -2 вставлялась внутрь конусаи юстировалась относительно расположения указателя.

Как показано выше,для того чтобы указатель работал на линейном участке зависимостивыходного сигнала с фотоприемника от положения указателя необходимо,чтобы начальный электрический сигнал при нулевой скорости с приемныхсветопроводов составлял примерно половину сигнала полностью открытыхсветопроводов.Этоположениеопределялосьпосредствоммикроперемещения волоконно-оптической системы относительно указателя спомощью специального двухкоординатного устройства. Контроль положенияуказателя осуществлялся с помощью измерительной системы (рис.

1.19),состоящей из источника света 7, фотоприемников 5 и показывающихизмерительных приборов 6. Для закрепления светопроводов относительноконуса с указателем использовалась эпоксидная смола типа ЭД – 20.4321305400Рис. 1.20. Схематичный чертеж зонда преобразователя. 1 – защитный колпачок; 2 –трубка; 3 – светопроводы в защитных чехлах; 4 – устройство юстировки светопроводов; 5– корпус.Собранный волоконно-оптический преобразователь вставлялся в зонд (рис.1.20), включающий в себя набор телескопических трубок 2 из нержавеющейстали и корпус 5.

В корпусе размещены три фотоприемника (фотодиоды типаФД – 27), светодиод (тип АЛ – 135), набор операционных усилителей исопротивлений. В передней части корпуса располагалась система юстировкисветопроводов 4 относительно излучателя и фотоприемника. Конструкция50зонда включала также колпачок 1, предохраняющий чувствительный элементот механических повреждений.Изготовление одного волоконно-оптического преобразователя скоростидовольно продолжительно и занимало, в среднем, 3 ÷ 5 дней. Технология егоизготовлениясложнее,чемтехнологияизготовлениядатчиковтермоанемометра и кондуционного анемометра. Однако этот недостатококупается существенно лучшими метрологическими характеристикамиволоконно-оптических преобразователей, результаты которых представленыниже.1.2.2.3.

Основные характеристики волоконно-оптическихпреобразователей скорости1.2.2.3.а. Пространственная разрешающая способность волоконнооптических преобразователейПространственная разрешающая способность является однойизважнейших характеристик любого преобразователя скорости. Даннаяхарактеристика определяет локальность измерения, т. е. возможностьотносить полученные результаты к определенным координатам области,занятой течением.

Только при высокой пространственной разрешающейспособности возможно получение достоверных результатов измерений вградиентных потоках.При измерении двух компонент скорости пространственное разрешениеможно характеризовать объемом, по которому производится осреднениеизмеряемых величин. Значение этого объема можно определить по формулеVd 2lэф , где lэф – эффективная длина чувствительного элемента.4Поскольку значение диаметра чувствительного элемента плавно изменяетсяот ≈ 40 мкм на его торце до диаметра державки 0.9 мм, то для корректногоопределения значения lэф были проведены специальные экспериментальные ирасчетно-теоретические исследования.511.0-1-2U30.80.6wlo0.40.2lo0.00.20.40.60.81.0Рис.

1.21. Зависимость относительного сигнала с преобразователя от длинычувствительного элемента, выступающей за пределы экрана. 1 – преобразователь № 1; 2 –преобразователь № 2; линия 3 – расчет.С целью экспериментального определения lэф были проведены следующиеопыты. Чувствительный элемент волоконно-оптического преобразователя,вставленный в специальный экран - полый стеклянный конус с диаметромотверстия в его узкой части ≈ 0.5 мм (см. вставку на рис.

1.21), был размещенв однородном воздушном потоке. Чувствительный элемент преобразователяимел возможность перемещаться в осевом направлении относительно экранаконуса. Значение этого перемещения измерялось с помощью измерительногомикроскопа с точность ±2 мкм. В опытах определялась зависимость сигнала спреобразователя от длины l0 части чувствительного элемента, выступающейза кромку экрана. Значение скорости воздушного потока контролировалось спомощью трубки Пито с диаметром насадки 0.5 мм.

Испытаниямподверглись два преобразователя, изготовленные по одной и той жеописанной выше технологии, а также имеющие близкие геометрическиеразмеры. Преобразователь № 1 имел диаметр торца чувствительногоэлемента 40 мкм, удвоение его диаметра достигалось на расстоянии l2 = 1ммот торца. Преобразователь № 2 отличался несколько большим значением l2 =1.2 мм.52Результаты измерений показаны на рис.