CN104792355B - 基于微纳米纤维阵列的流体传感器及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种流体传感器，其包括：一基体；一微纳米纤维阵列，所述微纳米纤维阵列设置于所述基体的表面上，所述微纳米纤维阵列包括多个微纳米纤维，该多个微纳米纤维的延伸方向基本一致并与该基体的表面垂直，所述微纳米纤维阵列的一端固定于所述基体的表面，另一端为自由端；以及一探测装置，所述探测装置用于探测由于所述微纳米纤维阵列自由端的弯曲变形的程度。进一步本发明涉及一种采用上述流体传感器测量流体特性的方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种流体传感器，特别涉及一种基于微纳米纤维阵列的流体传感器及其测量方法。
背景技术
流场状态（包括速度大小与方向，流体粘性、密度等特性等）的测量在许多领域中都有着极其重要的价值，这些测量的数据也为进行更深层次、有价值的分析提供了基础。
现有技术中流体传感器的测量精度只能达到1毫米每秒，对于一些精密测量来说，这一精度仍有待提高。另外，现有的流体传感器的尺寸只能达到分米级别，对于一些更加精细环境的流场测量，这种大尺寸级别更是限制了其使用范围。
发明内容
有鉴于此，确有必要提供一种能够对流体特性进行超高精度测量、尺寸更小的流体传感器及其测量方法。
一种流体传感器，其包括：一基体；一微纳米纤维阵列，所述微纳米纤维阵列设置于所述基体的表面上，所述微纳米纤维阵列包括多个微纳米纤维，该多个微纳米纤维的延伸方向基本一致并与该基体的表面垂直，所述微纳米纤维阵列的一端固定于所述基体的表面，另一端为自由端；以及一探测装置，所述探测装置用于探测由于所述微纳米纤维阵列自由端的弯曲变形的程度。
一种采用如上所述的流体传感器测量流体特性的方法，其包括以下步骤：将该流体传感器置于静态环境中；利用该图像传感器记录所述微纳米纤维阵列自由端的位置；将所述流体传感器中微纳米纤维阵列完全置于待测流场中，该图像传感器记录所述微纳米纤维阵列自由端的位置，得到两次微纳米纤维阵列自由端的位置的变化值ΔL；根据自由端的位移变化值ΔL计算得出流场速度，其中，EfIf为微纳米纤维的弯曲刚度；d为微纳米纤维的直径；h为微纳米纤维的高度；CD为阻力系数；ρ为流体密度。
一种采用如上所述的流体传感器测量流体特性的方法，其包括以下步骤：将该流体传感器置于静态环境中；激光器发出激光入射所述微纳米纤维阵列，记录激光透过微纳米纤维阵列后的光照面积A1；将所述流体传感器中微纳米纤维阵列完全置于待测流场环境中，记录激光透过微纳米纤维阵列后的光照面积A2；根据微纳米纤维阵列变形前后激光透过面积的比值，计算得出流场速度，其中，k=A2/A1；CD为阻力系数；ρ为流体密度；Atotal为激光总照射面积；n为微纳米纤维的根数；d为微纳米纤维的直径；h为微纳米纤维的高度； EfIf为微纳米纤维的弯曲刚度。
与现有技术相比较，本发明提供的流体传感器具有以下优点：一、微纳米纤维具有极高的长径比，可以实现微米每秒的测量精度，可用于要求更加精细环境的流场测量；二、微纳米纤维可以具有极好的力学性质和极佳的弹性回复能力，可以提供快速的变形响应，在保证增大检测信号的同时，避免大变形下材料失效以及设备损坏；三、通过在微纳米纤维中引入结构缺陷，可扩展微纳米纤维的工作流速范围，同时可进一步增大结构的稳定性，提高传感器的灵敏度。因此，该流体传感器具有测量精度高、尺寸小的特点。同时，该流体传感器的测量方法简单易操作、灵敏度高。
附图说明
图1为本发明提供的流体传感器的结构示意图。
