毕业设计（论文）多孔陶瓷孔道直径检测的方法及测量装置设计

1、湖北工业大学商贸学院毕业设计摘 要多孔陶瓷因为其特殊的多孔结构而表现出多种特性，从而使其作为一种多功能材料而获得广泛应用。材料的结构决定其性能和应用。对于多孔陶瓷来说，其孔结构（孔径、孔形状、气孔率、气孔连通性）的设计和精确控制是多孔陶瓷研究中的主要课题。多孔陶瓷的孔径和孔径分布是其重要的性质之一，对其他一系列性质（如渗透速率、透气度、滤过性能等）影响显著，因而它的表征方法倍受关注，测试方法也很多。较为常用的有压汞法、气体吸附法、显微法，最近又发展了小角散射法、核磁共振法、热孔记法等。目前尚无统一的孔径分布表征方法。电镜法比较直观但属破坏性检测，也只能得到局部信息；压汞法和气体吸附，脱附法只能

2、适用无支持孔径测定；气体渗透法只能估摸孔径的最大和平均直径；渗透孔度法的测定孔径范围在纳米级，不适用于检测微米孔。本设计以国家标准为依据，采用液体排除法来测量多孔陶瓷的孔道直径。所谓液体排除法，就是首先通过对样品的处理，让样品中的孔道中充满浸润剂，然后通过加压的方式使渗透剂进入样品孔道中而排除浸润剂。通过排除液体时所需要的压力来计算孔道直径。本设计的设计要求为：测量出多孔陶瓷的孔道直径的最大值和平均值。本文运用毛细管的原理计算出孔道直径的最大值和平均值，计算中需要用到浸润剂刚被排除时的压力和完全被排除时的压力，因此所设计的设备必须能够测量出浸润剂刚被排除时的压力和孔道中所有液体都被排除时的压力

3、。本设计主要解决了以下两个问题：1. 样品制备装置，制备的样品也要达到国家标准的要求。本设计根据国标的要求设计了样品的制备装置。能够制造出符合国标要求的样品。2.测量装置，本设计按照孔径测量理论的要求设计了测量装置，能够测量出要求的压力值。关键词：孔径 测量 设计abstractthe porous ceramic has showed manifold characteristic because or its especial porous configuration,which makes it apply abroad as a multifunctional material. th

4、e configuration of the material itscapability and appliance. as for the porous ceramic, the designof its frame(aperture, shape, porosity) and the exact control are main problem in the porous ceramic study. the aperture and its distributing of the porous ceramic are one of its importan tqualities, an

5、d have a distinct infection on the other qualities(such as filter-rate,breathe-freely degree, siev ecapability). so its denoting methods are mostly paid attention to, and there are many test methods as well. the common methods are the methods of pressure-mercury gas-adsorption, and there are small a

6、ngle dispersion, nmr, latterly. there are not consolidated token methods at present. using the electron microscope is, but destroying, and only gets part information. the methods of pressure-mercury and gas-adsorption only suitfornon-sustaining aperture; the method of gas filter only estimates the a

7、perture maximal and average diameter; the extension of the filter methodarein the nanometer, are not applicable for micronaperture.this design was on the base of the national criterion, and the diameter of the porous ceramic by lldp(liquid-liquid displacement)as for lldp, namely deal with the sample

8、 first, and make their aperture be full of the soakage. according to the pressure to work out the diameter.the request of this design was to measure the maximal and average diameter of the porous ceramic by capillary theory, and needed the pressure of the soakage when it was eliminated at the first

9、time and when totally eliminated. so the equipment of th edesign can measure the pressure. this design mainly solved two questions as follows; 1. the sample preparation setand the sample must achieve the national standard. the sample preparation set was designed according to the international reques

10、ts in this design, and could make sample according with international requests. 2. ameasure set was designed by the aperture measure theory, and could measure the request pressure.keywords: aperture measure design目 录摘 要iabstractii目 录iii1引言11.1课题的来源、意义及国内外研究现状、存在的问题11.2多孔陶瓷的结构多孔陶瓷11.3多孔陶瓷的性能与表征21.3.1

