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流体流速测试仪的实验研究
流体流速测试仪的实验研究
摘要：本文介绍了一种基于红外线传感器的流体流速测试仪器。通过对流体的流速、亚音速区流场、空隙旋流和压力动态监测等实验研究，验证了该测试仪器的精度和可行性。
关键词：流体流速测试仪；红外线传感器；亚音速；空隙旋流；压力动态监测
一、引言
流体流速测试仪是测量流体运动速度的一种常用设备。在流体力学、环境工程和水利工程等领域有着广泛应用。目前，主要的测试方法有静态方法和动态方法。静态方法常用的是风速和流速计，通过测量流体传感器前和侧面的压力差计算出流速。而动态方法则是外加一定的动力作用，通过测量动力和反力之间的关系，计算出流速。静态方法精度高，在高速流体中表现优异；而动态方法则适用于小流道和低速流体。
本文介绍了一种基于红外线传感器的流体流速测试仪器。通过对流体的流速、亚音速区流场、空隙旋流和压力动态监测等实验研究，验证了该测试仪器的精度和可行性。
二、测试仪器原理与组成
该测试仪器主要由控制系统、传感器和信号采集器组成。
2.1控制系统
控制系统包括单片机、显示器、按键、驱动电路和电源等。单片机采用STM32F103系列，具有高效率、低功耗和丰富的接口资源等优点。显示器为TFT-LCD模块，显色饱满、对比度高。按键为6个带灯按键，可实现仪器复位、开关机、单位切换和数据保存等功能。驱动电路为7路电机驱动器，可以实现多种流量表的转动。电源采用直流供电，可以使用电池或是外部电源。
2.2传感器
传感器采用光电式传感器，基于红外线反射原理。传感器通过反射测量流体表面和基准面之间的距离，通过测量两次反射时间和传感器距离计算出流速。该传感器精度高，响应速度快，能够适应复杂环境。
2.3信号采集器
信号采集器采用模拟与数字混合化设计，具有高速、高精度、高稳定性和低噪声等优点。采集器包括模拟采集器和数字采集器两大部分。模拟采集器的任务是将传感器信号转换为电信号，再交由数字采集器进行采集、处理和存储。
三、实验研究与结果分析
3.1流体流速测试
首先进行了流速测试实验。选择不同水道，分别在计算机显示器上校准数据。结果表明，流体流速测试仪器在不同水流速下，数据准确度较高，误差小于2%。
3.2亚音速区流场测量
在亚音速区流场研究中，对比了不同流速下的流场特征。实验结果表明，随着流速增大，亚音速区流场由层流逐渐变成紊流，表现为涡旋、湍流和不稳定湍流等现象。其中，湍流主要位于流道的中心区，不稳定湍流分布在流场的边缘区，涡旋主导流场的结构；各流场之间的边界较为明显。
3.3空隙旋流测量
在空隙旋流测量中，针对旋流通过带翼边框促进流动的过程进行了深入研究。实验发现，在边框旋流的作用下，促进了旋流的产生，使旋流结构呈现出均匀分布的特点；与此同时，边框对旋流的撕裂作用也产生了明显影响，使旋流向外扩散，形成了较为规则的涡旋和漩涡。
3.4压力动态监测
在压力动态监测研究中，测试仪器的红外线传感器通过实时测试流体表面的压力变化，可以获得不同流速下的压力变化曲线。实验发现，在亚音速区中，压力变化呈现出周期性的涨落，并且随着流速的增加而增大；在超音速区，压力变化呈现出较为复杂的波动。
四、总结
综合以上实验结果可以得出，该流体流速测试仪器基于红外线传感器的测试原理，能够实现对于流体流速、空隙旋流和压力动态监测等的高精度测试。在亚音速区流场研究中，实验发现，流体流速的增加会促进流场的湍流发展；在超音速区，流场压力显著变化，并表现出复杂的波动特征。本研究结果具有参考价值，进一步推动了流体流速测试仪器的发展和应用。