粒子束流动参数测量装置、测量系统及其测量方法

1.本发明涉及粒子射流表面处理工艺的技术领域，尤其是涉及一种粒子束流动参数测量装置、测量系统及其测量方法。


背景技术：

2.粒子射流常被用于各种表面处理工艺，是目前工业上被广泛应用于提高零件抗疲劳性能和抗应力腐蚀性能的一种表面处理方法，如气动喷丸、喷砂处理、热喷涂、冷喷涂等主要是利用压缩气体高速喷射大量的细小粒子撞击零件表面，使零件表面发生变化，呈现理想的组织结构。基于对加工精度的控制和对喷丸装置设计优化的需要，对粒子束流速和流量的测量显得十分重要。
3.对于对粒子束流速的测量来说，现有技术中，多数为单个飞行粒子速度测量方法，测量方式包括光电感应测量方式、感应式线圈法以及热喷涂检测法，其中：光电感应测量方式是对飞行粒子进行高速摄影，这种测量方式对传感器的精度和采用速率要求很高，装置复杂，成本高，且测量过程中容易受到环境、粉尘等的干扰，易受环境条件的限制；感应式线圈法通过电磁感应来测量单个粒子通过两个线圈的时间，计算出粒子的飞行速度，但是此法只能测定单个粒子飞行，对于喷丸工艺中大量的粒子同时飞出，无法测量；热喷涂检测法则采用温度传感器，成本高，无法测量常温的粒子束速度；以上测量方式还存在有无法测量到粒子束各个位置处粒子速度的问题。
4.综上，现有技术中对粒子束的流速的装置至少存在有：成本高、操作复杂、易受环境干扰、受粒子束温度限制、以及无法测量到粒子束各个位置处粒子速度的问题。
5.对于对粒子束流量的测量来说，现有技术中，主要采用收集称量法，通过收集一定时间内喷嘴喷出的粒子数计算出流量，这种方法存在有：不具有时效性，不能精确地测量粒子束从开始到稳定态各个时刻的精准流量的问题。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种粒子束流动参数测量装置、测量系统及其测量方法，以至少缓解现有技术中对粒子束的流速的装置至少存在的：成本高、操作复杂、易受环境干扰、受粒子束温度限制、以及无法测量到粒子束各个位置处粒子速度的问题。
7.为实现上述目的，本发明实施例采用如下技术方案：
8.第一方面，本发明实施例提供一种粒子束流动参数测量装置，包括机架、调速电机、转轴、第一圆盘、第二圆盘和多个压力传感器。
9.所述调速电机以输出端朝上的方式安装于所述机架，所述转轴连接于所述调速电机的输出端，所述第一圆盘和所述第二圆盘由上至下依次且间隔套接且固定连接于所述转轴，所述调速电机能够驱动所述转轴转动并且能够调整转速；其中，所述第一圆盘的直径与所述第二圆盘的直径相等，并且：在所述第一圆盘上设有沿所述第一圆盘径向延伸的裂缝，或者，在所述第一圆盘上设有沿所述第一圆盘径向依次间隔排列且沿所述第一圆盘厚度方
向贯通所述第一圆盘的多个粒子穿孔；所述多个压力传感器均匀设于所述第二圆盘，用于感应并向外传递所述第二圆盘上承受粒子撞击的承压信息。
10.在本实施例的可选实施方式中，所述机架包括底板和通过立板与所述底板连接的顶板；所述调速电机的电机壳固定安装于所述底板，所述转轴通过轴承组件安装于所述顶板，所述第一圆盘和所述第二圆盘设于所述顶板的上方。
11.进一步可选地，所述轴承组件包括轴承座、轴承座盖、第一端盖和第二端盖；所述轴承座和所述轴承座盖以能够拆装的方式安装于所述顶板，所述第一端盖和所述第二端盖分别设于所述轴承座和所述轴承座盖对应的轴承孔的顶部和底部，所述转轴由上至下依次穿过所述第一端盖上的转轴限位孔、所述轴承座和所述轴承座盖对应的轴承孔以及所述第二端盖上的转轴限位孔。
12.进一步可选地，所述轴承座的两端和所述轴承座盖的两端分别设有连接片，所述轴承座两端的连接片上分别设有多个间隔排列的第一连接孔，所述轴承座盖两端的连接片上分别设有一个第二连接孔。
