CN102308221B - 具有一条或多条引线的风力计探针及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风力探针并涉及用于制造具有单引线或n引线(n＞1)以在壁附近进行测量的风力探针的方法，对于引线中的至少一条，包括：a)定位并保持引线(2)的笔直部分，所述引线包括由保护套(22)包围的金属芯线(21)，且位于两个表面上；b)剥离护套(22)的一部分，以暴露引线的有源测量区(14)；以及c)将引线焊接在探针本体的两个管脚上。

Description

具有一条或多条引线的风力计探针及其制造方法

技术领域和现有技术

本发明涉及用于在表面附近进行风力测量的探针的领域。

更具体地，其涉及热线(hot wire)或冷线(cold wire)风力计类型的探针或装置。

其还涉及制造这种探针的方法。

其还涉及用于这种探针的电源调节和测量装置。

现在，将简要地总结热线风力计的原理：根据此技术，通过焦耳效应加热直径通常是2至5μm等级的非常薄的金属引线。如果将金属引线放在温度低于金属丝温度的流动中，那么，引线将通过强制对流冷却。流动流体的速度和/或温度的波动导致引线温度的变化，然后，导致其电阻的变化。用电阻中的这些变化来进行测量。

可以通过电路以不同的方式供应在引线处释放且然后在引线与周围环境之间交换的电功率，这可用来定义三种类型的风力计：

-恒电流风力计，

-恒温风力计，

-恒压风力计。

在表面附近进行的测量非常特殊，因为表面由于其存在而影响速度测量。这导致将速度值估计得过大。

将在下面物理地解释此过高估计。因为引线被过度加热，所以引线被扩散热点围绕。当引线与表面之间的距离降至小于围绕引线的此热点的尺寸时，朝着表面出现能量转移。对于引线，与没有表面时所执行的校准相比，这导致所转移的能量的增加，其与所测量的速度的增加相当。从离表面y⁺＝6等级的非空间距离开始，此过超速现象是显著的。已经研发了不同的分析校正来校正受此表面桥接现象影响的测量。这些校正方法都具有严重的缺点：它们都是从预期结果开始创建(无例外地)。因此，这些方法无法用于未处于稳态中的流动情况。

示意性地，在Ligrani和Bradshaw 1987年的文献中描述并在图1中示出了一种已知的探针，包括由铂和10％的铑组成的合金制成的金属引线201(直径0.625μm的热线)。此金属引线在其有源部分600(加热长度)中携带电流并且是“U”形的。

将此引线固定至通过Araldite粘合剂450保持彼此接触的两个末梢(tip)400、600的端部。通过将引线固定至末梢上的(锡)焊点221而将其固定。

两个引脚的末梢之间的间隔e为0.5mm的等级。

如在图1中看到的，引线限定一平面，该平面以与由末梢400、600限定的平面成大约15°的角度α倾斜，以便中和由于使引脚靠近在一起而产生的阻挡效应。由于引脚的端部过于靠近的原因，所以，阻挡效应仍干扰流动。此干扰影响在有源部分600处进行的所有测量。

因此，一个问题是制造具有比这种探针更好的性能的探针。特别地，图1所示的类型的探针对于抗振性和灵敏度存在问题。

所考虑的测量类型的另一方面是过滤效应。当有源区过大时，此效应出现，提供平均的或综合的测量，而不是点测量。

限制此过滤现象的一个解决方案包括：减小引脚之间的间距，以减小引线长度。然而，如上所述，使引脚过于靠近一起会引起对于流动的阻挡效应，如Comte-Bellot等人在名为“On aerodynamic disturbances caused bysingle hot-wire probes”(ASME，J，Applied Mechanics，vol.38，767-774，1971)的文章中说明的。包括基于“Ligrani”探针概念减小引线的有源长度的此解决方案，有效地增加了由于引脚过于靠近在一起而导致的阻挡效应。

没有能够解决上述问题的现成的探针，例如，Dantec和TSI公司出售的那些探针。

因此，已知的探针(包括现成的测定风力组件(典型地，与恒温风力计相关的2.5μm直径的探针))不适于测量小规模的湍流，并且，完全不适于我们希望靠近表面进行的测量。

此外，如果我们打算进行越来越精确的速度测量和物理表达，那么，我们需要多引线探针，其中，由所有引线界定的体积非常小，使得可假设所有引线都在最小的可能体积内，并由此使得，对于所有引线来说速度是相同的。

最后，在制造此类型的探针上存在许多技术问题，其中大部分尚未解决。

目前，不可能制造由间隔非常小的距离(其小于几分之一毫米)的若干条引线组成的探针。

随本发明一起出现的一个具体问题是，寻找一种可重复生产具有非常好的性能的探针的制造方法。特别地，这种方法应使得，可能将单引线探针或多引线探针制造成“X”形或用平行引线制造。

发明内容

本发明对于制造这样的探针非常有用，所述探针包括直径非常小的引线(wire，金属丝)，并且与此相关的在引脚之间具有大间距，本发明特别是用来限制阻挡效应。

特别地，本发明可用来，用0.35至0.625μm直径的引线重复制造探针，例如，用0.5μm直径的引线。

首先，本发明涉及一种具有n条引线(n≥1)的风力探针，所述引线布置成平行地或成X形，以靠近表面进行测量，对于每条引线，包括以下内容：

a)两个引线保持引脚，每个引脚的端部包括引线定位和固定区，

b)笔直引线部分，焊接至所述引线定位和固定区上。

引脚的端部可以通过等于至少4mm的距离隔开。

优选地，引线包括直径d在0.35与0.6μm之间的由铂和铑合金制成的中央芯线(central core)，以及长度在0.4mm至0.5mm之间的在引线的一部分上消除的银护套，引线的该部分叫做敏感或有源区。

