CN103308223B - 基于柔性热敏传感器的壁面剪应力测试装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于柔性热敏传感器的壁面剪应力测量装置及测量方法。该装置包括柔性热敏传感器阵列、高精度恒流源、信号调理电路、数据采集模块、温度补偿模块、数据传输模块、数据处理存储模块。本发明有意效果：1）该测试装置采用柔性热敏传感器，厚度小，对被测流场几乎没有影响，提高了测试的精度和有效性；2）柔性热敏传感器是基于传热学原理的，采用贴附的方法固定于流场中，可对壁面剪应力进行非破坏性实时测量，可以有效感知水下壁面剪应力的变化，能够承较大范围内的水流冲击和水中杂质的冲击，能够实现水下壁面剪应力的测试。3）由于传感器采用的是柔性热敏传感器，可根据被测壁面形状紧密贴合，提升了测量装置对环境的适应性。

Description

基于柔性热敏传感器的壁面剪应力测试装置及其测量方法

技术领域：

本发明专利涉及一种基于柔性热敏传感器的壁面剪应力测量装置及测量方法，尤其是一种可对壁面剪应力进行非破坏性实时测量的测试仪器，并且能够实现水下壁面剪应力的测试。

背景技术：

气体、液体即各种流体流经任何固体壁面时都会表现出相对粘滞摩擦作用。摩擦阻力对应的摩擦应力也称为壁面剪应力，是表征流体壁面相互作用和近壁流动特性的一个基础并且非常重要的物理量。流体壁面剪应力可用于表征壁面粘性阻力、计算摩擦阻力、反映边界层流动状态、检测边界层分离和转捩等，这些对于流动外形设计、流体力学实验、研制新型飞行器和航行器、研发流体机械、流体分离等工程应用极为重要。传统流场分析有理论计算、软件仿真、模型模拟等理论方法，为了检验理论计算结果，实际流体环境中的壁面剪应力测量也必不可少。

目前，市场上尚未有水下壁面剪应力测试仪及类似产品。通过对专利库的搜索发现“一种微型压阻式壁面剪应力测量装置及其制作方法”（公开号CN102121859A）与本产品功能相近，但实现方法和原理不同。该专利利用压阻式传感器进行测量，其传感器由微型弹性元件和微型压敏电阻组成，当弹性元件收到被测量作用时，将产生位移、应力和应变，附着于弹性原件上的微型压敏电阻将应变转换成电阻值的变化。这样通过测量压敏电阻阻值的变化，可以确定被测剪应力的大小。这一专利可以实现壁面剪应力的测试，但由于弹性元件的强度问题，在流动冲击较大的水下环境容易造成器件损坏，也不适用有细小泥沙颗粒等杂质的水体环境使用，因此应用环境受到限制。

参阅图6，德国柏林工业大学研发了带衬底空腔的剪应力传感器器，适用于空气动力学测量领域。Ulrich Buder在“AeroMEMS polyimide based wall double hot-wiresensors for flow separation detection”提到该传感器选择较镍金属作为敏感探头材料，并通过刻蚀敏感元件背部的聚酰亚胺衬底提高了器件的动态响应性能。由于柔性热敏传感器501旋置于空腔结构503之上，当有较大的水流冲击时有较大可能会造成传感器敏感结构的断裂；在风洞中对壁面剪应力和传感器输出电压信号进行了恒温驱动模式下的测试，测试范围在0～0.8Pa之间，实验表明测量范围较小,无法满足实际工程应用中对于较大壁面剪应力值的测量。

发明内容：

为了克服现有技术无法对水下壁面剪应力测量的不足，本发明提供一种基于柔性热敏传感器壁面剪应力测试装置，该装置采用的柔性热敏传感器贴附于流体壁面，由于厚度小，减小了对表面流场的影响，同时能够承受流体较大的冲击。该测试装置不仅可在空气中进行较大量程的壁面剪应力测试，也可在水下进行壁面剪应力测量，并且不破坏流场环境。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括：

