一种保形流态观测装置研制方法制造方法及图纸

一种保形流态观测装置研制方法，该方法以保形面为光学起点设计出符合要求的光学系统，在完成光机结构设计后对保形光学元件进行加工，并将保形光学元件的实际加工结果反馈给光学与光机系统，以对调制光学元件与机械零件进行针对性的优化，并在加工剩余零部件的同时不断将当下零部件加工结果反馈给光学以及光机系统以进行剩余光学元件与机械零件的优化改进，直至加工完成，在装配过程中同样以保形光学元件为起点，将各零部件逐个装配，并进行在线调整，最后以装置的实际性能检验研制结果；本发明专利技术根据其服务对象所具有的小批量与高度定制化等特点提出了具有针对性的研制方法，填补了此类新型观测装置研制方法的空白且能够提高其性能与研制成功率。提高其性能与研制成功率。提高其性能与研制成功率。

【技术实现步骤摘要】
一种保形流态观测装置研制方法


[0001]本专利技术属于保形流态观测装置研制方法
，具体涉及一种保形流态观测装置研制方法。

技术介绍

[0002]为了让流体获得特定的流动状态往往需要对流道进行针对性的设计，同时流道内流体的流动状态也能够反映出流道的设计结果，但为了知晓流道内流体的流动状态必须对其进行观测，而光学观测方式能够较为全面地评价流体的流态，其通常是将观测装置安装在被测管道的中间，使之成为被测管道的一部分，当流体经过该观测装置时便可对其进行观测，具有较高的可操作性，因此该种方法应用较广。光学观测方法往往是通过将光束射入光学侧窗而使之携带流体的流态信息后出射再被仪器检测，而保形流态观测装置能够在不破坏流道形态的情况下实现对流体的观测，相较于为适应光学元件形状而破坏流道的传统光学观测装置能够更真实准确的测量流体的实际状态。就已有的保形流态观测装置研制方法而言，因其大都采用内嵌光学侧窗的方式实现观测功能，虽然光学侧窗内表面可以为了流道保形而被加工到很高的精度，但由于内嵌造成安装光学侧窗的安装空间为封闭形状，致使其很难被加工到很高的精度，同时为了方便安装，安装空间也会略大于光学侧窗的外形尺寸，即使通过细致的装调能够将内嵌的光学侧窗安装到位，也无法避免内嵌的光学侧窗与其安装空间的结合面会出现间隙以及局部的不平整，从而造成对流道形态的破坏，进而在观测时引入误差。同时已有的研制方法研制的保形流态观测装置还会因光学侧窗与自身安装空间存在间隙，而在流体流动过程中产生泄漏问题，已有的密封措施可能会在流体高温、侧窗内外压差过大等情况下失效，且密封环节也很容易影响光学侧窗的位置精度，这增加了装调难度并减弱了装置性能的稳定性。同时由于已有的研制方法中光学侧窗与其所安装的支架材料的不同，而为了消除间隙内嵌的光学侧窗会尽可能与安装件紧密配合，这便会在温度变化过程中由两者的热变形量差异造成热应力，甚至出现因热变形量的差异过大造成光学侧窗的损坏或者定位失效等情况，且安装过程也容易引入安装应力，进而影响光学侧窗的面形和位置精度。当观测例如高速流体时会在流道内外产生巨大压力差，已有研制方法研制的装置还会因结构和材料性质差异在传统光学侧窗安装处产生应力集中问题，造成传统光学侧窗形变的不可控，从而进一步引入观测误差。同时已有研制方法制造的保形观测装置将光路的调制作用全部集中在了内嵌的光学侧窗上，为了尽可能消除间隙并进行密封，内嵌的光学侧窗都只能一次性安装在其安装空间内，无法进行适时的调整，这不仅降低了已有保形流态观测装置对元件加工误差的包容性，更使得其在工作过程中无法根据工况对光学系统的实际影响来对光学元件的位置进行适时的调节，进而削弱了装置对环境的适应性。因此上述问题限制了已有保形流态观测装置研制方法的应用，成为了高性能流道研制道路上的一个重要障碍。而就保形流态观测装置而言，因为要实现保形，所以每种观测装置只能适用于与之匹配的甚至一对一的特定场合，也就使得该种装置大概率只会小批量甚至是单个研制，因此其具有明显的定制属性。

