0 Товар(ов) - 0.00 USD
Корзина товаров В корзину

Каталог товаров

Категории товаров

Пленка, чувствительная к поверхностному напряжению

Пленка, чувствительная к поверхностному напряжению (S3F), представляет собой оптический прибор для измерения поверхностного трения. В основе этого измерения лежит эластичная пленка, которая деформируется под действием приложенных нагрузок. За реакцией пленки следят путем визуализации поверхности. Затем реакция пленки моделируется с использованием анализа методом конечных элементов, что приводит к непрерывному распределению поверхностного трения по поверхности пленки.

Поверхность пленки будет подвергаться тангенциальному смещению из-за приложенной тангенциальной нагрузки, но не будет сжиматься или деформироваться. Отклик пленки можно визуализировать, рассматривая серию маркеров на поверхности пленки. Маркеры смещаются по мере того, как пленка срезается, и это смещение является функцией свойств пленки, модуля сдвига и толщины. После снятия нагрузки пленка вернется к своей первоначальной форме.

При приложении нормальной силы пленка деформируется, но не сжимается и не деформируется. Локальная толщина пленки будет изменена наличием нагрузки вблизи точки контакта. После снятия нагрузки пленка вернется к своей первоначальной форме. Толщина напряженной пленки является функцией приложенной нормальной силы, толщины пленки и модуля сдвига. Обратите внимание, что пленка реагирует на градиенты давления, а не на изменение статического давления. Это может быть значительным преимуществом по нескольким причинам. Во-первых, в результате получается датчик сдвига, нечувствительный к статическому давлению. Как правило, силы давления на несколько порядков больше, чем силы поверхностного трения, и, таким образом, реакция датчика поверхностного трения страдает из-за перекрестных помех между нормальным и тангенциальным откликом. Второй, датчик является датчиком градиента и поэтому может быть настроен для приложений, требующих большей или меньшей чувствительности. Более подробное описание поведения пленки будет включено позже. 

Конфигурация системы

Процесс измерения сдвига осуществляется путем оптического измерения тангенциальной деформации пленки путем отслеживания освещенных поверхностей маркеров, встроенных в слой. Затем эти деформации преобразуются в силы с использованием модели физического напряжения / деформации пленки. 

Все три компонента деформации можно выделить из пары изображений, сделанных одной научной камерой с высоким разрешением. Получают два изображения: выгруженное или вытекающее изображение и загруженное или переходящее изображение. Соотношение этих изображений является линейной функцией толщины пленки. Измерение тангенциального смещения выполняется с использованием одной и той же пары изображений. Поверхность пленки слегка легирована мелкими частицами, и карта тангенциального смещения получается путем пространственной взаимной корреляции изображений истечения и потока.

 12505 1

Датчики S3F в упаковке

Химический состав слоя S3F может быть изменен или настроен для конкретного применения, что делает S3F универсальным датчиком для широкого спектра применений, от исследований передвижения насекомых до исследований гидродинамики и исследований авиационных шин.

12505 2

Изображение пленки записывается в ненагруженном состоянии, а второе изображение записывается в загруженном состоянии. Тангенциальное смещение поверхности пленки определяется с помощью взаимной корреляции между изображениями намотки и намотки. Наложив тангенциальное смещение (векторы), можно получить визуализацию потока. Затем изображение преобразуется в силы с использованием модели МКЭ.

Аэродинамические и гидродинамические приложения

Поток через торцевую стенку стойки представляет собой простую экспериментальную установку, которая создает широко известное, но сложное поле потока. Это поле течения включает в себя двумерное поле поверхностного трения, а также точки застоя, зоны рециркуляции и градиенты давления. Испытания торцевой стенки стойки проводились путем установки цилиндра по краю пробки диаметром 19 мм с полостью глубиной 1 мм, заполненной S3F. Диаметр цилиндра составлял 5 мм, а длина - около 50 мм. Пробка была установлена ​​в нижней стенке испытательной секции так, чтобы пленка находилась ниже по потоку от цилиндра, и данные были получены при нескольких скоростях до 3,1 м / с с использованием времени экспозиции 20 мс. Затем пробку поворачивали так, чтобы цилиндр располагался ниже по потоку от пленки, и условия испытаний были повторены.