图2为本发明提供的微纳米阵列的排列方式结构图。
图3为本发明提供的微纳米纤维引入缺陷的结构示意图。
图4为本发明第一实施例提供的流体传感器的结构示意图。
图5为本发明第一实施例提供的流体传感器测量流体的原理图。
图6为本发明第二实施例提供的流体传感器的结构示意图。
图7为本发明第二实施例提供的流体传感器测量流体的原理图。
主要元件符号说明
| 流体传感器 | 100，200，300 |
| 基体 | 101 |
| 微纳米纤维阵列 | 102 |
| 探测装置 | 105 |
| 图像传感器 | 103 |
| 激光器 | 104 |
| 光电探测器 | 106 |
如下具体实施例将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明提供的流体传感器作进一步说明。为了便于理解流体传感器的结构，以下先介绍利用微纳米纤维阵列测量流体性质的工作原理。
将一端固定、另一端为自由端的微纳米纤维阵列完全浸入流体中，所述流体可为气体、液体中的一种，由于流体与微纳米纤维阵列直接接触且相互作用，该微纳米纤维阵列在流场作用下发生弯曲变形，该过程可以简化为悬臂结构在均布载荷作用下发生弯曲。根据流体力学理论，均布载荷
q = CDρv2d/2
其中，CD为阻力系数，是雷诺数Re=ρvd/μ的函数，ρ为流体密度，v为来流速度，d为微纳米纤维的直径，μ为动力粘度。
在该载荷q作用下，微纳米纤维的自由端挠度w = qh4/8EI，其中h为微纳米纤维阵列高度，EI为微纳米纤维阵列的弯曲刚度。当流速发生1微米每秒的变化时，微纳米纤维自由端挠度的变化为
Δw = ΔvCDρdh4/8EI
常温常压下的空气中，ρ = 1.204 kg/m3，μ = 1.983×10-5 kg/m·s，对于直径d =30 μm的碳纳米管束，取CD为来流速度v = 5 m/s时的值3.14，微纳米纤维的弯曲刚度EI大约在10-13量级。如果微纳米纤维的高度h达到厘米级，Δw将在微米量级，可以实现准确的测量。因此，基于微纳米纤维阵列的流体传感器可以实现微米每秒的测量精度，以用于要求更加精细环境的流场测量。
请参阅图1，本发明提供一种流体传感器100，该流体传感器100主要包括：一基体101，一微纳米纤维阵列102，以及一探测装置105。所述基体101的两端均为固定端。所述微纳米纤维阵列102设置于所述基体101的表面，所述微纳米纤维阵列102包括多个微纳米纤维，该多个微纳米纤维的延伸方向基本一致并与该基体101的表面垂直。所述微纳米纤维阵列102中的微纳米纤维的一端固定于所述基体101的表面，另一端为自由端。所述探测装置105用于探测由于所述微纳米纤维阵列102自由端的弯曲变形的程度。
所述基体101主要起支撑作用，用于对所述微纳米纤维阵列102提供支撑。所述基体101的形状、尺寸、材料根据测试环境而定。所述基体101的两端均为固定端是指所述基体的两端在后续测量的过程中不会发生位移的改变，尤其是在垂直于基体101表面的方向上位置保持不变。
所述微纳米纤维阵列102包括多根微纳米纤维，进一步，所述微纳米纤维阵列102中的多根微纳米纤维相互间隔设置。请参阅图2，所述微纳米纤维阵列102的排列方式可为矩形阵列、六边形阵列、圆形阵列等，也可呈其他几何形状。该微纳米纤维阵列102中任意相邻两根微纳米纤维的距离定义为L，单根微纳米纤维的直径为d，则阵列的排列密度d/L满足0.1<d/L<1，以优化传感器测量性能，保持传感器具有较高的测量精度。本实施例中，所述微纳米纤维阵列为六边形阵列。