11、孔径与孔径分布21.3.2显气孔率和容重21.3.3液体渗透速率21.3.4透气度21.4多孔陶瓷的应用22多孔陶瓷孔道直径检测的方法及原理32.1检测方法的选择32.2液体排除法测定孔径分布的原理42.3测量装置流程图63测量装置的设计73.1样品制备装置的设计73.2夹具的设计114设备整体图及操作说明135单片机控制系统155.1控制原理155.2步进电机的选择165.3传动机构的设计165.3.1整体结构图165.3.2滚动螺旋副结构175.4 控制主程序的编制196总结22参考文献23谢 辞24 24 1引言1.1课题的来源、意义及国内外研究现状、存在的问题多孔陶瓷因为其特殊的多孔结

12、构而表现出多种特性，从而使其作为一种多功能材料而获得广泛应用。材料的结构决定其性质和应用。对于多孔陶瓷来说，其孔结构（孔径、孔形状、气孔率、气孔连通性）的设计和精确控制是多孔陶瓷研究中的主要课题。多孔陶瓷的孔径及孔径分布是其重要的性质之一，对其他一系列（如渗透速率、透气孔、滤过性能等）影响显著，因而对其孔径进行测量是非常有意义和必须得。目前国内外用于测量孔道直径的方法中，较为常用的测量方法有压汞法、气体吸附法、显微法，最近又发展了小角散射法、核磁共振法、热孔记法等。但目前国内外尚无统一的气孔分布表征方法。电镜法比较直观但属破坏性检测，也只能得到局部信息；压汞法和气体吸附，脱附法只能适用无支持孔

13、径测定；气体渗透法只能估摸孔径的最大和平均直径；渗透孔度法的测定孔径范围在纳米级，不适用于检测微米孔。1.2多孔陶瓷的结构多孔陶瓷多孔陶瓷一般由骨料（50%-90%）、结合剂（10%-50%）、增孔剂（10%-20%）构成。他是由众多的气孔在空间通过各种方式排列而成的一类材料，可大致分为两类：蜂窝状（honey-comb）和泡沫状（foam）多孔陶瓷。蜂窝状多孔陶瓷中的气孔单元排列成二维的列阵，而泡沫状多孔陶瓷则由多面体孔洞在三维排列而成它进一步可根据单个气孔是否拥有固态孔壁（或称面）分为两类。如果组成气孔的固相物质仅占据气孔的棱角，则材料中的气孔是开口的，即各气孔空间通过共用的表面呈开口相连

14、，这类材料称为开孔多孔陶瓷，它具有较高的渗透率。如果气孔为固态物质所完全包围，则气孔是相互孤立，即闭孔的，这类材料称为闭孔多孔陶瓷。多孔陶瓷最大的结构特征就是多孔性。因制造工艺不同多孔陶瓷的孔结构主要有三种类型。即直通气孔，这类气孔直线贯通，相互之间没有连通或连通较少如蜂窝陶瓷等用模具剂制形成的气孔；闭气孔，这类气孔互不相通，相互孤立，如发泡法形成而没有破裂贯通的气孔，过分焙烧，产生液相过多，将气孔封闭也形成闭气孔；开气孔，颗粒烧结法、添加造孔剂法、有机泡沫浸渍法制备的多空陶瓷气孔大多是开气孔，这类气孔相互贯通，且与外界连通，极大多数的开气孔都是弯弯曲曲的。不同类型的孔结构使多孔陶瓷种类繁多，

15、性能特别，用途广泛。此外，多孔陶瓷的孔结构还有气孔率高，孔径均匀等特征。1.3多孔陶瓷的性能与表征多孔陶瓷的孔结构特征与陶瓷本身的优异性能结合，使其具有均匀的透过过性、发达的比表面积、低密度、低热导率、低热容以及优良的耐高温、耐磨损、耐气候性、耐腐蚀性和良好的刚度、一定的机械强度等特性。这些性能使多孔陶瓷成为发展迅速，应用广泛，前景广阔的新型材料。1.3.1孔径与孔径分布多孔陶瓷的孔径分布是其重要性质之一，对其它一系列性质（如渗透速率、渗透气度、滤过性能等）影响显著，因而它的表征方法倍受关注，测试方法很多。较为常用的有压汞法、气体吸附法、显微法，最近又发展了小角度散射法、核磁共振法，热孔计法等