12505 3

Поток воды вокруг цилиндра

Поле тангенциального смещения представлено с помощью векторов, показывающих как величину, так и направление, а цветные контуры представляют нормальные деформации пленки. Расположение вихря перехода выше по потоку видно по векторам тангенциального смещения. Эти контурные линии иллюстрируют изогнутую геометрию вихря соединения, когда он охватывает стойку, и обеспечивают оценку смещения ядра вихря вверх по потоку от передней кромки стойки. Низкая скорость набегающего потока создает большой вихрь на стыке, который не охватывает цилиндр плотно, как показано направлением контурных линий. Точка застоя четко расположена на стороне входа в цилиндр, и при ускорении потока вокруг цилиндра присутствуют области увеличения сдвига.

12505 4

Сдвиг, создаваемый воздушным потоком над треугольным крылом

Дельта-крыло было приготовлено из тонкой напыленной пленки S3F, и пленка была разбрызгана высококонтрастным флуоресцентным датчиком. Треугольное крыло было помещено в аэродинамическую трубу ISSI под углом атаки 5 градусов, и данные были получены с помощью 5-мегапиксельной CMOS-камеры. Необработанные и обработанные данные представлены на рисунке. Пара передних вихрей четко видна на обработанных данных. Рабочее расстояние в этом случае составляло несколько футов, поле зрения составляло около 6 квадратных дюймов, а время экспозиции составляло 1 мс. Последний вопрос, который представляет значительный интерес, заключается в том, что камера, используемая для сбора этих данных, была недорогой USB-камерой (менее 700 долларов). Нет необходимости приобретать дорогую камеру научного уровня, чтобы использовать S3F для измерения поверхностного трения.

Демонстрация S3F на хорошо известном поле потока обеспечивается с использованием профиля NACA 0012 на низкой скорости. NACA 0012 имеет хорошо известный ламинарный разделительный пузырек возле передней кромки. Профиль был изготовлен с полостью глубиной 1 мм около середины пролета, которая огибает переднюю кромку. Пленка S3F толщиной 1 мм была отлита на майларовую пленку и вклеена в полость. Целью этого процесса нанесения пленки было сохранение структуры аэродинамического профиля. Профиль помещался в аэродинамическую трубу и освещался светодиодной матрицей. Данные были получены при нескольких углах атаки, и результаты для угла атаки 12 градусов при скорости 10 м / с показаны на рисунке. Нормальные и тангенциальные деформации по хорде профиля были извлечены и преобразованы в давление и поверхностное трение. Поле сдвига указывает на область рециркуляции около передней кромки. Распределение давления показывает благоприятный градиент давления от передней кромки. Данные по серии отводов давления сравнивались с данными давления S3F, и соответствие между отводами S3F и отводами давления/

12505 5

Сдвиговые и нормальные поля от удара струи

Чтобы продемонстрировать точность системы S3F для измерения малых аэродинамических сил, был проведен эксперимент по столкновению струи. Струя с соплом диаметром 2 мм располагалась так, чтобы она падала на плоскую поверхность под наклоном. Данные были получены: нормальные и тангенциальные деформации S3F показаны на рисунке. Были извлечены нормальные и тангенциальные деформации вдоль линии, параллельной струе (обозначенной на рисунке), и эти данные были преобразованы в измерения поверхностного трения и давления. Измерения давления сравниваются с результатами, полученными с использованием отводов давления на рисунке. Эта струя работала на низкой скорости, и максимальное давление на поверхности составляло 40 Па. Отклонение между данными S3F и показателями давления составляет менее 2 Па или 5% от полного диапазона давления. Пространственное разрешение S3F очевидно; в данном случае это примерно одна десятая диаметра струи или 0,2 мм. Вообще говоря, это пространственное разрешение составляет примерно 1/5 толщины пленки (которая может быть даже 0,1 мм). Наконец, данные о поверхностном трении указывают на область нулевого сдвига (точка застоя) и реверсирование потока перед местом максимального давления. За точкой торможения поверхностное трение происходит по большой оси струи. Количественное сравнение данных о поверхностном трении не представлялось возможным. За точкой торможения поверхностное трение происходит по большой оси струи. Количественное сравнение данных о поверхностном трении не представлялось возможным. За точкой торможения поверхностное трение происходит по большой оси струи. Количественное сравнение данных о поверхностном трении не представлялось возможным.