可以用锡-铅类型的焊料将引线焊接在引脚上。

弯曲引线，以解决引线的有源部分的破裂的问题。

根据上述类型的本发明的探针可以包括n条(n≥2)平行的或成“X”形的引线。例如，其包括可以平行或布置成“X”形的2条或3条或4条引线。

本发明还涉及一种用于制造具有n条引线(n≥1或2)的风力探针的方法，特别是类似以上限定的探针，以在表面附近进行测量，对于引线的至少一条，包括以下内容：

a)定位并保持引线的笔直部分，引线包括由保护套包围的金属芯线，并位于两个表面上，所述表面例如为通过抛光机加工的表面，

b)然后，消除护套的一部分，以暴露有源引线测量区，

c)然后，将引线焊接至探针的两个引脚上。

根据本发明，将之前暴露的或剥出的引线(步骤b)安装在引脚上(步骤c)。

将引线定位在一结构或表面上(步骤a)，使得，在将引线的有源部分焊接至探针的引脚上之前，可局部地暴露或剥出引线的有源部分(步骤b)。通过此技术，然后，变得有可能制造具有n条平行布置或布置成“X”形的引线的结构非常复杂的探针。

已经提前对准引线支撑于其上的表面，以对引线提供水平支撑，并提供引线的最精确的可能对准。

对多引线探针中的每条引线，可以重复以上步骤。

因此，本发明还涉及一种与上述方法类似的制造具有至少两条引线的风力探针的方法，包括：对所述引线的第一至少一条引线使用步骤a)至c)，然后，对所述引线的第二条引线使用步骤a)至c)。

对于引线中的至少一条，步骤b)可以包括以下内容：

-将引线的第一部分定位在两个表面中的第一个上，并用第一滴附接材料将引线的此第一部分固定至此第一表面上，

-将引线的第二部分定位在两个表面中的第二个上，并用第二滴附接材料将引线的此第二部分固定在此第二表面上。

可以通过防止引线相对于第一附接点弯曲，来在这两个定位和附接步骤之间，将引线保持在适当的位置中；这种弯曲可在第二定位和附接步骤的过程中发生。

例如，一种根据本发明的方法可以包括，在步骤a)或b)之后形成引线弯曲，例如，通过将两个表面带向彼此。

根据一个实施方式，步骤b)包括剥离引线护套，以形成有源测量区，例如：

-第一酸洗步骤，

-然后，第二电化学剥离步骤。

可测量引线的电阻，以确定所剥离的长度。还可以用由引线形成的可在其上保持解吸液(stripping liquid，剥离液)滴的环来进行剥离。

一种根据本发明的引线制备方法包括，在明显高于将使用引线的温度的温度下的退火步骤。

可以通过热空气枪或通过激光冲击来进行焊接。

在步骤a)之前，可采用初步引线拉直步骤来制造引线的笔直部分，例如，通过伸长，其由引线的轴向机械拉紧产生。例如，引线保持固定在两个衬垫的端部，其中一个衬垫可自由移动。此可移动衬垫可以连接至沿着至少一个方向、且优选地沿着2个或3个方向位移的测微位移台(micrometirc displacement table)。

本发明还涉及一种测量风力大小的方法，特别是在表面附近测量风力大小，包括使用根据本发明的探针。

根据另一方面，本发明还涉及一种用恒电流调节金属线风力计的装置，包括：

-电源装置和调节参考电阻以及对引线的电源电流的装置，

-确定探针引线的端子处的信号与参考电阻的端子处的信号之间的差异的装置，

-保持装置的恒温的装置。

可以将此调节装置应用于上述根据发明的探针，或应用于另一类型的风力探针。但是，用根据本发明的探针可获得特别有用的结果。

例如，可以将引线和参考电阻安装在电流反射镜中。

调节电源电流的装置优选地包括安装成二极管的调节晶体管和一电位计。

本发明还涉及一种冷线温差式风力计(thermo-anemometer)，其包括：

-风力计，例如，具有在本发明的范围内的上述结构，

-以及与上述相似的调节装置。

本发明还涉及一种测量流动流体中的温度的方法，包括使用与上述相似的温差式风力计，没有附加热电偶。

附图说明

图1示出了已知类型的热线探针，

图2A至图2E以及图14示出了根据本发明的具有成“X”形的引线的探针的方面，

图3A至图3B示出了根据本发明的其他类型的探针，具有两条或多于两条引线，

图4至图10示出了制造根据本发明的探针的步骤，

图11示出了可在本发明的范围内使用的电源和测量电路，

图12和图13示出了用于根据本发明的温差式风力计的根据本发明的测量曲线，

图15A和图15B示出了根据本发明的具有成“X”形的引线的探针的另一结构。

具体实施方式

图2A至图2E以及图14示出了根据本发明的探针的一个实例。

这是一个具体的结构，许多其它结构也是可能的。

根据此实例，探针包括在两个金属引脚4、6的尖端之间张紧的引线2，金属引脚4、6延伸入圆梁形形状的绝缘本体10中，绝缘本体10优选地由陶瓷制成。

所述探针还包括在两个金属引脚40、60的尖端之间的张紧引线20，金属引脚40、60也延伸入绝缘本体10中。

将两条引线2、20布置为在其之间具有角度α(参见示出了装置的前视图的图14)，即使它们位于彼此平行且垂直于装置的轴线的两个不同平面中，所述轴线与绝缘本体10的轴线一致。这些包含引线的平行平面间隔一距离，该距离小于或等于0.8mm，或在0.2与1mm之间，或在0.3与0.8mm之间。角度α可以是90°，因此，两条引线可以彼此垂直，如在图14所示的前视图中看到的。由于如图14所示的引线的相对位置的原因，这些结构称为“X”形结构。

