CN101285786B - 谐波探测技术用于微槽道局部对流换热系数测定的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明测技术用于微槽道局部对流换热系数测定的方法，涉及测量技术，是利用信号频域特性进行微通道内流动换热系数和温度测量。在微槽道的底部布置一定尺度和形状并带有绝缘层的微型传感器阵列，采用交流电流加热，同时作为温度传感器，然后根据微型传感器的频响特性与温度变化的关系确定微槽内局部对流换热系数和温度。因焦耳效应产生的热量将以2ω的频率对微型传感器加热。增加的微型传感器电阻与交流电流共同作用产生频率为3ω的电压谐波，包含与微槽内流体对流换热性能有关的信息。用锁相放大技术测量谐波的幅值和相位。本发明提出的理论模型和数据处理方法，可以确定微槽道内部不同位置的流动换热性能和温度。
Description
技术领域
本发明涉及测量技术领域，是一种利用谐波微型传感器技术测量微槽道内部微流动换热系数的方法，特别是应用于微型燃气轮机、微机电加工(MEMS)以及基于微槽强化换热的设备内部微槽道流体的流动换热系数测量的方法。
背景技术
由于具有体积小和性能可靠等优点，微型燃气轮机在军用和微型飞行器等领域具有重要的应用价值。目前微型燃气轮机正处于样机的研发阶段，内部的轴承和叶片以及燃气流通通道的尺度小于几百微米。其中燃气流通通道内部气体的局部流动换热特性对于系统的可靠运行十分重要。
目前对于微米、纳米尺度材料热参数或热电参数的测量，一般采用激光闪光法，空间测量精度一般大于1微米。改进的激光闪光法可以测量1微米厚度薄膜的热扩散率，无法测量微小空间或微量液体流动换热特性参数。谐波探测方法利用高频交流信号加热被测物体，采用谐波探测原理和微弱信号测量技术，可以有效测量上述微米、纳米材料的热电输运过程的特性参数。
由于温度、流量等测量手段的限制，绝大部分狭小空间局部换热性能的研究通过测量微小通道的进出口参数，只能从整体上预测是增强还是恶化传热过程，谐波测试采用的微型传感器的特点-尺度小，相对温度改变小，受热辐射的影响小，在微尺度传热规律研究和物质相变过程的研究中有巨大应用潜力.
分析该测量方法特点发现，该方法可实现液体内部的热量传递，微型传感器通过微弱交流信号加热介质，由微型传感器的谐波得到温度波动信号。利用交流锁相放大技术可以克服热电偶测温很难得到高精度快速信号响应的问题。采用很小的时间常数就可以快速探测到稳定的谐波，包含与流体热参数有关的丰富信息。在频域内，通过调节加热频率可以控制热作用深度，进而探测近壁面处的流动换热特性。
发明内容
本发明的目的是解决目前微尺度流动换热领域微通道内局部流动换热系数以及局部温度分布描述困难等的技术缺陷，提供一种谐波探测技术(谐波微型传感器技术)用于微槽道局部对流换热系数测定的方法，此方法利用埋设在微通道底部的一系列微型传感器，通过改变交流加热频率控制热波作用深度，可用于微型燃气轮机、微机电加工(MEMS)以及基于微槽强化换热的设备内部微槽道流体的流动换热系数以及局部温度的测量。
本发明的技术方案：
一种谐波探测技术用于微槽道局部对流换热系数测定的方法，可用于微型燃气轮机、微机电加工以及基于微槽强化换热的设备内部微槽道流体流动换热系数以及局部温度的测量；该方法利用埋设在微槽道底部的一系列微型传感器，采用交流电对微型传感器电加热，通过改变交流加热频率控制热波作用深度，利用锁相放大技术快速而准确的测试微型传感器因交流加热作用产生的三次谐波；该方法的步骤为：①将复数个微型传感器采用化学沉积工艺固定在微槽道底部；②在微型传感器表面沉积绝缘膜；③将每一个微型传感器两端的两组引线，一组与电源连接，另一组与谐波测试系统的一运算放大器连接，测试不同频率下微型传感器两端的谐波；④标定微型传感器电阻温度系数；⑤测量微槽道内不同位置微型传感器的频响特性；⑥根据微型传感器的电阻温度特性曲线确定微型传感器的温度；⑦根据测试原理拟合流体的对流换热系数；上述步骤适用的温度范围为：常温～1600℃，压力范围为：常压～5MPa。