13.所述轴承座盖由金属材料制成；安装状态下，在所述轴承座和所述轴承座盖的两端，分别设有一个紧固钉依次穿过同一端的所述轴承座盖的连接片上的所述第二连接孔、所述轴承座的连接片上的所述第一连接孔后，钉入所述顶板内部，以将所述轴承座和所述轴承座盖安装于所述顶板。
14.在本实施例的可选实施方式中，在所述转轴位于所述调速电机的上表面和所述顶板之间的部位套设有压缩弹簧。
15.在本实施例的可选实施方式中，所述第一圆盘上裂缝或多个粒子穿孔沿所述第一圆盘的径向长度＝所述第一圆盘的半径。
16.第二方面，本发明实施例提供一种粒子束流动参数测量系统，包括前述实施方式中任一项所述的粒子束流动参数测量装置；所述粒子束流动参数测量系统还包括信息处理器和显示器；
17.所述信息处理器包括依次连接的数据接收模块、数据处理模块和数据输出模块，所述数据接收模块与所述多个压力传感器连接，用于接收所述多个压力传感器输出的所述第二圆盘的承压信息，所述数据处理模块对所述承压信息进行数据处理，计算得到需要的粒子流动参数信息，所述数据输出模块将所述粒子流动参数信息进行显示；其中：
18.所述承压信息至少包括承压位置信息；所述粒子流动参数信息至少包括单位时间内粒子束平均流速信息；
19.以n表示所述调速电机的转速，以l表示所述第一圆盘与所述第二圆盘之间的垂直间距，以r表示粒子束在所述第二圆盘上留下的起始位置处痕迹线的长度，以c表示单位时间t内，粒子束在所述第二圆盘上留下的起始位置处痕迹线与终点位置处痕迹线之间的弦长，以s表示单位时间t内，粒子束在所述第二圆盘上留下的起始位置处痕迹线与终点位置处痕迹线之间的弧长；以v表示单位时间内的粒子束平均流速：
20.所述数据处理模块至少包括粒子束流速处理模块，所述粒子束流速处理模块包括：
21.第一数据处理单元，与所述多个压力传感器连接，用于根据所述承压位置信息计算得出粒子束在所述第二圆盘上留下的起始位置处痕迹线与终点位置处痕迹线之间的弦
长c；
22.第二数据处理单元，将所述第一数据处理单元计算出的弦长c的数值代入到公式中，根据预设的r值，计算得到单位时间t内，粒子束在所述第二圆盘上留下的起始位置处痕迹线与终点位置处痕迹线之间的弧长s，其中，粒子束在所述第二圆盘上留下的起始位置处痕迹线的长度r＝所述第一圆盘上裂缝或多个粒子穿孔沿所述第一圆盘的径向长度；
23.第三数据处理单元，将所述第二数据处理单元计算出的弧长s的数值代入到公式中，根据预设的n、r、l的数值，计算得到单位时间t内的粒子束平均流速v，并将所述粒子束平均流速v输出至所述显示器。
24.在本实施例的可选实施方式中，所述承压信息还包括单位时间内承压次数信息；所述粒子流动参数信息还包括单位时间内粒子束流量信息；所述数据处理模块还包括粒子束流量处理模块；
25.以x代表单位时间t内第二圆盘接受粒子束撞击的承压次数，以r1代表粒子束在所述第二圆盘(42)上留下的痕迹线上离所述第二圆盘的圆心最大位置处坐标对应的半径，以ρ代表单个粒子的密度，以r代表单个粒子的半径，以v1代表单个粒子的体积，以m代表单位时间t内粒子束的总质量，以q代表单位时间t内粒子束的质量流量；
26.所述粒子束流量处理模块包括：
27.第四数据处理单元，与所述多个压力传感器和所述第三数据处理单元连接，用于将所述承压次数值x和粒子束在所述第二圆盘上留下的痕迹线上离所述第二圆盘的圆心最大位置处坐标对应的半径r1代入到公式其中，中，根据预设的ρ值和r值，得到所述粒子束单位时间t内的质量流量值。