16、。1.3.2显气孔率和容重试样中开口孔隙（指与大气相通的气孔）的体积与试样总体积的百分率称为显气孔率。试样干燥重量与试样总体积之比，称为容重（g/cm3）。显气孔率与容重对于多孔陶瓷的热性能与机械性能有较大影响，一般情况下，显气孔率越大，容重越小，多孔陶瓷的隔热性能越好，而抗压强度和抗弯强度等机械性能则越差。其测试方法见中华人民共和国国家标准法（gb1996-80）。1.3.3液体渗透速率多孔陶瓷的液体渗透速率是指在1000mm水柱压差条件下，每秒钟通过厚度为1cmm，面积为1cm2的多孔陶瓷试样的液体流量。液体渗透速率是多孔陶瓷作为过滤和分离设备时的两个重要性能，测试方法见中华人民共和国国家

17、标准（gb1969-80）。1.3.4透气度多孔陶瓷制品的透气度是指室温下，在压力差为1mm水柱时，一小时内层流状态通过厚为1cm，面积为1m2的多孔陶瓷制品的空气立方米数。测试方法见中华人民共和国国家标准（gb1968-80）。此外，对某些有特殊性能要求（如机械强度或耐化学腐蚀性能）的多孔陶瓷而言，其抗压强度，抗压弯度，耐酸、耐腐蚀性能也很重要。测试方法见中华人民共和国国家标准：抗压强度（gb1964-80）、抗弯强度（gb1965-80）、耐酸、碱腐蚀性能（gb1970-80）。1.4多孔陶瓷的应用对于具有连通气孔的多孔陶瓷，当通过流体时，骨架对流体具有很好的接触、搅拌效果以及阻挡大颗粒的

18、作用。这些特性使得多孔陶瓷在化工生产中具有重要作用，如除臭装置等用的催化剂载体、气体吸收塔、蒸馏塔的填料以及流化床中的过滤器。利用多孔陶瓷向液体中吹入反应气体，用吹养方法培养微生物等。利用多孔陶瓷制成的酸性溶液电解用隔膜，可以防止电极间生成的物质与电解液相混合，提高电解效率。从原子能发电厂生产的大量放射性废物中，大部分是可燃物，因此，需要经燃烧使其变为在化学上稳定的灰。在燃烧过程中，放射性固体颗粒，进行再燃烧，实现净化处理，这样保管起来既安全又经济。由于多孔陶瓷过滤液体时，没有溶出物，不会污染食品。因此，制糖和酿造工业使用预涂层多孔陶瓷过滤器进行最后解阶段的精密过滤，进行啤酒、醋、酒的精加工。

19、用这种方法精密过滤啤酒时，可省掉加热处理工序，与其它方法相比，啤酒味道更美。由于高开气孔率多孔陶瓷具有较大的表面积、密度低、热阻大等特性，使得它在能源领域中获得重要应用，如用作固体热转换元件、多孔燃烧器。将多孔陶瓷换热元件置于燃烧气体通路中，能吸收排气中的热，然后以固体辐射的形式辐射到加热炉一侧，回收余热，可大幅度节能燃烧消耗量。多孔陶瓷燃烧器具有耐高温、使用寿命长等特点，它不仅节能，而且可以减少nox的排出物，是近年来发展起来的新型技术，具有十分诱人的应用前景。多孔陶瓷在环保领域中的一个重要应用就是作为汽车尾气催化净化器，不仅可以收集柴油排出的黑烟颗粒，还可以将废气中的co转化为co2，no

20、x转化为n2，cnhm转化为h2o和co2。此外，它还可以用于高温废气的净化器、污水处理散气装置以及控制噪声的吸声材料等。网眼型多孔陶瓷与人体的海绵骨具有近乎相同的三维网状结构。由于这种多孔网状结构能使骨组织长入孔隙中，时种植体与生物体之间产生更为牢靠的固定，所以多孔生物陶瓷材料特别是网眼多孔磷灰石材料将成为非常重要的骨移植材料，并成为当前无机生物材料研究中的热点。2多孔陶瓷孔道直径检测的方法及原理2.1检测方法的选择多孔陶瓷的孔道直径与其渗透分离性能密切相关，然而目前尚无一种统一的孔径测量方法。电镜法比较直观但属破坏性检测，也只能得到局部信息；压汞法和气体吸附，脱附法只能适用无支持孔径测定；