但是，本发明还涉及并使得能制造具有如图3A和图3B所示的那样的平行引线的装置。同样，引线间隔一距离δ，该距离小于或等于0.8mm，或在0.2与1mm之间，或在0.3与0.8mm之间。

更一般地，引线位于其中的平面之间的最大差异，或引线之间的最大差异，有助于可能进行点测量，以获得所观察的现象的非常精细的表达。

图15A和图15B示出了另一X形结构。此结构也包括两条引线2、20，每条引线具有如下述图2E中所示的那样的中央检测区。通过如上所述地布置于探针本体中的两个引脚4、6、40、60将每条引线保持在适当的位置中。此图示出，在此情况中，当从侧面观察探针时，可看到“X”形状。许多其他“X”结构是可能的。实际结构取决于进行测量的环境和条件。

不管是哪个实施方式，例如，探针本体10都可以由陶瓷圆梁体组成，其直径可以在2与4mm之间，在探针本体中安装直径例如在0.2mm与0.4mm之间的不锈钢针，以用作引脚4、6、40、60(图2A和图2B中的情况，但是，这也可应用于其他情况，例如图3A、图3B所示的那些情况)。

将引线2(以及可能的其他的引线或在根据本发明制备的探针中使用的任何其他的引线)放置在引脚4、6上。图2C示出了这些引脚的形状的一个实例的侧视图，引脚4。参考标号43表示引脚4的一部分，引线2的端部将焊接于该部分上。另一引脚6具有相同的结构。因此，每个引脚沿着AA’方向具有大致圆梁形的截面，例如，如果引脚具有圆梁形形状(图2C)，那么，AA’轴线是引脚的旋转对称轴线。

引线2还具有1/100mm等级的非常精确的对准。与已知的探针结构(如以上参考图1说明的)不同，将引线2的笔直部分放置在引脚4、6上。不需要将引线弯成如图1中所示那样的“U”形形状，因为这种弯曲会降低装置的精度和再现性。

可以用锡-铅合金类型的焊料将引线2焊到引脚4、6上。

引脚的伸出长度L将取决于结构，但是，其可以是大约15mm的等级。对于图2A和图2B中的“X”形结构，对于在最接近探针前部的引线后面的引线，换句话说，对于图2B中的引线20，此长度比对于引线2的小。

对于小于或稍微大于12m/s的边界层流速来说，将旨在承载单根引线的两个引脚的端部分隔开的距离D，可以等于或大于大约5mm，优选地，在5与8mm之间。另一方面，对于高剪切情况，例如，在射流边界，仅当引脚之间的间距不超过4mm时，才获得良好的表现。如果间距大于4mm，那么，剪切激励会由于引线2(在下面描述其结构)的银护套的刚度不足的原因导致引线尺度的较大的振幅振荡，并会破坏引线。为了减小在操作过程中引线的有源部分破坏的危险，用弹性体管12包覆探针本体，弹性体管12将吸收可传播至引线2的波或振动，引线2的有源部分非常脆。

引线2(或20；或在根据本发明制造的探针中使用的另一引线或任何其他引线)优选地是这样的引线，其具有由铂或铂-铑合金制成的中央部分21，该中心部分21由直径可以在50与80μm之间的银护套22包围，如图2D所示。

中央部分21的直径非常小，小于0.635μm或0.6μm，例如，0.35μm或0.5μm。所使用的引线优选地是由铂-铑(Pt-10％Rh)合金组成的“沃拉斯顿(Wollaston)类型的引线”。不可能没危险地直接操作此直径的引线。此操作可能是由于包围引线的30至50μm直径的银护套的原因(图2D)。

这种引线可进行比已知装置可能进行的更好的点测量，因为，如图2E所示，可通过局部地剥离引线护套来界定测量区14。结果是0.4与0.5mm之间的有源长度l。较短的有源长度将使测量较不精确，因为，由于在测量区14的边界处的护套端部22′、22″而引起的边缘效应将随之过高。在图2E中示出了此方面，其中，可清楚地看到有源部分14和银护套22。

在图2A中看不到有源部分14，因为，与引脚4、6的端部之间的间距E(至少5mm)相比，此有源部分的宽度(在0.4mm与0.5mm之间)较小。

引线的有源长度与其直径的比值l/d在大约600与1500之间。测量的集中性质随着更高的值而消失：已经提到的过滤的或平均的测量效应随之出现。如果比值在600与1500之间(600≤l/d≤1500)，那么满足二维假设，由此满足有源区域中的非常平的温度轮廓图。如果比值小于600，那么出现端部效应，使得不再将沿着引线的温度轮廓图当做是“门”轮廓(换句话说，沿着引线恒温)，然后，此轮廓更像是抛物线型的轮廓。特别地，此情况导致引线的灵敏度损失和信噪比的恶化。物理地，这意味着，不可能捕获小振幅现象。

通过将银护套22焊接在这些引脚上，来将引线2与引脚4、6连接。

根据本发明的探针具有测量定位特性，没有任何过滤效应(由于测量区14的非常小的宽度实现的点测量效应的原因)，没有任何阻挡效应(由于引脚的端部之间的距离的原因)。此探针也抵抗振动。因此，根据本发明的探针能尽可能地靠近表面来测量物理振幅，而没有偏差并由此不必进行校正。对于单引线探针和小于10m/s的速度范围，可能接近y⁺≈2，而不用对表面进行任何校正。将y⁺定义为是到表面的距离除以运动粘度后乘以摩擦速度的乘积。