基于柔性热敏传感器的壁面剪应力测试装置，参阅图3，包括柔性热敏传感器阵列301、高精度恒流源302、信号调理电路303、数据采集模块304、温度补偿模块305、数据传输模块306、数据处理存储模块307；所述高精度恒流源302为柔性热敏传感器阵列301提供恒流激励；柔性热敏传感器阵列301感知流场壁面剪应力变化，将模拟电压信号u传递给信号调理电路303进行放大、滤波，得到调理后信号u'，数据采集模块304将调理后信号u'从模拟信号转换成数字信号U后输入数据传输模块306；温度补偿模块305将环境温度信号传输给数据传输模块306，数据传输模块306与数据处理存储模块307进行数据交互。

参阅图1、图2，所述柔性热敏传感器阵列301延流体壁面贴附；柔性热敏传感器阵列301包括N个柔性热敏传感器单元，柔性热敏传感器单元的长度方向与流场速度方向垂直；各柔性热敏传感器单元串联连接，采用四线制经铜导线102接入信号调理电路303；参阅图5，所述四线制为传感器单元与电路的连接方式，热敏传感器单元101通过铜导线1021与铜导线1024加载恒定激励电流，其两端电压信号通过铜导线1022与铜导线1023导出与后端信号调理电路303连接。

参阅图4，所述高精度恒流源302是基于高精度电压基准芯片的低温漂、低噪声恒流驱动电路。高精度恒流源302包括开关电源401、三端稳压芯片402、恒温基准芯片403、运放404、场效应管405；三端稳压芯片402作为恒流电路的一级稳压环节，开关电源电压401输出端与三端稳压芯片402的输入管脚相连，三端稳压芯片402的接地管脚接地，其输出管脚与恒温基准芯片403的输入管脚相连；恒温基准403作为恒流电路的二级稳压环节，恒温基准芯片403的两个输出管脚中，其中一个输出管脚信号输出给运放404的正向输入端，其另一个输出管脚信号输出给运放404的反向输入端；运算放大器404和场效应管405起到扩流作用，运放404的输出端接入场效应管405的栅极，场效应管405的漏极与运放404的反向输入端之间串联有调理电阻R，场效应管405的源极为所述柔性热敏传感器阵列301供电，柔性热敏传感器阵列301的各热敏传感器单元串联后，接入场效应管405的源极与地之间。

使用基于柔性热膜剪应力传感器装置的测量方法,包括如下步骤：

步骤1：将柔性热敏传感器阵列301，在不加恒流源激励的条件下,读取柔性热敏传感器阵列301各柔性热敏传感器单元的电阻值R_i，i＝1,2,...,N，通过测定的电阻—温度关系得到各柔性热敏传感器单元处对应的环境温度，i＝1,2,...,N。

步骤2：高精度恒流源302向柔性热敏传感器阵列301加载恒流激励I，读取在流场环境下各柔性热敏传感器单元的电压值U_i，i＝1,2,...,N，获得此时各柔性热敏传感器单元对应的阻值 通过测定的电阻-温度关系获得此时各柔性热敏传感器单元对应的传感器实时温度T_si，i＝1,2,...,N。

步骤3：通过公式，i＝1,2,...,N,其中，A、B、C为通过标定获得的常数，从而得到各柔性热敏传感器单元处对应的剪应力υ_i。

本发明的有益效果是：

1)该测试装置采用柔性热敏传感器，其厚度小，对被测流场几乎没有影响，提高了测试的精度和有效性；2）相比于压阻式的侵入式的安装方法，侵入部分受到流场的较大冲击或者在细小泥沙颗粒环境工作时，测量敏感元件容易受损失效，而柔性热敏传感器是基于传热学原理的，采用贴附的方法固定于流场中，可以有效感知水下壁面剪应力的变化，能够承较大范围内的水流冲击和水中杂质的冲击，扩大了壁面剪应力测试仪的适用范围，延长了传感器的使用寿命，减少了因更换传感器造成的时间浪费，提高了工作效率。3）由于传感器采用的是柔性热敏传感器，可根据被测壁面形状紧密贴合，提升了测量装置对环境的适应性。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