Для оценки количественной точности S3F был проведен эксперимент с использованием полностью развитого канала. Полностью разработанный поток в канале обеспечивает отличную среду для проверки датчика S3F для измерения поверхностного трения. Кожное трение в канале может быть определено экспериментально, отслеживая градиент давления, или теоретически, отслеживая число Рейнольдса и используя соотношение потока Пуазейля.

12505 6

Канальный поток с S3F

Канал создается с помощью полости длиной 150 мм, шириной 24 мм и глубиной 1,72 мм. Акриловая крышка включает два порта для впуска / выпуска воздуха, а также два порта для контроля градиента давления на высоте около 150 каналов (h) ниже по потоку от впускного отверстия. Пленка отображается в области между портами давления. Данные были получены при нескольких скоростях потока, и скорость потока была установлена ​​с помощью регулятора массового расхода, и поэтому можно было определить число Рейнольдса. Данные были получены с использованием двух относительно толстых пленок (~ 300 микрон) с модулем сдвига 312 Па и 3035 Па.

Измерения S3F и поверхностного трения градиента давления нанесены на график в зависимости от числа Рейнольдса на рисунке вместе с соотношением потока Пуазейля. Кожное трение на этом рисунке находится в диапазоне от 0,5 Па до 70 Па. Градиент давления, поток Пуазейля и измерения поверхностного трения S3F хорошо согласуются (лучше, чем 5% полной шкалы) в диапазоне поверхностного трения, встречающегося в этом потоке. Эти результаты демонстрируют, что S3F можно использовать для количественных измерений поверхностного трения.

Одним из направлений программы S3F является разработка небольшого сенсора в корпусе для точечных двумерных измерений поверхностного трения, в идеале с частотной характеристикой в ​​несколько кГц. Этот тип пакета может быть развернут для аэродинамической трубы, водной трубы или полевых испытаний (в полете или в море). Ранняя оценка этого типа точечного датчика для измерения поверхностного трения была проведена в пограничном слое с высоким числом Рейнольдса в 12-дюймовом водном туннеле Университета Пенсильвании.

12505 7

Конфигурация точечного датчика S3F

Прототип точечного датчика 2D, на котором проводились измерения, был спроектирован таким образом, чтобы вписаться в существующее окно испытательной секции 12-дюймового водного туннеля. Окно было спроектировано с отверстием диаметром 76 мм для размещения сенсорного блока, который включает в себя S3F, источник освещения и систему визуализации. Полость S3F имеет диаметр 30 мм и глубину 1 мм. Полость формируется путем механической обработки отверстия в центре заглушки и установки окна на 1 мм ниже поверхности для формирования дна полости. За окном несколько светодиодов используются для освещения S3F, а небольшая ПЗС-камера на базе USB используется для наблюдения за деформациями поверхности пленки.

Затем скорость туннеля была установлена ​​на 4 м / с, и данные были получены с шагом 2 м / с до скорости 12 м / с (число Рейнольдса 2-6 миллионов). Каждое изображение было взаимно коррелировано с изображением истечения, и было определено двухмерное тангенциальное смещение и преобразовано в поверхностное трение. Результаты представлены в зависимости от поверхностного трения, измеренного с использованием баланса сопротивления на рисунке. Данные баланса сопротивления были подтверждены выполнением профилей лазерной доплеровской скорости в пограничном слое над датчиком S3F. Результаты датчика S3F относительно хорошо согласуются с принятым результатом баланса сопротивления. Среднеквадратичное отклонение между наборами данных составляет менее 5% от полного значения поверхностного трения, измеренного с помощью баланса сопротивления. Точность данных с датчика можно повысить, используя несколько точек данных для калибровки датчика на месте. Эти исправленные данные также показаны на рисунке. Считается, что необходимость калибровки на месте связана с точностью, с которой можно измерить модуль сдвига и толщину жестких пленок. Улучшенные методы измерения этих величин находятся в стадии разработки.