21、气体渗透法只能估摸孔径的最大和平均直径；渗透孔度法的测定孔径范围在纳米级，不适用于检测微米孔，不适于检测微滤膜。因此需要一种方法或技术，能够对有不同孔径范围孔的陶瓷进行测量。利用微孔内的两相平衡和渗透性质的排除法属于“无损”检测技术，可直接测定膜的“活性孔”的分布。按渗透剂，排除法可分为气体-液体排除法和液体-液体排除法。气体泡压法针对微米孔是一种十分有效和方便的检测手段，其装置简单、操作方便，还可以检测最大孔径或缺陷尺寸，故常用于检测商品的产品质量。但气体泡压法测定膜的孔径分布在理论和测定技术两个方面有待于进一步完善。这是由于气体在微孔中的渗透机理十分复杂，目前还难于直接建立孔径分布与气体渗

22、透性的数学关系；作为渗透介质的气相和浸润剂的液相之间的界面张力往往较大，在测定较小的孔径时所需的压差较高。另外，测定过程中还难于避免浸润剂随渗透剂的蒸发携带，尤其是当气体流量较大时，如在压差与流量曲线的拐点处，蒸发携带比较严重，导致测定结果的失真。以液体为渗透剂的液体排除法，在一定程度上可以克服气体泡压法的上述缺点。液体的渗透通量较小，浸润剂和渗透剂互不相溶，故溶解携带的影响较小。液体在孔中的流动理论也相对成熟，可又传递方程直接导出孔径分布函数表达式。此外，液体间的界面张力范围较宽，因此可以降低定压差、拓宽孔径的测量范围。在本设计中选用液体-液体排除法。2.2液体排除法测定孔径分布的原理由毛细

23、管作用的原理可知，当多孔陶瓷的微孔被一种液体（浸润剂）所充满时毛细管内的液相压力（p2）将与作为渗透剂的一种与该浸润剂不互溶的液体压力（p1）达到静力学平衡，如图一所示：图一毛细管作用示意图这种平衡的关系可用laplace方程表述：（1）式（1）中，为样品两侧的压差，mpa；r为孔径，m；为两种液体间界面张力，n/m；为接触角，（）由上式可见，当两侧的压差大于时，毛细管内的液体将为渗透剂所置换，如已知液体间的界面张力和接触角，则可以利用上式由p计算对应的孔半径r。根据流体力学理论，液体在圆孔中的渗透速率与压差的关系可以由hagenpoiseuille方程描述：（2）式中，q为液体的流量，m3/

24、s；为液体的粘度，pas；l为样品的厚度，m;为样品的孔曲率，计算时采用文献近似值。运用（1）和（2）式可以导出膜的孔径分布函数f（r）。在（2）式中n为被打开的半径为r的孔的数目。若假设膜孔的总数数目为n，则：（3）相应，可得到如下的液体的累积渗透流量与压差及孔半径的关系：（4）式中对（4）式求导，有：（5）整理（5）式得到如下的分布函数表达式：（6）可以利用测量所得的离散的点对式（6）求数学期望来获得平均值。但这样求的效率较低不适合工厂生产的需要，可以在以上理论的基础上简化计算过程，以公式（1）计算孔道最大直径和平均直径。图二测量数据处理示意图2.3测量装置流程图根据液体排除法的测定理论，

25、所建立的测定装置的示意图如图三：图三体液排除法测定装置流程其中：1气瓶2减压阀3微调阀4三通阀5放空阀6精密压力表7渗透剂储罐8夹具9放空阀10换向阀11流量计12压力计13开关阀14储罐试样装入夹具后在试样上面充满浸润剂然后以气体为压力源将渗透剂压入夹具中，压力由小到大，当流最计刚开始有读数时记录两个压力计的读数，算出压力差。继续加压可以得到一系列压差与流量的数值。根据这些数值就能做压差一流量图了。3测量装置的设计本装置测量所用的浸润剂为水，渗透剂为正辛醇。两种液体的界面张力为8.510-3n/m。两种液体要互为饱和。根据机械设计手册中关于压力容器公称压力的要求（表一），选择1.6mpa为设