附图说明：

图1是实施例中柔性壁面热敏微传感器示意图；

图2是柔性壁面热敏微传感器的另外一种连接示意图；

图3是本发明提出的基于柔性热敏传感器的壁面剪应力测试装置图；

图4是实施例中高精度恒流源电路图；

图5是四线制连接方式示意图；

图6是现有技术中一种带空腔的柔性热敏传感器结构图；

图中，101-柔性热敏传感器探头，101-铜导线,301-柔性热敏传感器阵列，302-高精度恒流源，303-信号调理电路，304-数据采集模块，305-温度补偿模块，306-数据传输模块，307-数据处理存储模块，401-开关电源，402-三端稳压芯片，403-恒温基准芯片，404-运算放大器，405-场效应管，1021-铜导线1，1022-铜导线2，1023-铜导线3，1024-铜导线4，501-柔性热敏传感器，502-连接导线，503-空腔结构

具体实施方式：

基于柔性热敏传感器的壁面剪应力测试装置，参阅图3，包括柔性热敏传感器阵列301、高精度恒流源302、信号调理电路303、数据采集模块304、温度补偿模块305、数据传输模块306、数据处理存储模块307；所述高精度恒流源302为柔性热敏传感器阵列301提供恒流激励；柔性热敏传感器阵列301感知流场壁面剪应力变化，将模拟电压信号u传递给信号调理电路303进行放大、滤波，得到调理后信号u'，数据采集模块304将调理后信号u'从模拟信号转换成数字信号U后输入数据传输模块306；温度补偿模块305将环境温度信号传输给数据传输模块306，数据传输模块306与数据处理存储模块307进行数据交互。

参阅图1，所述柔性热敏传感器阵列301延流体壁面贴附；柔性热敏传感器阵列301包括3个柔性热敏传感器单元，柔性热敏传感器单元的长度方向与流场速度方向垂直；各柔性热敏传感器单元采用四线制经铜导线102接入信号调理电路303；

除了本实施例给出的述柔性热敏传感器阵列301连接方式外，图2还给出了柔性壁面热敏微传感器的另外一种连接示意图。

参阅图4，所述高精度恒流源302是基于高精度电压基准芯片的低温漂、低噪声恒流驱动电路。高精度恒流源302包括开关电源401、三端稳压芯片402、恒温基准芯片403、运放404、场效应管405；三端稳压芯片402作为恒流电路的一级稳压环节，开关电源电压401输出端与三端稳压芯片402的输入管脚相连，三端稳压芯片402的接地管脚接地，其输出管脚与恒温基准芯片403的输入管脚相连；恒温基准403作为恒流电路的二级稳压环节，恒温基准芯片403的两个输出管脚中，其中一个输出管脚信号输出给运放404的正向输入端，其另一个输出管脚信号输出给运放404的反向输入端；运算放大器404和场效应管405起到扩流作用，运放404的输出端接入场效应管405的栅极，场效应管405的漏极与运放404的反向输入端之间串联有调理电阻R，场效应管405的源极为所述柔性热敏传感器阵列301供电，柔性热敏传感器阵列301的各热敏传感器单元串联后，接入场效应管405的源极与地之间。

使用基于柔性热膜剪应力传感器装置的测量方法,包括如下步骤：

步骤1：将柔性热敏传感器阵列301，在不加恒流源激励的条件下,读取柔性热敏传感器阵列301各柔性热敏传感器单元的电阻值R_i，i＝1,2,3，本实施例中，R₁=9.727Ω，R₂=9.729Ω，R₃=9.724Ω，通过测定的电阻—温度关系得到各柔性热敏传感器单元处对应的环境温度，i＝1,2,3，本实施例中，=8.583℃，=8.622℃，=8.469℃。

步骤2：高精度恒流源302向柔性热敏传感器阵列301加载恒流激励I=50mA，读取在流场环境下各柔性热敏传感器单元的电压值U_i，i＝1,2,3，本实施例中，U₁=8.125V，U₂=8.070V，U₃=8.016V，获得此时各柔性热敏传感器单元对应的阻值 ${\stackrel{\‾}{R}}_i=\frac{U_i}{16\×I},i=\mathrm{1,2,3},$ ${\stackrel{\‾}{R}}_i=10.15\mathrm{\Ω},$ ${\stackrel{\‾}{R}}_i=10.09\mathrm{\Ω},$ ${\stackrel{\‾}{R}}_i=10.02\mathrm{\Ω},$ 通过测定的电阻-温度关系获得此时各柔性热敏传感器单元对应的传感器实时温度T_si，i＝1,2,3，T_s1=21.97℃，T_s2=19.95℃，T_s3=17.80℃。

