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一種采用高能束掃描獲得可控溫度梯度場(chǎng)的加熱裝置的制作方法

文檔序號(hào):6309548閱讀:469來(lái)源:國(guó)知局
專利名稱:一種采用高能束掃描獲得可控溫度梯度場(chǎng)的加熱裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于航空航天地面剛度實(shí)驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域,涉及一種采用高能束掃描獲得可控溫度梯度場(chǎng)的加熱裝置,特別涉及利用一路或多路高能能量束對(duì)翼形結(jié)構(gòu)按照設(shè)定軌跡和輸出功率進(jìn)行掃描加熱,并根據(jù)溫度反饋實(shí)時(shí)調(diào)整掃描軌跡和輸出功率,從而在翼形結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生符合要求的溫度梯度場(chǎng)。
背景技術(shù)
對(duì)于航空航天飛行器,當(dāng)高速飛行時(shí)由于與空氣磨擦,會(huì)在機(jī)翼結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生溫度梯度場(chǎng),溫度梯度場(chǎng)的存在將影響機(jī)翼機(jī)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度以及氣動(dòng)響應(yīng)特征,嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響飛行安全,因此需要在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下,進(jìn)行翼形結(jié)構(gòu)的相關(guān)實(shí)驗(yàn),以保證飛行安全,為了確保實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性,必須真實(shí)的在翼形結(jié)構(gòu)上復(fù)現(xiàn)出與飛行狀態(tài)相同的溫度梯度場(chǎng),在此基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)才具有意義。據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)記錄,以往此類實(shí)驗(yàn)多采用石英管進(jìn)行紅外輻射加熱,該加熱方法簡(jiǎn)單、成本低廉,但由于加熱系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)功率小且熱慣性較大,從而造成加熱工程的可控性差,不能在翼形結(jié)構(gòu)上準(zhǔn)確得到滿足需要的溫度梯度場(chǎng),同時(shí)對(duì)環(huán)境溫度影響較大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種采用高能束掃描獲得可控溫度梯度場(chǎng)的加熱裝置使被加熱翼形結(jié)構(gòu)能夠更精確地達(dá)到所需的溫度梯度場(chǎng)從而避免了紅外熱輻射加熱的不足,以下的方案說(shuō)明就是基于采用若干路激光束獨(dú)立掃描的加熱方案。本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是該裝置分為工作平臺(tái),控制部分,加熱部分,溫度測(cè)量部分和風(fēng)冷卻部分。工作平臺(tái)包含有以大理石或鑄鐵等為材料制作而成的工作臺(tái),在工作臺(tái)的兩個(gè)長(zhǎng)邊處分別固定有兩個(gè)縱向滑動(dòng)導(dǎo)軌以及橫跨矩形工作臺(tái)并且兩端安裝在縱向滑動(dòng)導(dǎo)軌上的橫向滑動(dòng)導(dǎo)軌, 橫向滑動(dòng)導(dǎo)軌的數(shù)量和激光發(fā)生器的數(shù)量一一對(duì)應(yīng)。加熱部分的高能束發(fā)生器在本方案中采用CO2激光發(fā)生器,該激光發(fā)生器安裝在工作平臺(tái)的橫向滑動(dòng)導(dǎo)軌上并且和掃描軌跡控制裝置以及主控制機(jī)相連,激光發(fā)生器的數(shù)量根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況來(lái)確定。溫度測(cè)量部分,包括有溫度傳感器以及溫度信號(hào)傳輸與處理器,其中溫度傳感器在本方案中采用熱電偶溫度傳感器或者分布式溫度傳感器,并粘貼于被加熱件的采樣位置處,測(cè)量這些采樣位置的溫度值反映出被加熱件的溫度梯度場(chǎng)的分布狀況,溫度傳感器的數(shù)量根據(jù)不同被加熱件的采樣位置的不同數(shù)量來(lái)確定;溫度信號(hào)傳輸與處理器的輸入端和溫度傳感器相連輸出端和主控制機(jī)相連,它包括有定值器和信號(hào)處理器,定值器的功能是設(shè)置給定溫度的相應(yīng)信號(hào)值,從而得到所測(cè)溫度值和給定溫度值的偏差值,信號(hào)處理器是將所得偏差值進(jìn)行放大等處理從而得到偏差控制信號(hào)并送入主控制機(jī)??