所述微纳米纤维的材料可为碳纳米管、碳纤维、光刻胶、PDMS(聚二甲基硅氧烷)等。所述碳纳米管可为单壁碳纳米管及多壁碳纳米管中的一种或多种。所述单壁碳纳米管的直径为0.5纳米至5纳米，所述多壁碳纳米管的直径为1.5纳米至50纳米。所述微纳米纤维阵列102中微纳米纤维的延伸方向基本一致，且与所述基体101的表面垂直。可以理解，由于微纳米纤维阵列制备工艺或其他外界因素的影响，所述微纳米纤维阵列102中微纳米纤维的延伸方向并非绝对一致，可存在一定的误差，但该误差并不影响微纳米纤维阵列的整体结构。本实施例中，所述每根微纳米纤维为一碳纳米管束，所述碳纳米管束包括多根平行排列的碳纳米管，进一步，所述碳纳米管束是由该多根平行排列的碳纳米管通过范德华力紧密聚集成的束状结构，且每根碳纳米管的长度接近所述碳纳米管束的高度。所述多根平行排列的碳纳米管的延伸方向基本相同，且垂直于所述基体的表面。
所述微纳米纤维阵列102中每根微纳米纤维的直径d为20微米至100微米，所述微纳米纤维阵列102的高度为500微米至10毫米，所述每根微纳米纤维的长径比为10～1000。优选地，所述每根微纳米纤维的直径d为30微米至60微米，所述每根微纳米纤维的长径比为20～100。这是由于微纳米纤维的长径比越大，在相同流速作用下，能够对微小的流动产生的变形越明显，测量精度越高；但长径比过高时，微纳米纤维阵列的结构稳定性下降。
进一步，所述微纳米纤维阵列102中微纳米纤维材料中可引入结构缺陷。请参阅图3，所述结构缺陷位于所述微纳米纤维阵列中每根微纳米纤维靠近基体表面一端的位置上，所述每根微纳米纤维上的结构缺陷到基体表面的距离基本一致，且小于所述微纳米纤维高度的二分之一。在微纳米纤维材料中引入的结构缺陷，可以降低微纳米纤维临界屈曲应力和弯曲刚度，使其在较低流速时就发生屈曲，从而增大结构的稳定性，扩展微纳米纤维的工作流速范围。同时，引入结构缺陷后的微纳米纤维弯曲刚度降低，可以进一步增大纤维变形，提高传感器的灵敏度。
所述探测装置105用于探测所述微纳米纤维阵列102中微纳米纤维弯曲变形的程度。所述探测装置105可用于监测微纳米纤维由于弯曲变形而引起的微纳米纤维自由端位移的变化，比如所述探测装置105为一图像传感器103，通过监测微纳米纤维自由端位移的变化值来完成监测。所述探测装置105也可用于监测微纳米纤维由于弯曲变形而引起的光线强度的变化，比如探测装置105可由一激光器104和一光电探测器106组成，所述激光器104发出的激光沿微纳米纤维的延伸方向贯穿所述基体及微纳米纤维阵列，再由光电探测器106来接收该激光光线来完成监测。
以下将分别介绍本发明提供的流体传感器的几种具体实施例。
实施例1
请一并参阅图4及图5，本发明第一实施例提供一种流体传感器200，该流体传感器200主要包括一基体101，一微纳米纤维阵列102，以及一图像传感器103。所述基体101的两端均为固定端。所述微纳米纤维阵列102设置于所述基体的表面上，且所述微纳米纤维阵列102中微纳米纤维的延伸方向与该基体101的表面垂直。所述微纳米纤维阵列102中的微纳米纤维的一端固定于所述基体101的表面，另一端为自由端。所述图像传感器103设置于微纳米纤维的延伸方向上，以记录流场环境中所述微纳米纤维自由端的位置变化。
将该流体传感器200置于流场环境中，所述微纳米纤维阵列102在流体的作用下产生弯曲变形，从而微纳米纤维的自由端产生位移的改变。所述微纳米纤维自由端的位移变化值即为所述微纳米纤维自由端的挠度值，根据所述微纳米纤维自由端在流体中的挠度值即可实现测量流体特性的目的。
本发明提供一种利用上述流体传感器200测量流体特性的方法，主要包括以下步骤：