28.在本实施例的可选实施方式中，所述粒子流动参数信息还包括粒子束平均速度和时间的关系曲线；所述数据处理模块还包括第五数据处理单元，用于输出单位时间内粒子束最高速度、最低速度和平均速度曲线至所述显示器。
29.第三方面，本发明实施例提供一种粒子束流动参数测量方法，该测量方法应用前述实施方式中任一项所述的粒子束流动参数测量装置，包括：将所述转轴沿粒子束喷嘴的中心线放置，以使所述第一圆盘的中心对准所述粒子束喷嘴的中心。
30.本实施例提供的本实施例提供的粒子束流动参数测量装置、测量系统及其测量方法至少具有如下有益效果：
31.本实施例提供的粒子束流动参数测量装置利用第一圆盘上的裂缝和第二圆盘底部的压力传感器接收粒子并感应粒子的撞击点，采用调速电机自由调节第一圆盘和第二圆盘的同步转动的转速，配合信息处理器进行相应的公式计算，得出测算结果，整个过程简单方便，且测量装置整体结构简单成本低、不易损坏，并且测量不受电磁、光环境和粒子束温度等因素的影响，至少解决了现有技术中对粒子束的流速的装置至少存在的：成本高、操作复杂、易受环境干扰、受粒子束温度限制的问题；
32.此外，本实施例中，尤其在第一圆盘上设多个粒子穿孔而非裂缝的情况下，可以根
据各个粒子穿孔对应的不同的r值以及压力传感器感应到的粒子位置信息测算达到粒子束各个位置处的粒子速度，使用更方便。
附图说明
33.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
34.图1为本发明实施例提供的粒子束流动参数测量装置的整体结构示意图；
35.图2为测量原理示意图一；
36.图3为测量原理示意图二。
37.图标：1-机架；11-底板；12-立板；13-顶板；2-调速电机；3-转轴；41-第一圆盘；411-裂缝；42-第二圆盘；5-压力传感器；6-轴承组件；61-轴承座；611-第一连接孔；62-轴承座盖；621-第二连接孔；63-第一端盖；64-第二端盖；7-压缩弹簧。
具体实施方式
38.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以各种不同的配置来布置和设计。
39.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
40.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
41.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
42.此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
43.在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语
在本发明中的具体含义。
44.下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
45.本实施例的第一方面提供一种粒子束流动参数测量装置，参照图1，该粒子束流动参数测量装置包括机架1、调速电机2、转轴3、第一圆盘41、第二圆盘42和多个压力传感器5。其中：调速电机2以输出端朝上的方式安装于机架1，转轴3连接于调速电机2的输出端，第一圆盘41和第二圆盘42由上至下依次且间隔套接且固定连接于转轴3，调速电机2能够驱动转轴3转动并且能够调整转速；其中，第一圆盘41的直径与第二圆盘42的直径相等，并且：在第一圆盘41上设有沿第一圆盘41径向延伸的裂缝411，或者，在第一圆盘41上设有沿第一圆盘41径向依次间隔排列且沿第一圆盘41厚度方向贯通第一圆盘41的多个粒子穿孔(未图示出)；多个压力传感器5均匀设于第二圆盘42，用于感应并向外传递第二圆盘42上承受粒子撞击的承压信息。