刂撇糠职ㄓ兄骺刂茩C(jī)和掃描軌跡控制裝置。其中主控制機(jī)包括有主控制運(yùn)算單元、人機(jī)接口、可視化顯示界面和功率控制裝置。主控制運(yùn)算單元采用單片機(jī)、工控機(jī)或微機(jī)等并且接受溫度信號(hào)傳輸與處理器所傳輸?shù)钠羁刂浦祦?lái)分析加熱過(guò)程并根據(jù)設(shè)定程序發(fā)出控制信號(hào),人機(jī)接口供操作人員在加熱前輸入預(yù)定加熱程序并且在加熱過(guò)程中實(shí)時(shí)控制加熱過(guò)程,可視化顯示界面顯示被加熱件的加熱狀況和溫度梯度場(chǎng)的分布狀況,功率控制裝置根據(jù)主控制運(yùn)算單元所發(fā)出的功率控制信號(hào)實(shí)時(shí)在線調(diào)節(jié)激光發(fā)生器所發(fā)生激光的功率。,掃描軌跡控制裝置接受來(lái)自主控制機(jī)的控制信號(hào)控制激光發(fā)生器在橫向滑動(dòng)導(dǎo)軌上的移動(dòng)以及橫向滑動(dòng)導(dǎo)軌在縱向滑動(dòng)導(dǎo)軌上的移動(dòng)從而來(lái)控制激光發(fā)生器的掃描軌跡。風(fēng)冷卻部分采用吹風(fēng)所述風(fēng)冷卻部分采用吹風(fēng)機(jī),其安裝在工作臺(tái)的短邊處和兩個(gè)縱向滑動(dòng)導(dǎo)軌相垂直并產(chǎn)生平行吹向被加熱件的冷卻風(fēng)并且和主控制機(jī)相連并接受來(lái)自主控制機(jī)的控制信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)所產(chǎn)生冷卻風(fēng)的風(fēng)速風(fēng)向等從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被加熱件進(jìn)行吹風(fēng)冷卻以達(dá)到所需要求的溫度梯度場(chǎng)。本發(fā)明的效果和益處是,加熱裝置采用激光作為加熱熱源,相干性強(qiáng)能量高,加熱迅速,加熱時(shí)間大大縮短,加熱過(guò)程可控性好,并且對(duì)環(huán)境溫度影響較小。


附圖是本發(fā)明的激光加熱裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1激光發(fā)生器;2掃描軌跡控制裝置;3被加熱件;4主控制機(jī);5溫度傳感器;6溫度信號(hào)傳輸與處理器;7吹風(fēng)機(jī);8矩形工作臺(tái);9縱向滑動(dòng)導(dǎo)軌;10橫向滑動(dòng)導(dǎo)軌。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實(shí)施方式
。發(fā)明裝置主要分成五個(gè)部分工作平臺(tái),控制部分,加熱部分,溫度測(cè)量部分和風(fēng)冷卻部分,實(shí)施例中采用矩形工作臺(tái)作為固定臺(tái)。加熱部分包括有多個(gè)激光發(fā)生器1,在本例中采用CO2激光發(fā)生器,具體數(shù)量由現(xiàn)場(chǎng)工況確定,如附圖所示若干路激光發(fā)生器I產(chǎn)生的激光分別獨(dú)立照射在被加熱件上,在掃描軌跡控制裝置2的帶動(dòng)下分別獨(dú)立按照預(yù)定加熱程序所設(shè)計(jì)的掃描軌跡對(duì)被加熱件進(jìn)行加熱。被加熱件3安裝在矩形工作臺(tái)8上,在矩形工作臺(tái)8的兩個(gè)長(zhǎng)邊處分別固定有兩個(gè)縱向滑動(dòng)導(dǎo)軌9以及橫跨矩形工作臺(tái)并且兩端安裝在縱向滑動(dòng)導(dǎo)軌9上的橫向滑動(dòng)導(dǎo)軌10,在工作臺(tái)的短邊處安裝有吹風(fēng)機(jī)7,吹風(fēng)機(jī)7和兩個(gè)縱向滑動(dòng)導(dǎo)軌相垂直并產(chǎn)生平行吹向被加熱件具有一定風(fēng)速和風(fēng)向的冷卻風(fēng)。吹風(fēng)機(jī)7接受來(lái)自主控制機(jī)4的控制信號(hào)實(shí)時(shí)調(diào)整風(fēng)速和風(fēng)向。溫度傳感器5貼在被加熱件的采樣位置處并將采樣測(cè)量得的被加熱件的溫度傳給溫度信號(hào)與處理器6,溫度信號(hào)與處理器6將信號(hào)進(jìn)行處理后傳輸給主控機(jī)4, 主控機(jī)4進(jìn)行分析運(yùn)算后發(fā)出控制信號(hào)控制掃描軌跡控制裝置2、激光發(fā)生器I的功率和吹風(fēng)機(jī)7。加熱時(shí)首先根據(jù)所要求的溫度梯度場(chǎng)的不同將被加熱件分為若干個(gè)加熱區(qū)塊,每個(gè)加熱區(qū)塊對(duì)應(yīng)于一個(gè)激光發(fā)生器I和一根橫向移動(dòng)導(dǎo)軌10,通過(guò)主控制機(jī)4中對(duì)被加熱件進(jìn)行初次加熱。激光掃描運(yùn)動(dòng)軌跡的生成是基于填充曲線的算法所得到的最優(yōu)的掃描軌跡,在該種掃描軌跡之下實(shí)現(xiàn)對(duì)被加熱件的分區(qū)塊掃描加熱。