步骤S10，将流体传感器200置于静态环境中，图像传感器103记录所述微纳米纤维阵列102自由端的位置。
步骤S11，将所述流体传感器200中的微纳米纤维阵列102完全置于待测流场中，图像传感器103记录所述微纳米纤维阵列102自由端移动的位置，得到两次微纳米纤维阵列自由端的位置的变化值ΔL。
可以理解，所述微纳米纤维在流场环境中自由端的位移变化值ΔL即为微纳米纤维自由端挠度w。
步骤S12，根据自由端的位移变化值ΔL计算得出流场速度v。
所述微纳米纤维在流场的作用下发生弯曲变形，假设所述微纳米纤维受力载荷为q。根据流体力学理论，q=CDρv2d/2。其中CD为阻力系数，是雷诺数Re=ρvd/μ的函数，ρ为流体密度，v为流体速度，d为微纳米纤维的直径，μ为动力粘度。由材料力学理论，在该载荷q作用下，所述微纳米纤维自由端挠度w = qh4/8EfIf，则
其中h为微纳米纤维的高度，EfIf为微纳米纤维的弯曲刚度。
又有ΔL=w，则有
所以，根据图像传感器103监测得到所述微纳米纤维自由端的位置变化值，即可实现对流体特性的测量。
实施例2
请一并参阅图6及图7，本发明第二实施例提供一种流体传感器300，该流体传感器主要包括一基体101，一微纳米纤维阵列102，一激光器104，一光电探测器106。所述基体101的两端均为固定端，该基体为透明基体。所述微纳米纤维阵列102设置于所述基体101的表面上，且所述微纳米纤维阵列102中微纳米纤维的延伸方向与所述基体101表面垂直。所述激光器104与所述光电探测器106分别位于所述基体101的两侧。所述激光器104发出的激光沿微纳米纤维阵列102中微纳米纤维的延伸方向贯穿所述基体101及微纳米纤维阵列102，所述光电探测器106用于接收该激光光线，得到因微纳米纤维弯曲导致的激光入射强度的变化。
本发明提供一种利用上述流体传感器300测量流体特性的方法，主要包括以下步骤：
步骤S20，将流体传感器300置于静态环境中，启动激光器104、光电探测器106，记录激光透过微纳米纤维阵列102后光照面积A1。
步骤S21，将所述流体传感器300中的微纳米纤维阵列102完全置于待测流场环境中，记录激光透过微纳米纤维阵列102后的光照面积A2。
步骤S22，根据微纳米纤维阵列102变形前后激光透过面积的比值，计算得出流场速度v。
所述微纳米纤维在流场的作用下发生弯曲变形，当所述激光器出射的激光从下向上穿过所述微纳米纤维阵列102时，阵列的弯曲变形使得激光的透射光面积也随之发生变化，则变化后的激光透射面积与初始状态激光透射面积的比值k满足
其中，Atotal为激光总照射面积，n为微纳米纤维的根数，d为微纳米纤维的直径，h为微纳米纤维的高度， EfIf为微纳米纤维的弯曲刚度，ρ为流体密度，CD为阻力系数。
则有，
所以，根据光电探测器监测得到所述微纳米纤维弯曲导致的激光透射光面积的变化比值，即可实现对流体特性的测量。
本发明提供的流体传感器具有以下优点：微纳米纤维具有极高的长径比，可以实现微米每秒的测量精度，可用于要求更加精细环境的流场测量；微纳米纤维可以具有极好的力学性质和极佳的弹性回复能力，可以提供快速的变形响应，在保证增大检测信号的同时，避免大变形下材料失效以及设备损坏；通过在微纳米纤维中引入结构缺陷，可扩展微纳米纤维的工作流速范围，同时可进一步增大结构的稳定性，提高传感器的灵敏度，从而可进一步提高该流体传感器的测量精度，且该流体传感器的尺寸可也控制在相对更小的范围内。同时，该流体传感器的测量方法简单易操作、灵敏度高。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内作其它变化，当然这些依据本发明精神所作的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。