本发明同样地涉及单引线探针，并涉及如图3A和图3B所示的平行多引线探针。

本发明的另一目的是一种双元探针(double probe)，例如，结合平行的热引线2和冷引线2’的探针，在两条引线之间具有0.3mm等级的间距(或者，更一般地，在0.2与1mm之间)，如图3A中的侧视图所示(引线仅能从侧面看到，因此，在此图和图3B中，每条引线2、2’表现为一个点)。其他参考标号与图2A至图2E中的相同，并表示相同的元件。在此实施方式中，有两对引脚，引线2焊接于其上的一对引脚4、6上面已经描述了，以及引线2’焊接于其上的另一对引脚4’、6’(在图3A中，仅可看到其中的引脚4’)。

图3B示出了使用三条平行的引线2、2’、2”的三元探针(triple probe)的侧视图。同样，参考标号与图2A至图2E中所示的那些相同，并表示相同的元件，引线之间的最大距离在0.2与1mm之间，优选地，在0.3与0.8mm之间。在此实施方式中，有三对引脚，引线2焊接于其上的一对引脚4、6上面已经描述了，以及引线2’焊接于其上的另一对引脚4’、6’(在图3B中，仅可看到其中的引脚4’)，和引线2”焊接于其上的第三对引脚4”、6”(在图3B中，仅可看到其中的引脚4”)。这种三元探针优选地用中心处的热引线(引线2’)和每侧上的两根冷引线(引线2和2”)操作，其提供与流动方向相关的信息。

在双元探针中，或者，更一般地，具有n条引线的探针，引线中的至少一条或引线的每一条具有上述特性，并固定至如上所述的一对引脚。

已经用根据本发明制造的5引线探针进行速度和温度测量，其中，每条引线具有使得l/d比值在600与1500之间的剥离区域。此探针由两对引线和用于温度测量的附加引线(冷的)组成，两队引线的每对布置成“X”形，并包含在垂直于另一对引线的平面的平面中。此结构使得能够同时测量非等温流动中的速度的三个分量。由两对引线界定的体积是大约0.4³mm³，同时，每条引线的l/d比值是大约1000。

现在，我们将描述一种制造根据本发明的探针的方法。其涉及单引线探针的制造，并可应用于具有任意数量的引线的探针，除非另外特别说明。

优选地，在双目放大镜下进行所有操作，考虑元件的尺寸和所需精度。此放大镜或任何其他选择的或等同的显示形式，可以1/100mm的精度显示。

首先，将引脚4、6、40、60固定至探针本体10、12。已经在探针本体中加工出钻孔或形成凹槽，使得可将这些引脚放入适当的位置中。可以用样板将引脚插入探针本体中，使得其从探针本体伸出相等的长度。

电源电缆19、19’(图2A)之间的焊接连接(用这些连接装置来输入将由引线2承载的电流)与引脚4、6可以位于凹槽中，或位于本体10的钻孔中，或位于外部。在此制备步骤的过程中，焊接此连接。可将这些连接和电缆，或其他连接和电缆，用于其他引脚。

通过用在固着之后与陶瓷兼容的凝结物涂覆引脚，可将引脚密封在支撑部中。试验表明，胶水(例如Araldite胶水)可在保持一些弹性的同时非常好地执行此密封功能，该弹性在吸收振动和保护探针时非常有用。

一旦装配有其引脚4、6、40、60，就将探针本体10插入弹性体冲击吸收护套12中，以消除会破坏引线20的非常薄的有源部分的振动。

清洁引脚4、6，以实现最佳的润湿性，使得可稍后焊接引线。用焊铁将焊膏存放在不锈钢板上，用存放的焊膏(参考铸铁焊料合金157A)对引脚的端部镀锡，以去除不同的氧化物并产生支撑部，焊料可结合在该支撑部上。然后，用丙酮清洁引脚。

图4示出了具有易于收容探针引线2的引脚4、6的探针本体10、12。将探针本体安装在一组图中未示出的测微台上，使得可使沿着二个维度或三个维度的非常精确的位移达到最接近1/100mm。

通常，使引线2本身从缠绕成线圈形式的引线开始。

因此，第一操作是引线校直操作，以消除引线缠绕在线圈上的记忆。对于具有直径小于0.5μm(例如，0.35μm)的中央芯线的引线，存在这样的危险：在引线的校直阶段过程中由于在工作表面上滚动，引线的中央芯线可能破裂。

一个适当的校直步骤使用由引线上的机械轴向张力而导致的伸长。在实践中，将引线的两端焊接在装配有两个衬垫49、51的系统上，其中一个衬垫(衬垫49)可自由移动，因为其安装在具有二维X、Y位移的测微台69的板上，如图5所示。此测微台能够沿着二个维度的每一个进行非常精确的位移，精确到最接近1/100mm。

优选地，如果衬垫49、50的两个末端初始在相同的水平面中，那么，可使校直操作最优化。

尚未精确地量化用来校直引线的机械张力。然而，可使用以下方法。

用测微台测量移动衬垫49的位移。当引线张力开始弯曲针(例如，50mm长，0.2mm直径)时，开始出现位移，所述针支承在引线上并由操作员保持(记住，在高放大倍数的观察下执行操作，例如，使用双目放大镜)。经验表明，移动衬垫49的0.4mm的位移足以获得引线的良好的平直度和增加的硬度。