26、计时的基准压力。表一压力容器的公称压力0.10.250.40.61.01.62.54.06.41016202532本测量装置中选用20号无缝钢管作为液体流通的管道，根据机械设计手册选用20号无缝钢管，表号为g30，壁厚为2mm，外径为14mm，公称直径为10mm。要对钢管进行校核，其校核公式如下：(7)式中p为设计压力，mpa;di为钢管直径，mm;e为钢管的有效厚度，mm;t为材料的许用压力，mpa;焊缝系数，取1。查表有20号的钢管的t为130mpa，取p=1.6mpa，di=10mm，e=1.4mm，=1有：由于其计算值小于20号钢管的许用压力故钢管的选择是安全的。钢管的直径14mm，选

27、用普通细牙螺纹进行连接，公称直径为14mm，螺距为1mm，右旋，旋合长度为10mm，中等旋合长度。公差等级大径为6h，中径为6h螺纹名称为：m141-6h-10与其配合的内螺纹的名称也可以确定为：m141-6h。钢管在和其它装置连接后要进行胶密封，其承受的力很小，因此不需要对螺纹强度进行校核。3.1样品制备装置的设计在测量以前要进行试样的制备，样品的制备要符合国标的要求。本样品的制备依据的是gb1966-80第12条第1款规定的方法。试样制备的目的是要使样品中微孔孔道被浸润剂饱和。根据机械设计手册及相关资料得到如图四所示的装置图，从图中可知该装置由7部分组成，零件1是底座主要起固定作用，零件2

28、是底座旋盖起密封作用，零件3是样品室用来装样品，零件7是压紧圆筒主要用来压紧样品以达到密封效果，零件4和6是密封圈起密封的作用。在制备试样前要将零件3、4、5、6、7组装好放入零件1中，然后旋紧零件2，再在零件l中剩余空间中注满粘度较大的液体。液体注入的多少以使零件2上表面有一定的液体存在为益。注满液体有两个作用：一是可以对零件2中的螺纹起到密封；二是当向上旋零件3时有利于真空的产生。根据国家标准的要求，样品制备装置要保证抽真空后剩余压力小于10毫米汞柱，一个大气压相当于76毫米汞柱，当温度一定时气体的体积v和压力p的乘积是不变的，要使其剩余压力小于10毫米汞柱，只需将其体积扩大8倍以上。在本

29、装置中零件1的儿乎所有的空间都被液体占据着，很容易实现体积扩大8倍的要求。在此装置图中零件l和零件2，零件2作用。在零件1和零件2的连接中，零件1和零件3是通过管螺纹连接的，主要是起密封的采用圆锥螺纹，零件2采用圆柱螺纹，有效螺纹长度为21.4mm，基准长度为13mm，螺纹名称为：rpll/4/rll/4。在零件2和零件3的连接中，零件2采用圆柱螺纹，零件3采用圆锥螺纹，有效螺纹长度为22mm，基准长度为16mm，螺纹名称为rp2/r2。图四样品制备装置其中：1底座2底座旋盖3样品室4密封圈5样品6密封圈7压紧圆筒此装置的工作过程如下：首先按图四组装好零件3、4、5、6、7，零件7中的螺纹要全

30、部旋入，然后把装配好的整体放入零件1中，旋紧零件2，接着关闭和零件1相连的阀门，再在零件1中注入液体，最后快速的向上旋紧零件3。3旋入2的过程中其密封由加入的液体保证：在3向上旋入时，由于零件2的上表面有液体存在，在大气压的作用下液体会通过螺纹之间的间隙向零件1中流动，从而阻止空气向零件l中的渗入，保证了密封。零件2和零件3之间的螺纹校核可以用受拉螺栓的校核方法进行。可以把其看作是一个受预紧力和轴向工作载荷的紧螺栓联结。工作拉力f可由以卜公式求得：f=ps（8）式中p为零件3上下表面的压力巍处取p=l.olxlopa,s为零件3承受压力的面积又如下公式求得：（9）式中d为零件3的最大表面的直径

31、，设计值为42.435mm，此处取d=43mm，将d的值代入公式（9）中有：可以得出s的值为1451.46510-6m，然后把求的s值和p值代入公式（8）中有：可以求的f的值为146.60n。由于此处是用来密封故预紧力f可以由下面的公式求得：（10）取1.6代入公式有：求得f的值为234.56n。零件受到的总拉力fo可用以下公式求得：（11）代入f和f值有：可以求得fo的值为381.16n。预紧力f可用如f公式计算：（12）式中 可查表得到，查表有 值为0.20.3取0.2则 的值为0.8，代入公式（12）中有：可以求得f为351.84n。查表可知45号钢的抗拉强度为，其许用应力可由公式（13