在被加熱件的采樣位置處貼上多片溫度傳感器5用來(lái)測(cè)量加熱時(shí)被加熱實(shí)驗(yàn)件上的溫度的分布狀況。溫度傳感器選擇熱電偶溫度傳感器或者分布式光纖溫度傳感器等,采樣位置的選擇是根據(jù)最小采樣原理來(lái)確定的,所選擇的采樣位置能完整反映被加熱件的溫度梯度場(chǎng)。初次加熱后溫度傳感器5將測(cè)得的各個(gè)采樣點(diǎn)的溫度信號(hào)傳給溫度信號(hào)傳輸與處理器6,溫度信號(hào)傳輸與處理器 6將各個(gè)采樣點(diǎn)的溫度測(cè)量值和定制器所設(shè)定的各采樣點(diǎn)溫度預(yù)設(shè)值相比較計(jì)算得到初始偏差信號(hào)值。信號(hào)處理器根據(jù)相應(yīng)信號(hào)處理原則對(duì)初始偏差信號(hào)值進(jìn)行放大疊加等信號(hào)處理產(chǎn)生偏差控制值,并將該控制值傳入主控制機(jī)4。主控制機(jī)4得到溫度信號(hào)傳輸與處理器6所傳輸?shù)钠羁刂浦到?jīng)處理后得到三路加熱控制信號(hào),一路運(yùn)動(dòng)控制信號(hào)送入掃描軌跡控制裝置2來(lái)控制激光發(fā)生器I的掃描軌跡,一路功率控制信號(hào)送入主控制機(jī)4的功率控制裝置控制激光發(fā)生器I所產(chǎn)生激光的功率,第三路冷卻控制信號(hào)送入吹風(fēng)機(jī)7并控制其所產(chǎn)生的冷卻風(fēng)的風(fēng)速和風(fēng)向。在下次加熱中各路激光發(fā)生器I得到主控制機(jī)4中的功率控制信號(hào)并以相應(yīng)的功率對(duì)被加熱件進(jìn)行二次加熱,掃描軌跡控制裝置2得到主控制機(jī)4的運(yùn)動(dòng)控制信號(hào)控制激光發(fā)生器I在橫向滑動(dòng)導(dǎo)軌上的滑動(dòng)以及橫向滑動(dòng)導(dǎo)軌在縱向滑動(dòng)導(dǎo)軌上的滑動(dòng),吹風(fēng)機(jī) 7得到主控制機(jī)4的冷卻控制信號(hào)產(chǎn)生該信號(hào)所要求的風(fēng)速和風(fēng)向。
權(quán)利要求
1.一種采用高能束掃描獲得可控溫度梯度場(chǎng)的加熱裝置,包括有工作平臺(tái),控制部分, 加熱部分,溫度測(cè)量部分以及風(fēng)冷卻部分,其特征在于,所述工作平臺(tái)包含有固定臺(tái)、安裝在固定臺(tái)兩個(gè)長(zhǎng)邊處的縱向滑動(dòng)導(dǎo)軌以及橫跨固定臺(tái)并且兩端安裝在縱向滑動(dòng)導(dǎo)軌上的橫向滑動(dòng)導(dǎo)軌;所述控制部分包括掃描軌跡控制裝置和主控制機(jī),其中掃描軌跡控制裝置安裝在工作平臺(tái)的橫向滑動(dòng)導(dǎo)軌上并和主控制機(jī)相連;所述加熱部分采用高能束發(fā)生器, 其安裝在工作平臺(tái)的橫向滑動(dòng)導(dǎo)軌上并和掃描軌跡控制裝置以及主控制機(jī)相連;所述溫度測(cè)量部分包含有溫度傳感器和溫度信號(hào)傳輸與處理器,溫度傳感器貼在被加熱件上并且溫度傳感器的數(shù)量根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況來(lái)確定,溫度信號(hào)傳輸與處理器的輸入端和溫度傳感器相連輸出端和主控制機(jī)相連;所述風(fēng)冷卻部分采用吹風(fēng)機(jī)和主控制機(jī)相連,其安裝在工作臺(tái)的一邊和兩個(gè)縱向滑動(dòng)導(dǎo)軌相垂直并產(chǎn)生平行吹向被加熱件的冷卻風(fēng)。
全文摘要
一種采用高能束掃描獲得可控溫度梯度場(chǎng)的加熱裝置,屬于航空航天地面剛度實(shí)驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域。其特征是具有多路高能能量束輸出的加熱部分,用于測(cè)量被加熱件溫度的多個(gè)接觸或非接觸式溫度傳感器和處理溫度傳感器信號(hào)值的溫度信號(hào)傳輸與處理器所組成的溫度測(cè)量部分,用以接受前述溫度測(cè)量部分傳遞的溫度場(chǎng)信息并對(duì)加熱部分輸出的高能能量束進(jìn)行功率和掃描軌跡控制的控制部分以及產(chǎn)生吹向被加熱件的冷卻風(fēng)的風(fēng)冷卻部分。本發(fā)明的效果和益處是,加熱裝置采用激光作為加熱熱源,相干性強(qiáng)能量高,加熱迅速,加熱時(shí)間大大縮短,加熱過(guò)程可控性好,并且對(duì)環(huán)境溫度影響小。
文檔編號(hào)G05D23/20GK102591377SQ20121005183
公開(kāi)日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2012年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月1日
發(fā)明者任昊軼, 劉巍, 周亮, 楊睿, 褚偉光, 謝雅君 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)
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