CN104819806B - 一种高精度传感器校验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度传感器校验装置，用于水下表面剪应力传感器的标定与基准检验。装置结构包括进水箱、出水箱及两者之间的试验通道和回流通道；试验通道包括稳定段、收缩段、校验传感器实验段、过渡段及伸缩管；校验传感器实验段包括上壁板和下壁板，下壁板中心线上布置有静压测压孔，上壁板上开设有模型安装孔；回流通道由转角矩形弯管、出水方圆过渡管、上下弯管、水泵出水弯管及进水方圆过渡管连通而成；在回流管路上安装有离心水泵、调压阀和电磁流量计。本发明可达到较高雷诺数，层流/湍流条件均适用，可实现方便快捷并准确校验水下表面应力传感器的目的。

Description

一种高精度传感器校验装置

技术领域

本发明涉及流体实验传感器校验装置，更具体地说，涉及一种用于水下表面剪应力传感器如MEMS(微机电系统)传感器标定与基准检验的校验装置。

背景技术

对水下物体表面剪应力的测量能为很多流体力学问题的研究提供非常有价值的信息，比如湍流转捩、流动分离、摩擦阻力和表面流态分布等。而在使用传感器测量表面剪应力之前，首先需要对传感器进行标定。

现有的表面剪应力传感器标定方法几乎都是针对空气中测量剪应力的MEMS传感器，如2005年《第一届近代实验空气动力学会议论文集》260-264页“基于MEMS天平的摩擦应力直接测量试验技术研究”一文中介绍了中国空气动力研究与发展中心研制的一种单晶硅材料梳状浮动元件式电容MEMS剪应力天平及其校准系统，该静态性能Stokes层流校准技术是通过在层流管内建立稳定的层流流动，由天平输出的电压值与压力测量得到的剪应力值比较得到MEMS剪应力天平的静态性能校准结果。

目前，针对水中剪应力测量的传感器标定装置的报道相对较少，如2005年《JOURNAL OF MICROELECTROMECHANIACAL SYSTEMS》第14卷第5期在1023-1030页“Micromachined Thermal Shear-Stress Sensor for Underwater Applications”一文中介绍了用于剪应力标定的微型水槽校验装置，该微型水槽是由一块固定在电路板上的传感器芯片和一块微通道芯片组合而成，由于水槽壁面的剪应力与水流量有对应关系，通过调节进入微水槽的水流量来改变输出的剪应力值，并与传感器的相对电压值比较，实现对剪应力的标定，但该微型校验装置量程小(0-6pa)，只适用于层流标定。

2014年《实验流体力学》第28卷第2期在39-44页“柔性热膜剪应力传感器水下测量温度修正”一文中介绍了与以上同类型的小高宽比矩形水槽校验装置，也是通过节流阀控制流量，实现剪应力的连续输出，最终实现剪应力的标定。其不足仍然是只能在完全发展的层流区域内进行测量，雷诺数较低(小于2000)，校验剪应力的量程不超过10pa，水下测量校验应用范围较窄。

传感器的标定决定了其测量的精度和数据可信度，是应用该传感器进行测量的前提。传统的表面剪应力传感器标定装置多应用于风洞空气剪应力测量的校验，标定较复杂，使用不方便。而目前报道的水下表面剪应力传感器标定装置仅可用于层流测量标定，量程较小，应用范围窄。

发明内容

为了克服目前常见水下表面剪应力传感器标定装置仅可用于层流测量标定，量程较小，应用范围窄等缺点，以达到方便快捷并准确地校验水下表面剪应力传感器的目的，本发明提供了一种高精度传感器校验装置，用以对微型表面剪应力传感器进行标定。

本发明的技术方案如下：

一种高精度传感器校验装置，为水平放置的循环管路结构，包括一个进水箱和一个出水箱，进水箱和出水箱之间以一个试验通道和一个回流通道相连通；

试验通道包括顺序连接的稳定段、收缩段、校验传感器实验段、过渡段及伸缩管；在稳定段中设有整流装置；稳定段与进水箱连通，伸缩管与出水箱连通；校验传感器实验段是由上壁板和下壁板合成的长扁平槽道，在下壁板中心线上沿流向等距离间隔布置有静压测压孔，在上壁板上开设有模型安装孔；待标定的表面剪应力传感器安装于上壁板，压力测量系统、流速测量装置安装于下壁板；

回流通道包括由转角矩形弯管、出水方圆过渡管、上下弯管、水泵出水弯管及进水方圆过渡管连通而成的回流管路；在回流管路的上下弯管与水泵出水弯管之间安装有离心水泵，在回流管路的水泵出水弯管与进水方圆过渡管之间安装有调压阀和电磁流量计；在转角矩形弯管中设有圆弧形的导流片。

其进一步的技术方案为：所述表面剪应力传感器包括MEMS热膜式剪应力传感器。

其进一步的技术方案为：所述压力测量系统是连接静压测压孔的微差压变送器及数据处理系统。

其进一步的技术方案为：所述流速测量装置为高精度激光多普勒测速仪。

本发明的有益技术效果是：

一、由于本发明采用的是小型平板模型实验机理，因此可以方便快捷地对MEMS水下表面剪应力传感器进行标定。

二、本发明采用激光多普勒测速仪、电磁电磁流量计、调压阀和离心水泵可以对流场进行精密测量和控制，确保稳定的流态环境。

三、本发明对剪应力传感器的测量校验量程大，精度高，可用于层流和湍流的测量校验，应用范围广。

本发明的优点将在下面具体实施方式部分的描述中给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1是本发明的主视图。