所述的谐波探测技术用于微槽道局部对流换热系数测定的方法，其所述①步中，在微槽道底部埋设的微型传感器阵列沿流体流动方向排列，以同时测量不同位置的对流换热性能。
所述的谐波探测技术用于微槽道局部对流换热系数测定的方法，其所述微型传感器采用周期交流电加热。
所述的谐波探测技术用于微槽道局部对流换热系数测定的方法，其所述②步中，微型传感器表面沉积绝缘层的厚度为250～300nm，绝缘层的厚度小于300nm时，忽略绝缘层自身的温度变化。
所述的谐波探测技术用于微槽道局部对流换热系数测定的方法，其所述微型传感器的宽度在1～100μm范围内，厚度在100～300nm范围内，单个微型传感器总长度在1～2mm范围内，微型传感器的电阻在2～100Ω范围内；以在低频下直接测量由于流体的对流换热引起的微型传感器温度的变化，而不必考虑微型传感器自身热容的影响。
所述的谐波探测技术用于微槽道局部对流换热系数测定的方法，其所述微槽道宽度为5～1000μm，深度小于2000μm。
所述的谐波探测技术用于微槽道局部对流换热系数测定的方法，其所述谐波探测系统采用了一个电流源对交流电压信号实现功率放大。
微型传感器的宽度在1～100μm范围内，表面绝缘层的厚度在250～300nm范围内，可以在低频下直接测量由于流体的对流换热引起的微型传感器温度的变化，而不必考虑微型传感器自身热容的影响。
绝缘层的厚度小于300nm，可以忽略绝缘层自身的温度变化。
在微槽道底部埋设的微型传感器阵列沿流体流动方向排列，可以同时测量不同位置的对流换热性能。
与热电偶接触式测温或红外、PIV等非接触测量方法相比，本发明能在很大程度上解决目前微通道内部流体的局部换热系数以及局部温度难于准确测量的问题，可以在比较大的温度范围内(-10K～1000K)快速而准确探测微通道内不同位置不同微型传感器的谐波，保证微通道内部流体的局部换热系数以及局部温度测量的准确性。
附图说明
图1是本发明的谐波微型传感器的位置和结构示意图；
图2是实现该方法的谐波测试系统原理图。
具体实施方式
见图1，在微槽道1的底部布置一定尺度和形状的带有绝缘层3的微型传感器2阵列，采用交流电流加热，同时作为温度传感器，然后根据微型传感器2的频响特性与温度变化的关系同时确定微槽道1内局部对流换热系数。因焦耳效应产生的热量将以2ω的频率对微型传感器2加热，增加的微型传感器电阻与交流电流共同作用产生频率为3ω的电压谐波，包含与微槽道1内气体或液体对流换热性能有关的丰富信息。利用本发明提出的理论模型和数据处理方法可以确定微槽道1内部不同位置流体的换热性能。
上述微型传感器1的宽度在1～100μm范围内，厚度在100～300nm范围内，表面绝缘层3的厚度在250～300nm范围内，微型传感器2总长度在1～2mm范围内。微型传感器2的电阻在2～100Ω范围内。
见图2，谐波测试系统包括微型传感器、可调电阻、两个运算放大器、锁相放大器、微机控制与数据采集系统和电流源，各部件按常规电连接。
本发明方法适用的微槽道1宽度为5～1000μm；微槽道1深度小于2000μm。；本发明方法适用的温度范围为：常温～1600℃，压力范围为：常压～5MPa。