32、）求得：（13）式中s为安全系数取s=2代入公式（13）有：设圆柱的外径为d，mm；内径为d，min有：（14）式中fo为管螺纹受到的总拉力为381.16n，d的设计值为30mm，代入公式（14）中求得：d30.058mm零件3的设计外径为42.435mm满足大于30.058mm的要求，所以设计是合理的。对于零件1和零件2，零件3和零件7中的螺纹配合也可以用上面所述的方法进行螺纹的校核可知设训都是合理得。零件3的拧紧力ft可由下面的公式求得：（15）式中f为轴向力根据前面的计算可取f=f=263.88n。为升角，v为当量摩擦角可分别由如下公式求得：（16）（17）公式（16）中的中的n为线数本

33、设计取n=1，p为螺距取p=2.309，d2为螺纹中径取d2=40.431有：公式（17）中v当量摩擦系数，可由如下公式求得：（18）式中为实际摩擦系数，取=0.2，为牙型斜角，可由下面的计算公式计算得出：（19）式中为螺纹的牙型角，由于本设计所用为管螺纹取。=55代入公式（19）有：将=0.2和=27.5代入公式（18）中有：把v的值v=0.2254代入公式（17）中有：把的值代入（15）中可以计算出拧紧力ft：ft=263.88tg(1.045+12.706)=64.56n本测量对密封的要求是比较高的，一旦密封不好，将导致测量的失败。因此零件1和零件2采用管螺纹密封，零件3和零件2采用管螺

34、纹密封，而零件7和零件3、样品和零件3之间采用了密封垫圈。零件7的主要作用就是让样品和零件3之间有良好的密封性能，在零件1中注入粘度较大的液体也是为了起到密封的作用。密封垫圈选用的原则为：对于要求不高的场合，可凭经验来选取，不合适时再更换。但对那些要求严格的场合，例如易爆、剧毒和可燃性气体以及强腐蚀的液体设备、反应罐和输送管道等，则应根据工作压力、工作温度、密封介质的腐蚀性及结合密封面的形式来选用。本装置密封垫圈的选择以机械设计手册为依据，主要考虑工作压力的要求来选用，密封材料为橡胶石棉板，密封圈种类为xb200，在使用过程中要根据实际情况来选择垫圈的厚度和宽度。对于那些不需要经常拆卸的联结可

35、以采用胶密封，零件1和管道的联结就采用了胶密封，在本设计中采用液态密封胶，选用y-150。3.2夹具的设计夹具的设计结构如图五所示：图五夹具零件1是夹具底座主要起固定作用；零件2是导气管用来排出样品下总汇的气体，当零件10和零件9的螺纹旋紧以后零件2和样品要想结合，零件3是调节垫圈，主要是当零件2受压时向下有段缓冲的蹁，同时也起一定的密封作用；零件5、6、7、8、9和样品制备装置中的零件3、4、5、6、7是相同的零件，当样品制备好后，可直接把样品制备装置中零件3、4、5、6、7作为一个整体拿到夹具中使用。零件10是压紧旋盖主要起压紧作用以便获得良好的密封。夹具的工作过程为：首先按图装配好各零件

36、，零件10的螺纹要全部旋完以便压紧有利于密封，然后从如图所示的夹具下方左边孔输入渗透剂直到夹具右边的孔有液体流出时，关闭与右边孔相连的阀门。在输入渗透剂的同时可以通过夹具上方左边孔输入浸润剂，也是到右边孔有液体流出时停止输液，关闭左边孔的阀门。在作了这些准备工作之后，就可以继续往夹具中输入渗透剂来进行测量了。测量过程中夹具的下部承受的压力最大，所以要对夹具下部进行校核，以便检查壁厚是不是达到要求。可以认为夹具下部为一圆钢管，这样就可以应用公式（7）对其进行校核了，取p=1.6mpa；di=43mm为设计值；e=5mm为设计值；t=180mpa；焊缝系数，取1。校核如下：由于其小于材料的许用应力