步骤3：通过公式，i＝1,2,3,其中，A、B、C为通过标定获得的常数，本实施例中A=0.4731，B=0.7215，C=0.3959，从而得到各柔性热敏传感器单元处对应的剪应力υ_i，本实施例中υ₁=0.01416Pa，υ₂=0.06137Pa，υ₃=0.2052Pa。

Claims (2)

1.基于柔性热敏传感器的壁面剪应力测试装置，其特征在于：包括柔性热敏传感器阵列(301)、高精度恒流源(302)、信号调理电路(303)、数据采集模块(304)、温度补偿模块(305)、数据传输模块(306)、数据处理存储模块(307)；所述高精度恒流源(302)为柔性热敏传感器阵列(301)提供恒流激励；柔性热敏传感器阵列(301)感知流场壁面剪应力变化，将模拟电压信号u传递给信号调理电路(303)进行放大、滤波，得到调理后信号u'，数据采集模块(304)将调理后信号u'从模拟信号转换成数字信号U后输入数据传输模块(306)；温度补偿模块(305)将环境温度信号传输给数据传输模块(306)，数据传输模块(306)与数据处理存储模块(307)进行数据交互；

所述柔性热敏传感器阵列(301)延流体壁面贴附；柔性热敏传感器阵列(301)包括N个柔性热敏传感器单元，柔性热敏传感器单元的长度方向与流场速度方向垂直；各柔性热敏传感器单元串联连接，采用四线制经铜导线(102)接入信号调理电路(303)；所述四线制为传感器单元与电路的连接方式，热敏传感器单元(101)通过第一铜导线(1021)与第四铜导线(1024)加载恒定激励电流，其两端电压信号通过第二铜导线(1022)与第三铜导线(1023)导出与后端信号调理电路(303)连接；

所述高精度恒流源(302)是基于高精度电压基准芯片的低温漂、低噪声恒流驱动电路；高精度恒流源(302)包括开关电源(401)、三端稳压芯片(402)、恒温基准芯片(403)、运放(404)、场效应管(405)；三端稳压芯片(402)作为恒流电路的一级稳压环节，开关电源电压(401)输出端与三端稳压芯片(402)的输入管脚相连，三端稳压芯片(402)的接地管脚接地，其输出管脚与恒温基准芯片(403)的输入管脚相连；恒温基准(403)作为恒流电路的二级稳压环节，恒温基准芯片(403)的两个输出管脚中，其中一个输出管脚信号输出给运放(404)的正向输入端，其另一个输出管脚信号输出给运放(404)的反向输入端；运算放大器(404)和场效应管(405)起到扩流作用，运放(404)的输出端接入场效应管(405)的栅极，场效应管(405)的漏极与运放(404)的反向输入端之间串联有调理电阻R，场效应管(405)的源极为所述柔性热敏传感器阵列(301)供电，柔性热敏传感器阵列(301)的各热敏传感器单元串联后，接入场效应管(405)的源极与地之间。

2.一种基于如权利要求1所述装置进行壁面剪应力测试的方法，其特征在于,包括如下步骤：

步骤1：将柔性热敏传感器阵列(301)，在不加恒流源激励的条件下,读取柔性热敏传感器阵列(301)各柔性热敏传感器单元的电阻值R_i，i＝1,2,…,N，通过测定的电阻—温度关系得到各柔性热敏传感器单元处对应的环境温度T_fi，i＝1,2,…,N；

步骤2：高精度恒流源(302)向柔性热敏传感器阵列(301)加载恒流激励I，读取在流场环境下各柔性热敏传感器单元的电压值U_i，i＝1,2,…,N，获得此时各柔性热敏传感器单元对应的阻值通过测定的电阻-温度关系获得此时各柔性热敏传感器单元对应的传感器实时温度T_si，i＝1,2,…,N；

步骤3：通过公式U_i＝(A+B*υ_i ^C)*(T_si-T_fi)，i＝1,2,…,N,其中，A、B、C为通过标定获得的常数，从而得到各柔性热敏传感器单元处对应的剪应力υ_i。