在引线已从衬垫49、51拆焊之后，切割引线2的两端以用于余下的操作，以便仅保持引线的校直部分。用剃刀刀片进行此操作。

现在将参考图6至图8描述引线的设置。

图7总体上示出了具有两个组件81、83的整个系统，每个组件包括三个测微台81’(用于沿着X的位移)、81”(用于沿着Y的位移)、81”’(用于沿着Z的位移)以及83’(用于沿着X的位移)、83”(用于沿着Y的位移)、83”’(用于沿着Z的位移)。每个测微台将能够进行非常精确的位移，达到最接近1/100mm。

将把L形梁61、63固定至这两个组件81、83中的每个组件(也参见图6和图7)。将梁61的“L”形的最大部分布置为大致沿着和梁63的“L”形的最大部分相同的方向(见图9，其示出了两个梁的顶视图)，事实上，沿着与图8中的轴线X和Z的每一个成大致45°的方向。图9在顶视图中示出了两个梁61、63的位置。

将把引线2的端部的每一个设置在包括这两个梁61、63的此系统上。更具体地，将把引线2的每个端部设置成与相应梁的表面相接触，通过抛光来加工所述表面。

垂直轴线X与Z之间的、两个梁(用于“X”形的探针)的端部之间的偏移距离d、d’(图9)，特别取决于引线固定于其上的探针的引脚4、6之间的间距。

这两个梁61、63初始设置在相同的水平面中。

可用以下过程来检查两个梁是否在相同的水平面中。

之前校直的引线横跨在两个梁上。当引线在每个梁的面61’、63’上一致地接触时，将两个梁认为是在相同的高度。改变测微台的“Y”位移(竖直轴线)，以获得此状态。

然后，用胶水或接合剂类型材料的液滴71、73将探针引线固定在每个梁上，例如，所述胶水或接合剂类型材料为如图7所示的耐火接合剂(由Degussa制造)。

该操作相当精细：因为在引线与每个液滴之间产生接触，会由于表面张力现象而导致引线的小位移。当沉积第二水泥液滴时，此位移现象是一个问题，因为其导致引线相对于由已经存放的第一液滴保持的第一固定点的弯曲。此弯曲足以导致引线的中央芯线在最终的引线剥离阶段的过程中破裂。因此，通过用位于梁61(第一液滴71存放于其上)的端部的末端67阻挡引线2，来中和此位移现象。

然后，可用针的端部，将少量焊料存放在引线2与每个保持引脚之间的每个未来接头的位置处。此焊料优选地由15μm直径的、由结合在一起的不同元素(Sn 62％；Pb 36％；Ag 2％)构成微球组成，以获得低熔点。

当已经结束引线放置操作时，可剥出将用于测量的引线的中央部分14(有源部分14，图2E)。

通过化学或电化学蚀刻局部溶解银护套22来实现剥离。

用硝酸蚀刻此护套。这可用两种技术来实现，即喷射和滴剂技术。通过喷射技术，将毫米级的酸射流喷射到引线上，而通过滴剂技术，形成酸液滴并使其缓慢地与引线接触。已经放弃喷射技术，因为其对引线施加应力，并且，与静态液滴接触更适于小直径引线的低机械强度。

根据引线直径d来确定待剥离的长度l，已知当引线用作热引线时，如果需要在引线上得到最均匀的可能温度轮廓，那么，大于250的l/d比值会限制在测量时有源部分的端部的传导的影响(对于给定材料，以及由此给定的冷长度)。可测量引线电阻，以用以下关系获得所剥离的长度的指示：

$R=\frac{\mathrm{\ρl}}{S}$

其中，ρ是材料的电阻率，在此情况中，材料是铂-铑(ρ＝1.9×10^-7Ω.m)。因此，在剥离过程中测量此电阻。

对0.35与0.5μm的引线以及0.4与0.5mm之间的剥离长度l所获得的结果，大致是：

-对于0.35μm的直径：1150＜l/d＜1400

-对于0.5μm的直径：800＜l/d＜1000

这里描述的用于剥离的系统可以由百分之几毫米的不锈钢引线101组成。在图10中示出了此引线101，接近待剥离的引线2，其本身位于两个梁61、63之间。

此引线101的端部形成将液滴102保持在适当的位置中的环。用注射器将由纯硝酸组成的此液滴存放在环上。然后，用显微操纵器移动环和液滴，以使液滴与待剥离的引线2接触。

用微位移台进行前后运动，以溶解护套22的银。一旦液滴浸透在银中，该液滴就从引线移除并用另一滴硝酸来代替该液滴。继续该过程，直到铂-铑引线21暴露并且此引线的电阻开始变化为止。根据探针电阻来调节剥离长度。典型地，对于0.5μm直径的引线来说，引线电阻是500Ω，对于0.35μm的引线来说，引线电阻是1kΩ，其与5/10至6/10mm的剥离长度(其分别与1100和1600等级的l/d比值相对应)相对应。根据本发明，用0.5μm的引线给出1100的l/d比值。如以上说明的，具有大于1500的l/d比值的探针无法进行充分地局部测量；然后，结果是如上所述的过滤或测量平均效果。

一旦已经用纯酸剥离，便进行第二电化学剥离，以便从所暴露的引线去除所有微量的残余银。如果在引线上留有任何银，那么，其将移动至铂-铑晶界，并改变其电阻值。然后，将不可能重新调节至原始标度并进行正确的测量。

因此，将由电池、电位计和开关组成的简单电路与承载液滴的金属线圈连接，并与引线2连接(如图10所示)。下一个步骤是形成和以前一样的用于剥离的液滴102，但是，这次由5％稀释的硝酸组成。以和之前的液滴相同的方式使液滴更靠近，以使液滴内部的引线润湿。然后，开关短时间启动，因为在引线的尺度上非常快速且激烈地发生除气。在此操作之后，用一滴软化水冲洗引线，以消除引线上的所有残留量的酸。