测试开始前，调节串联的可调电阻接近或略微大于测量过程中微型传感器可能达到的最大电阻。为了防止微型传感器有比较明显的温升，调节锁相放大器的输出电压，使得可调电阻两端的电压接近10mV，微调可调电阻，通过锁相放大器的差动输入监测，使得电桥平衡，可调电阻的阻值就等于微型传感器的冷态电阻。在频率30Hz附近，采用交流电压表或示波器测量两个单增益运算放大器的输出电压，以检查是否出现直流漂移。在测量给定温度和某一频率下微型传感器两端的谐波时，应适当选择合理的基波电压，使得微型传感器两端的谐波接近基波的1/500～1/1000。
Claims (7)
1.一种谐波探测技术用于微槽道局部对流换热系数测定的方法，用于微型燃气轮机、微机电加工以及基于微槽强化换热的设备内部微槽道流体流动换热系数以及局部温度的测量；其特征在于，该方法利用埋设在微槽道底部的一系列微型传感器，采用交流电对微型传感器电加热，通过改变交流加热频率控制热波作用深度，利用锁相放大技术快速而准确的测试微型传感器因交流加热作用产生的三次谐波；该方法的步骤为：①将复数个微型传感器采用化学沉积工艺固定在微槽道底部；②在微型传感器表面沉积绝缘膜；③将每一个微型传感器两端的两组引线，一组与电源连接，另一组与谐波测试系统的一运算放大器连接，测试不同频率下微型传感器两端的谐波；④标定微型传感器电阻温度系数；⑤测量微槽道内不同位置微型传感器的频响特性；⑥根据微型传感器的电阻温度特性曲线确定微型传感器的温度；⑦根据测试原理拟合流体的对流换热系数；上述步骤适用的温度范围为：常温～1600℃，压力范围为：常压～5MPa；
微型传感器与可调电阻串联，两个单增益运算放大器分别与微型传感器和可调电阻并联，锁相放大器的差动输入端分别与两个单增益运算放大器连接；测试开始前，调节可调电阻接近或略微大于测量过程中微型传感器可能达到的最大电阻；调节锁相放大器的输出电压，使得可调电阻两端的电压接近10mV；微调可调电阻，通过锁相放大器的差动输入监测，使得两个单增益运算放大器的输出电压平衡，可调电阻的阻值就等于微型传感器的冷态电阻；在频率30Hz附近，采用交流电压表或示波器测量两个单增益运算放大器的输出电压，以检查是否出现直流漂移；在测量给定温度和某一频率下微型传感器两端的谐波时，应适当选择合理的基波电压，使得微型传感器两端的谐波接近基波的1/500～1/1000。
2.根据权利要求1所述的谐波探测技术用于微槽道局部对流换热系数测定的方法，其特征在于，所述①步中，在微槽道底部埋设的微型传感器阵列沿流体流动方向排列，以同时测量不同位置的对流换热性能。
3.根据权利要求1所述的谐波探测技术用于微槽道局部对流换热系数测定的方法，其特征在于，所述微型传感器采用周期交流电加热。
4.根据权利要求1所述的谐波探测技术用于微槽道局部对流换热系数测定的方法，其特征在于，所述②步中，微型传感器表面沉积绝缘膜的厚度为250～300nm，绝缘膜的厚度小于300nm时，忽略绝缘膜自身的温度变化。
5.根据权利要求1、2、或3所述的谐波探测技术用于微槽道局部对流换热系数测定的方法，其特征在于，所述微型传感器的宽度在1～100μm范围内，厚度在100～300nm范围内，单个微型传感器总长度在1～2mm范围内，微型传感器的电阻在2～100Ω范围内；以在低频下直接测量由于流体的对流换热引起的微型传感器温度的变化，而不必考虑微型传感器自身热容的影响。
6.根据权利要求1所述的谐波探测技术用于微槽道局部对流换热系数测定的方法，其特征在于，所述微槽道宽度为5～1000μm，深度小于2000μm。
7.根据权利要求1所述的谐波探测技术用于微槽道局部对流换热系数测定的方法，其特征在于，所述谐波测试系统采用了一个电流源对交流电压信号实现功率放大。
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