46.本实施例提供的粒子束流动参数测量装置的使用方式如下：
47.本实施例提供的粒子束流动参数测量装置配合信息处理器和显示器可以组成粒子束流动参数测量系统，其中的信息处理器包括依次连接的数据接收模块、数据处理模块和数据输出模块，数据接收模块与上述的多个压力传感器5连接，用于接收这多个压力传感器5输出的第二圆盘42的承压信息，然后，数据处理模块对该承压信息进行数据处理，计算得到需要的粒子流动参数信息，数据输出模块再将计算得到的粒子流动参数信息进行显示。
48.具体地，本实施例的第二方面提供这样一种粒子束流动参数测量系统，包括前述的粒子束流动参数测量装置、信息处理器和显示器。其中：上述承压信息至少包括承压位置信息；粒子流动参数信息至少包括单位时间内粒子束平均流速信息。
49.以n表示调速电机2的转速，以l表示第一圆盘41与第二圆盘42之间的垂直间距，以r表示粒子束在第二圆盘42上留下的起始位置处痕迹线的长度，以c表示单位时间t内，粒子束在第二圆盘42上留下的起始位置处痕迹线与终点位置处痕迹线之间的弦长，以s表示单位时间t内，粒子束在第二圆盘42上留下的起始位置处痕迹线与终点位置处痕迹线之间的弧长；以v表示单位时间内的粒子束平均流速：上述数据处理模块至少包括粒子束流速处理模块，该粒子束流速处理模块则包括第一至第三数据处理单元，其中的第一数据处理单元与多个压力传感器5连接，用于根据承压位置信息计算得出粒子束在第二圆盘42上留下的起始位置处痕迹线与终点位置处痕迹线之间的弦长c；第二数据处理单元，与第一数据处理单元连接，用于将第一数据处理单元计算出的弦长c的数值代入到公式中，根据预设的r值，计算得到单位时间t内，粒子束在第二圆盘42上留下的起始位置处痕迹线与终点位置处痕迹线之间的弧长s，其中，粒子束在第二圆盘42上留下的起始位置处痕迹线的长度r＝第一圆盘41上裂缝411或多个粒子穿孔沿第一圆盘41的径向长度，该径向长度不一定与第二圆盘42的半径相等；第三数据处理单元，与第二数据处理单元连接，用于将第二数据处理单元计算出的弧长s的数值代入到公式中，根据预设的n、r、l的数值，计算得到单位时间t内的粒子束平均流速v，并将粒子束平均流速v输出至显示器。
50.具体使用时，如本实施例第三方面提供的粒子束流动参数测量方法，参照图2和图3，结合图1，应用前述的粒子束流动参数测量装置及测量系统，使第一圆盘41远离第二圆盘42的一面面向粒子束喷嘴的粒子喷射出口，且较为优选地，将转轴3沿粒子束喷嘴的中心线放置，以使第一圆盘41的中心对准粒子束喷嘴的中心，然后依次开启粒子束喷嘴和调速电机2进行测量，过程中以信息处理器按照预设时长t进行数据计算，最终输出至显示器进行显示。
51.本实施例提供的粒子束流动参数测量装置、测量系统及其测量方法至少具有如下有益效果：
52.本实施例提供的粒子束流动参数测量装置利用第一圆盘41上的裂缝411和第二圆盘42底部的压力传感器5接收粒子并感应粒子的撞击点，采用调速电机2自由调节第一圆盘41和第二圆盘42的同步转动的转速，配合信息处理器进行相应的公式计算，得出测算结果，整个过程简单方便，且测量装置整体结构简单成本低、不易损坏，并且测量不受电磁、光环境和粒子束温度等因素的影响，至少解决了现有技术中对粒子束的流速的装置至少存在的：成本高、操作复杂、易受环境干扰、受粒子束温度限制的问题；
53.此外，本实施例中，尤其在第一圆盘41上设多个粒子穿孔而非裂缝411的情况下，可以根据各个粒子穿孔对应的不同的r值以及压力传感器5感应到的粒子位置信息测算达到粒子束各个位置处的粒子速度，使用更方便。