技术实现思路

[0003]为了能够针对性地克服现有保形流态观测装置研制方法存在的对流道形态的破坏、装置密封困难、装置易产生安装与热应力以及压差从而造成光学侧窗变形、光学元件不可调节位置等问题，本专利技术提出了一种可实现流道一体化完全保形、无需流道密封、具有应力隔绝功能且材料一致热变形均匀并可进行压强调节以及光学元件位置可调，同时还能相较于现有研制方法提高装置的性能与研制成功率，且适用于具有小批量制造与高度定制化特点的新型保形流态观测装置的研制方法。
[0004]本专利技术是采用以下技术方案实现的：一种保形流态观测装置研制方法，包括以下步骤：步骤一、以保形面为光学设计的起点，根据观测需求完成光学系统设计，着重考虑保形光学元件的可加工性与工况的适应性，同时兼顾其余零部件安装的便利性，并将观测所需的光学性能分散在多个光学元件中。由于保形面的形状由被测管道的内表面形状决定，无法修改，因此必须将其完全不变地输入光学系统中，故将保形面作为光学设计的起点；同时由于保形面需要构成一体化的保形光学元件以作为被测流体的流道，所以保形光学元件同时扮演了光学元件与流道的作用；考虑到光学材料作为管道加工的困难性，因此在光学系统设计过程中应着重考虑保形光学元件的可加工性与工况的适应性，同时保形光学元件作为一个光学元件其相对于其他光学元件的位置精度要求也较高，因此也要兼顾其他零部件安装的便利性，即在保形光学元件的材料选择、外表面形状等方面要有针对性的侧重，而适当弱化其光学功能；但在弱化了保形光学元件的光学功能后便需要通过添加调制光学元件来实现观测所需的光学性能，同时借助将光学性能分散在多个光学元件中的方式也可达到降低加工风险、提供调整自由度的作用。
[0005]步骤二、根据光学系统设计结果完成各光学元件以及各机械零件的结构设计，将光学系统中的保形光学面转换为一体材料的保形光学元件，在光机结构设计中搭建出所需的保形流态观测装置，并对设计结果进行计算以及仿真分析。一体材料的保形光学元件能够解决现有依靠内嵌光学侧窗的保形观测装置所不可避免的对流道形态的破坏、密封困难、易产生安装与热应力等问题；而通过计算以及仿真分析等手段能够提前了解整个保形流态观测装置及其每个元件的环境适应性、可加工性等信息，以此校验光学系统与光机结构设计的合理性。
[0006]步骤三、按照保形光学元件的光机结构设计结果对其进行加工，加工过程可能需要多次迭代。
[0007]步骤四、对加工完成的保形光学元件进行精度检测，并通过检测和加工的多次迭代，将保形光学元件的误差控制在一个合理范围内，同时将检测结果反馈给光学系统，以保形光学元件的实际加工与检测结果为依据对光学系统的调制光学元件进行优化改进，同时对光机结构设计进行相应的优化改进。因保形光学元件为一体化光学材料构成且保形面为封闭形状，所以较难加工，因此很难将其面形加工到很高的精度，即使通过反复迭代也大都只能将其控制在一个可接受的范围内，这是它自身特点所决定的，故需将其实际加工结果反馈给光学系统以对调制光学元件进行优化改进，同时也需要对光机结构设计进行相应调整。
[0008]步骤五、对优化改进后的调制光学元件与机械零件进行加工与精度检测，因调制
光学元件为常规的光学元件，其工艺成熟，因此可以加工至很高精度，从而通过将观测所需的光学性能分散在多个光学元件中的方式弱化了保形光学元件的光学作用，而提高了其可加工性以及相关零部件与之安装的便利性等性质。
[0009]步骤六、对完成加工与检测并已符合要求的各零部件进行装调，得到所需的保形流态观测装置。
[0010]步骤七、对装调好的保形流态观测装置进行性能检测与进一步调整直至其达到目标性能即对流体流态的观测要求。
[0011]进一步地，在光学系统设计过程中，通过人为控制设计参数，使调制光学元件与保形光学元件不直接接触，从而避免温度以及形变的传递，进而保持各光学元件的形状和位置精度，光学元件的分离也使得可以通过调整光学元件的位置实现装置性能的实时优化。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种保形流态观测装置研制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、以保形面为光学设计的起点，根据观测需求完成光学系统设计，着重考虑保形光学元件的可加工性与工况的适应性，同时兼顾零部件安装的便利性，并将观测所需的光学性能分散在多个光学元件中；步骤二、根据光学系统设计结果完成各光学元件以及各机械零件的结构设计，将光学系统中的保形光学面转换为一体材料的保形光学元件，在光机结构设计中搭建出所需的保形流态观测装置，并对设计结果进行计算以及仿真分析；步骤三、按照保形光学元件的结构设计结果对其进行加工；步骤四、对加工完成的保形光学元件进行精度检测，并将检测结果反馈给光学系统，以保形光学元件的实际加工与检测结果为依据对光学系统的调制光学元件进行优化改进，同时对光机结构设计进行相应的优化改进；步骤五、对优化改进后的调制光学元件与机械零件进行加工与精度检测；步骤六、对完成加工与检测并已符合要求的各零部件进行装调，得到所需的保形流态观测装置；步骤七、对装调好的保形流态观测装置进行性能检测与进一步调整直至其达到目标性能即对流体流态的观测要求。2.根据权利要求1所述的一种保形流态观测装置研制方法，其特征在于：在光学系统设计过程中，通过人为控制设计参数，使调制光学元件与保形光学元件不直接接触。3.根据权利要求1所述的一种保形流态观测装置研制方法，其特征在于：在进行光机结构设计时针对保形光学元件的性质与允差范围并结合机械零件的性质设计出应力隔绝结构，使保形光学元件通过应力隔绝结构被约束在安装空间内，而不通过任何机械连接手段与其他零件进...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐思华，朱晓彤，张汉强，肖航，徐启航，杨兵，曾德，于新辰，刘浩宇，
申请(专利权)人：徐德富，
类型：发明
国别省市：