37、，所以壁厚设计是合适的。零件10中的螺纹可以用样品制备装置中的螺纹校核方法进行。夹具的密封要求和样品制备装置的要求是一样的，选择密封圈的准则也相同，在夹具中有四个地方要进行胶密封分别是夹具的上下两个孔，此处的孔不是经常拆卸的。在夹个的零件中零件2是很重要也是比较难设计的零件，如果气体不能完全排出，在测量的过程中可能通过孔道渗透到浸润剂中对测量结果产生一定的影响；其次零件2在与陶瓷样品接触的同时要保证接触面的压力要同其它样品平面的压力相等，这一点可以通过在导气管的顶端开小直径的半圆孔来实现；再次在零件10未旋紧以前导气管与陶瓷样品的间隙也较难确定，间隙太小，零件10旋紧时可能破坏陶瓷样品，太大就

38、有可能不能保证导气管与样品接触或是对零件3调节垫圈的压缩量太小而不能保证其密封要求，使导气管丧失导气的作用，本装置中间隙为ilnm左右，此间隙是在压紧圆通和压紧旋盖未压紧前的距离，可以通过设计零件时控制其长度来实现。具体数值在零件图上有表述。4设备整体图及操作说明综合以上的叙述可以得到如图六的整体图，图中1为气瓶，2为减压阀，3为压力计，4为定值器，5、7、10、11、18、19、23为弯接头，6为渗透剂储罐，8为截il阀，9为压力传感器，12为截止阀，13为夹具，14为浸润剂储罐，16为截止阀，17为快换接头，20为压力传感器，21为流量传感器，22为快换接头，24为废液罐。夹具装配好后，打

39、开气瓶阀门，调节减压阀2使气体压力保持在2公斤/厘米2。打开阀门8、12、16，同时向夹具里注入渗透剂和浸润剂，当阀12有渗透剂流出，废液罐中有浸润剂流入时，关闭阀门12和阀门16，打开停顿开关，关闭复位开关，启动步进电机控制程序，此时通过步进电机控制压力的增大，当流量传感器刚有读数时，步进电机第一次停止转动，记下压力传感器和流量传感器的值，计算出压力差pd，以此压力差通过公式（l）计算最大孔道直径。关闭停顿开关，步进电机继续转动，当达到下一个测量点时，打开停顿开关使步进电机停转，记录压力值和流量值，计算压差。以此步骤测量得到一系列压差和流量。测量完毕后，打开复位开关，然后通过步进电机控制电路

40、使步进电机反转回到原位。在测量的过程中可以随时使用复位开关终止测量。以压力差p为横坐标，流量q为纵坐标，在毫米格纸上作压力差和流量的曲线。图六整体图液体在管道中流动时会有沿程压力损失，经过弯道是会有局部压力损失，由于液体在管道中的流速比较低，再加上金属圆管中临界雷诺数较大，可以认为液体在金属圆管中的流动是层流。沿程压力损失可以由下面的公式求得：（20）式中为液体密度，v为液休平均流速，l为管道长度，d为管道直径。为沿程阻力系数，与累诺数的关系为：（21）局部压力损失可由下面的公式求得：（22）pn为阀在额定流量qn下的压力损失，q为通过阀的实际流量，qn为阀的额定流量。由于在测量的过程中液体的

41、流量和流速都很小，根据公式（20）和（22）可知其沿程压力损失和局部压力损失都很小，可以忽略不计。5单片机控制系统5.1控制原理在本设计中以mcs-51单片机对系统进行控制，使用的芯片为8051，以p2.1作为流量传感器的反馈端口，p2.2为复位开关端口p2.3为停顿开关端口。以pl.0接步进电机的a相绕组，p1.1接电机的b相绕组，pl.2接电机的c相绕组，如图七所示：步进电动机与压力工作阀相连，通过电动机的转动带动阀门阀芯转动来控制阀门两侧的压力大小。选择的单片机为双相三拍的方式，每拍、转过的角度是4.5度。工作前要将复位开关关闭，保持端口p2.2为低电平；停顿开关打开，让端口p2.3保持