通过形成尺寸受环的尺寸和表面张力限制的液滴来使用之前的方法。

在剥出引线之后，为了防止引线在剥离的部分处破坏，通过将两个梁61、63中的一个沿着“X”移动地更靠近了1/100至2/100mm，来形成微小的弯曲。

在2个点之间张紧的引线(特别是当将引线固定在两个引脚4、6上时，在这两个引脚之间张紧)对最小的振动都非常敏感，并会非常容易破坏，并且，当所使用的引线2的直径较小时，这特别正确。许多尝试已经表明，即使当采用严格的装配预防措施时，也会损坏拉紧的引线探针。

因此，在制造时，将如上所述的微小弯曲应用于引线2，以增加探针的机械强度。

然后，引线2具有百分之几毫米等级的微小弯曲或偏转，例如，小于2/100或4/100mm，例如，在大致垂直于探针的本体10的轴线的平面中。此弯曲将不会影响随后进行的风力测量，并使引线更灵活，使得其可吸收机械应力或振动。

当已经进行所有这些操作时，可将引线焊接至探针的引脚4、6、40、60上。然后，使这些引脚靠近引线(见图6和图7中的探针的本体10、12的位置；未示出探针安装于其上的测微台)。用多组台81、83进行精细的定位。探针的本体自身也固定至与组件81、83中的一个相似的一组台。使探针本体更靠近，使得其轴线大致通过引线位于其中的水平面。

一旦已经进行此操作，便用丙酮去除引线2和第一引脚(例如，引脚40)的油污。

下一个步骤是熔化焊料，例如，用热空气烙铁。在此阶段，将引线2固定至引脚4，并且，下一个步骤将是将引线焊接至其第二引脚6上。如上所述，施加至引线的弯曲使得能没有破坏危险地进行此操作。

当已经进行焊接时，引线2采用并保持百分之几毫米等级的微小弯曲或偏转，例如，小于2/100或4/100mm。

然后，用剃刀刀片切割引线2，使其与引脚平齐，使得可去除引线支撑组件，并且使引线支撑组件上的剩余引线端部可脱焊。

可能难以用此焊接技术制造具有几条引线的探针。当焊接第二引线时，两条引线之间的距离决不足以防止来自热空气烙铁的射流与第一焊接引线的任何相互作用。对此问题的一个解决方案是，在两对引脚之间的空间中安装隔热屏，以保护第一引线。

另一种技术使用由激光束施加的非常局部的功率，其集中性具有这样的优点：其不会对环境造成热污染。所使用的激光是具有30W的最大功率的脉冲模式Yag类型。脉冲频率和持续时间是可调节的。用与激光耦接的照相机将激光束聚焦在引脚端部处的焊点上，并且，激发激光以熔化焊料并将引线固定至引脚。通过此技术，不管探针的小型化程度和包含于其中的引线的数量如何，都可进行焊接操作。

然后，可进行探针的最终退火；根据探针电阻来计算的电流通过引线2。因此，将引线加热至明显高于其将操作时的温度的温度。用以下关系来给出引线与周围空气之间的温差：

其中，R₀是探针在环境温度下的电阻，α是电阻随温度变化的系数(对于Pt-10％Rh，是1.6×10^-3K^-1)，并且其中，R_引线是根据欧姆定律给出的加热至温度T+ΔT时的引线的电阻。

此操作将任何最终的微量银扩散至铂-铑引线的晶体状结构中。如果已经正确地执行了剥离，那么残余银的量将非常小，引线在一天之后稳定，并且其电阻将不再变化。

取决于探针结构，当有几条引线时，在安装下一条引线之前安装一条引线可以是有利的。

实验表明，引线直径一旦降至0.625μm以下，探针的操作就变得非常困难。特别地，当将根据本发明的探针安装在风洞中时，产生振动，该振动对传感器的电阻很关键，因为其强到足以产生在引脚中在引线的尺度内传播的波。由于引线较小的机械强度的原因，有源部分中存在的弯曲并不总是足以减弱这些会导致引线破裂的振动。已经观察到，大多数振动通过探针本体传递至引脚端部，例如，当用螺钉将所述端部固定在其支撑部上时。

保护引线的最佳解决方案这样组成：一旦已将陶瓷探针本体的引脚装配在其上时，就将陶瓷探针本体插入非常柔软的冲击吸收护套12(25肖氏硬度A的等级)中。

根据本发明的探针与电源装置、以及测量引线的电阻变化的装置一起使用。这些变化代表了在探针浸于其中的流动中传输的流体的速度和/或温度变化。

通常，优选地使用电池电源，以进行精确且可再现的测量。因此，将系统与电网分离，电势可在电网上波动(例如，由于邻近设备的启动或停止的原因)。此外，传感器处的电流和/或电压非常低，并容易被这些网络波动所干扰，不管这些波动有多小。

此外，在，难以正确地使所有不同的接地点处于设备(比如风洞)中的相同电势。结果是由网络电压中的波动所产生的、这些不同接地点之间的回路电流，并且这些电流也会明显干扰测量。

通过此解决方案，可将电力施加至所用电路，由此所有电路具有固定的不再波动的接地电势，如可以是当将其与电压调节器连接时的情况。

优选地，将电路放置在壳体中，例如，铜壳体，其形成与电池接地连接的接地平面，以实现电磁兼容性(EMC)。还将包围探针连接引线的编织物与此接地平面连接。因此，将对电磁场的所有这种保护都与固定电势连接。