Claims (11)
1.一种流体传感器，其包括：
一基体；
一微纳米纤维阵列，所述微纳米纤维阵列设置于所述基体的表面，所述微纳米纤维阵列包括多个微纳米纤维，该多个微纳米纤维的延伸方向基本一致并与该基体的表面垂直，所述微纳米纤维阵列的一端固定于所述基体的表面，该端的位置相对于该基体是固定不变的，另一端为自由端；以及
一探测装置，所述探测装置用于探测由于所述微纳米纤维阵列自由端的弯曲变形的程度。
2.如权利要求1所述的流体传感器，其特征在于，所述微纳米纤维阵列中的多根微纳米纤维相互间隔设置，每根所述微纳米纤维的直径d为20微米至100微米，每根所述微纳米纤维的长径比为10～1000。
3.如权利要求2所述的流体传感器，其特征在于，所述微纳米纤维阵列中的每根微纳米纤维均引入了结构缺陷，每根微纳米纤维上的所述结构缺陷到基体表面的距离基本一致，且小于所述微纳米纤维高度的二分之一。
4.如权利要求1所述的流体传感器，其特征在于，所述微纳米纤维阵列的高度为500微米至10毫米。
5.如权利要求1所述的流体传感器，其特征在于，所述微纳米纤维阵列中任意相邻两根微纳米纤维的距离L与单根微纳米纤维的直径d的比值，即微纳米纤维阵列的排列密度d/L满足0.1<d/L<1。
6.如权利要求1所述的流体传感器，其特征在于，所述微纳米纤维的材料为碳纳米管、碳纤维、光刻胶或聚二甲基硅氧烷。
7.如权利要求1所述的流体传感器，其特征在于，每根所述微纳米纤维为一碳纳米管束，该碳纳米管束包括多根平行排列的碳纳米管，该多根平行排列的碳纳米管通过范德华力紧密聚集成束状结构。
8.如权利要求1所述的流体传感器，其特征在于，所述探测装置为一图像传感器，该图像传感器位于所述微纳米纤维的延伸方向上。
9.如权利要求1所述的流体传感器，其特征在于，所述基体为透明基体，所述探测装置进一步包括一激光器和一光电探测器分别位于所述基体相对的两侧，所述激光器发出的激光沿微纳米纤维的延伸方向贯穿所述基体及微纳米纤维阵列，所述光电探测器接收该激光光线。
10.一种采用如权利要求8所述的流体传感器测量流体特性的方法，其包括以下步骤：
将该流体传感器置于静态环境中；
利用该图像传感器记录所述微纳米纤维阵列自由端的位置；
将所述流体传感器中微纳米纤维阵列完全置于待测流场中，该图像传感器记录所述微纳米纤维阵列自由端的位置，得到两次微纳米纤维阵列自由端的位置的变化值ΔL；
根据自由端的位移变化值ΔL计算得出流场速度其中，EfIf为微纳米纤维的弯曲刚度；d为微纳米纤维的直径；h为微纳米纤维的高度；CD为阻力系数；ρ为流体密度。
11.一种采用如权利要求9所述的流体传感器测量流体特性的方法，其包括以下步骤：
将该流体传感器置于静态环境中；
激光器发出激光入射所述微纳米纤维阵列，记录激光透过微纳米纤维阵列后的光照面积A1；
将所述流体传感器中微纳米纤维阵列完全置于待测流场环境中，记录激光透过微纳米纤维阵列后的光照面积A2；
根据微纳米纤维阵列变形前后激光透过面积的比值，计算得出流场速度其中，k＝A2/A1；CD为阻力系数；ρ为流体密度；Atotal为激光总照射面积；n为微纳米纤维的根数；d为微纳米纤维的直径；h为微纳米纤维的高度；EfIf为微纳米纤维的弯曲刚度。
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