42、高电平。工作过程如下：在单片机的控制下，步进电机带动压力控制阀转动，感器有读数，传感器增大压力，当流量传感器没有测到流量时，这个动作将一直保持下去，一旦流量传就通过反馈电路给端口p2.l一个高电平此时电动机将停止转动，记录下此时压力传感器和流量传感器的读数：这样通过停顿开关控制步进电机的停、转就能得到二系列的压力和流量数值。测量完后，打开复位开关，然后通过电动机控制电路使电动机反转回到原始位置。图七芯片接口5.2步进电机的选择本设计采用的是三相反应式步进电机，规格和性能见表二：表二 步进电机规格和性能型号相数步距角电压v电流a转距nm起动频率hz运行频率hz110bc380c30.75/1.5

43、80-300610150015000外形尺寸及安装尺寸见表三和图八。表三 步进电机的外形尺寸及安装尺寸型号/尺寸db-bd（h7）l1bd1（h7）hld2d1110bc380c11011214358542061329图八步进电机尺寸图5.3传动机构的设计5.3.1整体结构图图九传动机构如图九所示该传动机构通过一滚动螺旋副把步进电机的旋转运动转变为连杆的轴向运动，从而控制压力阀。5.3.2滚动螺旋副结构滚动螺旋副本身由螺母1，轴套2，挡轴器3，钢球4，螺杆5组成，具体如图十所示。螺杆和螺母的螺纹滚道间置有钢球，当螺杆或螺母传动时，钢球在螺纹滚道内传动，使螺杆和螺母作相对运动时为滚动摩擦，提高了

44、传动效率和传动精度。图十滚动螺旋副结构图l-螺母2-轴套3-挡球器4-钢球5-螺杆滚动螺旋副的承载能力是以额定静载荷和额定动载荷来表示的。这里只考虑额定静载荷。滚动螺旋副在静态条件下，受接触应力最大的滚动体和滚道接触面间产生的塑性变形量之和达到了0.0001倍滚动体直径时的轴向载荷，定义为基木额定静载荷。其值可用下式计算（23）式中-为接触角（滚动体合力作用线和螺旋轴线垂直平面间的夹角）dw-钢球直径minz-每圈螺纹内滚动体的数量（取整数）dm-为滚动螺旋公称直径mmi-螺母的总工作圈数i圈数列数k0-基本额定静载荷特性值，与滚道的儿何形状、材料等有关。一组（相当数量）相同参数的滚动螺旋副，

45、90%不发生疲劳扩展的特定转数（或在一定转速下的工作时数），定义为它的额定寿命。寿命计算的基本公式是（24）式中 l-额定寿命 106转 ca-基本额定动载荷 nf-轴向载荷，变载荷时，应取其平均载荷fm在实际选用，常用小时数表示额定寿命，则有（25）式中 l-工作寿命 h n-转速，变速时，应取其平均转速nm r/min滚动螺旋副若在变转速和变载荷情况下工作，计算寿命时应取其平均转速nm和平均载荷fmo在变转速和稳定载荷条件下，其平均转速nm为： r/min （26）式中n1、n2-各种工作转速 r/minq1、q2-相应转速的工作时间与总工作时间之比 %5.4 控制主程序的编制电动机的工作

46、方式为双相三拍，根据其特点可有如下表的控制模型：表四 双相三拍控制模型步序p1输出状态绕组控制字100000011ab03h200000110bc06h300000101ca05h根据控制过程及控制模型可以得到如图十一所示的步进电机控制程序流程图根据流程图编制的程序如下：main: mov ro ， #00hmov r1 ， 00hlcall routn routn： jb p2.2 ， loop2loop1： jb p3.1 ， loop3mov a ， #03hmov p1 ， alcall delayinc r0cjne r0 ， #00h ， next1inc r1next1： jb

47、p2.2 ， loop2jb p2.1 ， loop3mov a ， #06hmov p1 ， alcall delayinc r0cjne r0 ，#00 ， next2inc r1图十一 程序流程图next2： jb p2.2 ， loop2jb p2.1 ， loop3mov a ， #06hmov p1 ， alcall delayinc r0cjne r0 ，#00 ， next3inc r1next3： jb p2.2 ， loop2jb p2.1 ， loop3ljmp loop1loop3： jb p2.2 ， loop2jb p2.3 ， loop41con1： mov a ， #03hmov p1 ， alcall delayinc r0cjne r0 ，#00h， next4inc r1next4： jb p2.2 ， loop2jb p2.3 ， loop42con2： mov a ， #06hmov p1 ， alcall delayinc r0cjne r0 ，#00h，