上述解决方案首先获得了不受干扰的电源，其次，电磁兼容性可应用于风力计的所有类型的操作。

一个特定操作叫做“冷线”操作。这是一种恒电流操作模式，在该模式中，输入引线的电流非常小。

冷线风力计是已知的。

在这些已知装置中，电源包括与引线串联布置的大电阻R，以便当流速变化时，保持此引线中的恒定电流强度Iw。将引线构建在惠斯通电桥中，以精确地测量其电阻Rw；在电桥的顶点收集输出信号。

恒电流风力计具有优点。任何方法可用来增加其温度(使过热)，当研究温度变化时，这非常有用。还可通过以下方式来测量背景噪声：用固定电阻代替引线，然后对测量进行必要的校正。另一方面，大幅度地放大了输出信号。此测量原理的通带受到引线的热惯性影响。

通过此类型的操作，向引线供应电力的电流减小至几乎为零，以将引线温度上升减到最小。然后，引线不再被对流冷却(在不加热引线的情况下)，并且引线变得，根据以下关系通过其电阻R_引线的值，仅对周围介质的温度T敏感：

R_引线＝R₀[1+a(T-T₀)]

其中，R₀是探针在参考温度下的电阻，α是电阻随着温度变化的系数。

关于此类型的操作的温差较小，并且，输入引线中的电流非常低。所述电流简单地用来测量引线的端子处的电压，以确定其电阻值。电流通常是50至200μA的等级。因此，由焦耳效应对引线的加热可以忽略，这是为什么将此风力计叫做冷线风力计的原因。

此类型的操作存在一个问题：所测量的温度漂移，因此，该探针必须与热电偶一起使用，以获得平均的温度测量。

本发明提出了一种对此问题的解决方案。

图11示出了与恒电流风力计相关联的电子装置，其中，仍将引线表示为参考标号2。所示电路还包括：

-电源装置110，优选地为如上所述的电池，

-参考电阻112，

-用于调节电流的电位计114。

更精确地，通过电压调节器(MAX 6325)为由电池110代表的电路电源Ve供电。将两个电阻2、112安装在电流反射镜中。通过电位计114、并通过被安装为二极管的调节晶体管116的电压Vbe，来调节经过反射镜的两个分支的电流，每个分支包含这两个电阻中的一个。将探针2与参考电阻112之间的电位差施加至设备操作放大器120。放大的输出提供所测量的信号，其反映引线2的电阻的变化。

在探针2的端子处放大信号，使得可说明小振幅信息。优选地，此放大不是非常高，以考虑采集卡(acquisition card)的电压限制(尝试考虑采集卡的电压分辨率)。风力探针2具有高电阻，并且，在放大之后，风力计输出变化会超过卡的使用范围。这是为什么决定将温度计输出信号集中在零左右的原因；这还使得能够实现测量范围的最大益处，并由此可相应地调节增益。这通过从参考电阻112的端子处的信号减去探针2的端子处的信号的值来实现。

电流反射镜电路提供通过参考电阻的稳定信号，和通过探针2的稳定电流。

这种装置用于风洞中的试验活动，探针是以冷线操作的单引线探针。

然后，观察到平均温度测量中的异常漂移，其与测量条件和在设备中使用的铂参考探针112不一致。已经发现，此漂移的唯一可能的来源是电路。部件对周围环境的温度敏感，并且，校准室中的周围温度与风洞中的周围温度的差异可容易地解释所观察到的差异。

首先，用金属电阻代替参考电阻112，金属电阻随着温度的变化系数低得多(0.6ppm/℃)，并且是可忽略的。

通过将电路放在具有受监控的温度的干燥箱中，实现所涉及的不同电压的记录。因此，可验证：来自电压调节器的输出电压不会随着温度而变化(漂移5μV℃^-1)。在参考电阻的端子处以及在被设置以模拟探针的第二电阻(670Ω的电阻)的端子处的两个电压中，具有250μV℃^-1等级的非常协调的漂移。因此，这表示，电流在电流反射镜的两个分支中同时且相同地变化。

下一个步骤是，考虑固定此电流的电压的值Vbe。在相同条件下进行的记录表明此电压的等于2.4mV℃^-1的漂移。此漂移是由于这样的事实：此电压所涉及的晶体管116安装成二极管；通常在二极管的端子处观察到的电压漂移为大致2.5mV℃^-1，其与我们的记录非常一致。

将温度计部件(探针及其电源和测量装置)保持在恒温，以防止此漂移。例如，电性地调节放置在风力计壳体中的加热垫的功率。

因此，将温度计的电路保持在高于其位于其中的房间的温度的温度处。将电路保持处于的此温度调节为加上或减去1/10度。因此，形成风力计的部件不仅保持稳定，而且其还在可再现的条件中操作。

一旦已经进行风力系统的单次校准，此装置便可用来测量流动中的温度波动，以及还可测量其平均温度，这在过去是不可能的。即使是在特别关注计量和测量的已知装置的情况中(特别是对于在射流的输出处的温度测量的情况，这由Andreopoulos在“experimental investigation of jets in across flow”(Journal of Fluid Mechanics，1983)中报告过)，通过冷线测量温度波动，而用例如热敏电阻或热电偶的另一装置给出平均值。

在此部分中描述的电路可应用于具有几条引线的探针。可以形成所需的尽可能多的电路。

现在将描述校准和使用的一个实例。

在风洞中进行校准。空气首先进入加热箱，然后进入水交换器，其功率和流动可独立地控制，以获得在环境温度与大约150℃之间的所需温度。

将冷线探针2放在喷气喷嘴的输出的中心处的校准流(被热防护环包围)中。通过与电子测量箱(参考Sfere DGN75T)相关联的Pt100参考探针，提供具有1/10度的精度的包容温度(containment temperature)。