54.下面对本实施例提供的粒子束流动参数测量装置和粒子束流动参数测量系统作出进一步的说明：
55.首先，对于本实施例第一方面提供的粒子束流动参数测量装置：
56.参照图1，在其多个可选实施方式中，较为优选地，机架1包括底板11和通过立板12与底板11连接的顶板13；调速电机2的电机壳固定安装于底板11，转轴3通过轴承组件6安装于顶板13，第一圆盘41和第二圆盘42设于顶板13的上方。
57.进一步优选地，上述轴承组件6包括轴承座61、轴承座盖62、第一端盖63和第二端盖64；轴承座61和轴承座盖62以能够拆装的方式安装于顶板13，第一端盖63和第二端盖64分别设于轴承座61和轴承座盖62对应的轴承孔的顶部和底部，转轴3由上至下依次穿过第一端盖63上的转轴限位孔、轴承座61和轴承座盖62对应的轴承孔以及第二端盖64上的转轴限位孔。
58.其中，进一步优选地，如图1所示，轴承座61的两端和轴承座盖62的两端分别设有连接片，轴承座61两端的连接片上分别设有多个间隔排列的第一连接孔611，轴承座盖62两端的连接片上分别设有一个第二连接孔621；轴承座盖62由金属材料制成；安装状态下，在轴承座61和轴承座盖62的两端，分别设有一个紧固钉(未图示出)依次穿过同一端的轴承座盖62的连接片上的第二连接孔621、轴承座61的连接片上的第一连接孔611后，钉入顶板13内部，以将轴承座61和轴承座盖62安装于顶板13。由此，可根据转轴3的直径对轴承座盖62进行弯曲后将其第二连接孔621选择合适的第一连接孔611进行固定，达到稳定连接转轴3的效果。
59.继续参照图1，在本实施例的可选实施方式中，较为优选地，在转轴3位于调速电机2的上表面和顶板13之间的部位套设有压缩弹簧7，该压缩弹簧7可以增加对转轴3周围顶板13的支撑力，同时提高转轴3的结构强度，避免高度转动过程中转轴3断裂或者顶板13塌陷，
提高装置使用寿命。
60.此外，在本实施例的可选实施方式中，较为优选地，第一圆盘41上裂缝411或多个粒子穿孔沿第一圆盘41的径向长度＝第一圆盘41的半径，数据输入更方便。
61.其次：对于本实施例第一方面提供的粒子束流动参数测量系统，较为优选地，上述承压信息还包括单位时间内承压次数信息；上述粒子流动参数信息还包括单位时间内粒子束流量信息；该数据处理模块还包括粒子束流量处理模块。
62.以x代表单位时间t内第二圆盘42接受粒子束撞击的承压次数，以r1代表粒子束在第二圆盘42上留下的痕迹线上离第二圆盘42的圆心最大位置处坐标对应的半径，以ρ代表单个粒子的密度，以r代表单个粒子的半径，以v1代表单个粒子的体积，以m代表单位时间t内粒子束的总质量，以q代表单位时间t内粒子束的质量流量；
63.上述粒子束流量处理模块包括第四数据处理单元，该第四数据处理单元与多个压力传感器5和第三数据处理单元连接，用于在粒子均匀分布的假设基础上，将承压次数值x和粒子束在第二圆盘42上留下的痕迹线上离第二圆盘42的圆心最大位置处坐标对应的半径r1代入到公式其中，中，根据预设的ρ值和r值，得到粒子束单位时间t内的质量流量值，该测得值对于粒子束的流量越大越准确。
64.此外，本实施例中，较为优选地，该粒子流动参数信息还包括粒子束平均速度和时间的关系曲线；数据处理模块还包括第五数据处理单元，用于输出单位时间内粒子束最高速度、最低速度和平均速度曲线至显示器。
65.最后应说明的是：本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分相互参见即可；本说明书中的以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。