Контактная сила и биомедицинские приложения

Биомедицинские

Чтобы продемонстрировать возможность использования S3F в искусственном сердце, ISSI и PSU провели предварительное испытание. Пленка S3F была залита на стену модели сердца Acrylic Penn State 50cc. Эта пленка имела толщину примерно 1 мм и модуль сдвига примерно 300 Па. Оптически прозрачная модель сердца позволяла легко отображать пленку с помощью системы сбора данных. Данные были получены на нескольких этапах цикла накачки путем фазовой синхронизации импульсного светодиода и камеры с насосом. Средний результат для поля напряжения сдвига на 55 мс (ранняя диастола) показан ниже. Этот результат показывает большую область равномерного сдвига на стенке сердца, что указывает на то, что поток движется от нижней стенки сердца, а затем разделяется по линии. Одиночный кадр данных на 300 мс (поздняя диастола) также демонстрирует сложный характер потока вдоль задней стенки этой модели. Данные о сдвиге от S3F указывают области реверсирования потока и рециркуляции, указывающие на возможное разделение потока.

12505 8

Напряжение сдвига в модели искусственного сердца

Автомобильные и авиационные шины

S3F можно настроить на широкий диапазон модуля сдвига в любом месте от воздушного потока до контактного усилия с большим сдвигом. Пример диапазона S3F показан ниже на шине самолета. Система сбора данных, включающая камеру, компьютеры и источники освещения, установлена ​​на плоской пластине, где шина может катиться над датчиком, в то время как камеры регистрируют деформацию снизу через прозрачную пластину, покрытую S3F. Пятно контакта, показывающее нормальные силы, можно увидеть слева внизу. Нормальную силу и сдвиг можно рассчитать с помощью датчика S3F в широком диапазоне. Усилие качения в 70 000 фунтов было продемонстрировано с шинами.

Поле сдвига от опрокидывания шины

Анализ походки человека

Еще одна область применения S3F - анализ походки человека и исследование обуви. Система FootSTEPS используется для анализа походки стопы человека. Одна область, представляющая интерес при анализе походки, связана с образованием язв на диабетической стопе. Пиковое подошвенное давление использовалось в качестве предиктора образования язв в прошлом, но исследования показали лишь умеренную корреляцию между язвами диабетической стопы и пиковым подошвенным давлением. Подошвенный сдвиг исследуется как источник образования язвы, и только FootSTEPS обеспечивает возможность и разрешение, необходимые для одновременного проведения исследований как подошвенного сдвига, так и пикового подошвенного давления.

12505 10

Сдвиг поля стопы во время походки

12505 11

Поле давления от обуви

Передвижение насекомых

Чтобы продемонстрировать возможности применения S3F, небольшого паука поместили на чувствительный слой S3F и позволили ему ходить по поверхности своей обычной походкой. На изображении ниже показано поле сдвига, создаваемое следом паука, когда он идет по поверхности S3F.  

12505 12

Поле сдвига следа паука с S3F

 

Copyright MAXXmarketing GmbH
JoomShopping Download & Support

Высокое качество оказываемых услуг и минимальные сроки доставки лазеров, оптики и оптомеханики достигается за счет собственной логистики на всех участках доставки товара, осуществление таможенного оформления собственными силами, финансовой прозрачности внешнеторговых операций, отсутствия посредников в цепи поставки, контроля сроков изготовления и доставки лазерных и оптических систем и их элементов.

Будьте с нами на связи