针对每个校准点选择加热箱和交换器的操作点。下一个步骤是，允许在空气与风洞的壁之间建立热平衡，这会花费几个小时(典型地，4个小时)。下一个步骤是，读取由温度计输出的电压大约30秒，这足以获得测量结果的收敛。

重复此操作五次，以获得作为流体温度的函数的、与温度计输出电压线性相关的校准系数：

E＝A+B·T

图12示出了一个典型的校准实例。此图表明，线性回归给出非常好的结果。

图13包含了曲线图(曲线I)，其示出了从风洞中的温度波动的测量推导出的能谱密度。用探针2(其中的引线20的直径是0.5μm)，在其外包层(混合层)上在射流下游的3个水力直径处，以50kHz执行此测量10秒。流动条件等于：Re＝55000且Reject＝60000(基于管道的水力直径)。流动之间的温差是13℃。

曲线II代表链接有电阻而不是引线探针的温度计输出处的电压信号的能谱密度。因此，此密度代表温度计噪声。

在温度计所捕获的最大级别(scale)与温度计噪声之间，可观察到70的差异，即，在此情况中，最大与最小可检测级别之间的比值为3000的等级。换句话说，在此情况中，温度计分辨率是大约5×10^-3℃。

用此分辨率获得的性能和具有这种大级别与小级别之间的大振幅的能谱密度，迄今为止是未知的。

当需要在不稳定情况(热射流冲击在表面上)中测量时，根据本发明的探针可用来进行不需要校正的测量。

本发明还提供了对温度计的改进以保持其稳定，并明显改进其灵敏度。当与根据本发明的小直径引线探针一起使用时，这提供了具有等于几千的实际信噪比(对于温度计是3500，对于恒压风力计是10000)的温差式风力计。

通过本发明，可使用冷线风力计而不需用热电偶，来测量平均温度。所提出的调节电路可补偿漂移，并且不需要热电偶。

这里提出的调节电路可以应用于根据本发明的、以上结合图2A至图10和图14描述的探针，或应用于另一类型的风力探针。

Claims (17)

1.用于制造在表面附近进行测量的包括引线的n引线(n＞1)风力探针的方法，包括：

a)定位并保持引线(2)的笔直部分，所述引线位于两个表面(61’，63’)上，包括由保护护套(22)包围的直径d的金属芯线(20)，所述直径小于0.5μm，

b)消除所述护套(22)的一部分，以暴露具有长度l的有源引线测量区(14)，l/d比值在600与1500之间，

c)将所述引线焊接在所述探针的两个引脚(4、6、40、60)上；

其中，对(n-1)条引线使用步骤a)至c)，不同的引线位于彼此平行的平面中且所述引线平行或布置成“X”形。

2.根据权利要求1所述的方法，所述风力探针包括之间以角度α布置的两条引线(2、20)，所述两条引线(2、20)位于两个不同的平面内并且垂直于所述风力探针的绝缘本体(10)的轴线。

3.根据权利要求1所述的方法，所述风力探针包括三条平行的引线(2、2’、2”)。

4.根据权利要求2或3中的任一项所述的方法，将所述引线隔开一距离，该距离在0.2mm与1mm之间，或在0.3mm与0.8mm之间。

5.根据权利要求1所述的方法，对于所述引线中的至少一条或每条引线，步骤b)包括：

-将所述引线的第一部分定位在所述两个表面中的第一表面上，并用第一滴(71)附接材料将所述引线的该第一部分固定至该第一表面上；

-将所述引线的第二部分定位在所述两个表面中的第二表面上，并用第二滴(73)附接材料将所述引线的该第二部分固定至该第二表面上。

6.根据权利要求1所述的方法，对于所述引线中的至少一条或每条引线，包括在步骤a)之后形成引线弯曲。

7.根据权利要求6所述的方法，通过将其上布置有所述引线的所述两个表面(61’、63’)朝向彼此移动来形成所述弯曲。

8.根据权利要求1所述的方法，对于至少一条引线或对于每条引线，步骤b)包括剥离所述引线的护套(22)，以形成有源测量区(14)。

9.根据权利要求8所述的方法，对于所述引线中的至少一条或每条引线，步骤b)包括：

-第一酸洗步骤，

-第二电化学剥离步骤。

10.根据权利要求8或9所述的方法，对于至少一条引线或对于每条引线，包括测量所述引线的电阻，以确定所剥离的长度。

11.根据权利要求8所述的方法，用由引线(101)形成的、其上能保持一解吸液滴(102)的环进行剥离。

12.根据权利要求1所述的方法，对于所述引线的至少一条或对于每条引线，还包括在明显高于将使用所述引线的温度的温度下的退火步骤。

13.根据权利要求1所述的方法，通过热空气枪或通过激光冲击来进行焊接。

14.根据权利要求1所述的方法，包括在步骤a)之前的初步引线校直步骤。

15.根据权利要求1所述的方法，其中，用锡-铅类型的焊料来进行步骤c)。

16.用于在表面附近进行测量的n引线(n＞1)风力探针，包括：

a)保持引脚(4、6、40、60)，

b)所述引线焊接在所述引脚上，包括所述引线(2)的笔直部分，包括由保护护套(22)包围的具有直径d的金属芯线(20)，所述直径小于0.5μm，所述护套(22)的一部分被去除，以暴露具有长度l的有源引线测量区(14)，比值l/d在600与1500之间；

c)不同的引线位于彼此平行的平面中且所述引线平行或布置成“X”形。

17.根据权利要求16所述的探针，所述引线隔开一距离，该距离在0.2mm与1mm之间，或在0.3mm与0.8mm之间，或者，所述引线布置在彼此平行的平面中，所述平面隔开一距离，该距离在0.2mm与1mm之间，或在0.3mm与0.8mm之间。