图2是本发明的俯视图。

图3是校验传感器实验段的主视图。

图4是校验传感器实验段的俯视图。

图5是本发明的电气控制回路图。

图6是本发明的变频器驱动原理图。

附图标记说明：1、进水箱；2、稳定段；3、收缩段；4、校验传感器实验段；5、过渡段；6、伸缩管；7、出水箱；8、转角矩形弯管；9、出水方圆过渡管；10、上下弯管；11、离心水泵；12、水泵出水弯管；13、调压阀；14、电磁流量计；15、进水方圆过渡管；16、静压测压孔；17、模型安装孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

本发明的高精度传感器校验装置，包括机械结构模块和电气系统模块。

1)机械结构模块：

如图1和图2所示，机械结构模块为水平放置的循环管路结构，循环管路内的介质是水流，并包含有调节循环管路内流体转变成稳定发展的湍流的设备和监控流体流动参数的设备。具体来说，在图1和图2的实施例中，包括一个进水箱1和一个出水箱7，进水箱1和出水箱7之间以一个试验通道和一个回流通道两个通道相连通。

试验通道可分为顺序连接的稳定段2—收缩段3—校验传感器实验段4—过渡段5四个部分，以及过渡段5尾端的伸缩管6。其中在稳定段2中设有整流装置，可使上游来的水流速度分布更加均匀。伸缩管6可使更换校验传感器实验段4更方便，且能保证实验段的水密性。

如图3和图4所示，校验传感器实验段4为一长扁平槽道，由上壁板4-1和下壁板4-2组成。在下壁板4-2中心线上沿流向等距离间隔布置一系列间距为0.1m的静压测压孔16，用以测量水槽内静压力沿流向的分布并判断水槽内的流动形态。在上壁板4-1开设模型安装孔17，以方便模型的安装。

根据摩擦剪应力测量方法(壁面摩擦法)，当水槽的长度远大于水槽高度时，摩擦剪应力可通过压差来求得。公式如下所示

式中，h为槽道高度；Δp为两点之间的压差；l为两点之间的距离。

将待标定的剪应力传感器(本实施例中的剪应力传感器为MEMS热膜式剪应力传感器，也可采用其他型式的剪应力传感器)平齐地安装在水槽的上壁板4-1，距入口足够距离(1.5m以上)，这样能保证需要标定的传感器处于完全发展的稳定流态中(包括层流和湍流)。同时于下壁板4-2安装压力测量系统(由静压测压孔16连接的微差压变送器及数据处理系统)、流速测量装置(高精度激光多普勒流速测量仪，用于测量流速和计算紊流度)，对流场进行精密测量，控制流速范围为1-5m/s，湍流强度小于2％。

如图1和图2所示，回流通道由离心水泵和回流管路连通而成，从而使整个校验装置成为循环式可调流速实验系统。回流管路由转角矩形弯管8、出水方圆过渡管9、上下弯管10、水泵出水弯管12及进水方圆过渡管15连通而成。回流通道上安装有离心水泵11提供动力。回流通道上安装有调压阀13，可进行压差调节。回流通道上安装有电磁流量计14，来监测流量。通过对电磁流量计14、调压阀13和水泵11的综合调节，可使实验槽道内的流动从层流转变为湍流，实现使传感器处于完全发展的稳定流态中。在转角矩形弯管8中设有圆弧形的导流片，使水流在转角处折转稳定、无分离，可改善流场品质。

结合电磁流量计14、调压阀13并对离心水泵11进行调节，可以实现0-50pa范围内剪应力的连续输出，通过比较安装在MEMS剪应力传感器的电压输出值与压力测量系统得到的剪应力值，可以得到MEMS剪应力传感器的相关校准系数，实现对MEMS水下剪应力传感器的校准。

2)电气系统模块：

电气系统模块主要包括对离心水泵进行控制的电气设备和相关辅助电气设备。通过该电气系统模块实现进水箱1、稳定段2、收缩段3、校验传感器实验段4、过渡段5、出水箱7、离心水泵11和回流管路间的水流循环。

图5是本发明的电气控制回路图，采用三相380V交流电源，集成在装有水泵调速和相关辅助设备的电气控制柜内，内置ABB公司的ACS 400型变频驱动器、继电控制回路等。

图6是本发明的变频器驱动原理图，为了实现离心水泵在较宽范围内调速的要求，本发明采用交流电动机直接驱动离心泵的传动方式，驱动器采用交流变频调速方式驱动，并在电气控制柜面板上集中控制，实现无级调速，调控管道流量和实验槽道流速，达到MEMS壁面剪应力传感器标定所需实验水流条件。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的基本构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种高精度传感器校验装置，其特征在于：为水平放置的循环管路结构，包括一个进水箱(1)和一个出水箱(7)，进水箱(1)和出水箱(7)之间以一个试验通道和一个回流通道相连通；

试验通道包括顺序连接的稳定段(2)、收缩段(3)、校验传感器实验段(4)、过渡段(5)及伸缩管(6)；在稳定段(2)中设有整流装置；稳定段(2)与进水箱(1)连通，伸缩管(6)与出水箱(7)连通；校验传感器实验段(4)是由上壁板(4-1)和下壁板(4-2)合成的长扁平槽道，在下壁板(4-2)中心线上沿流向等距离间隔布置有静压测压孔(16)，在上壁板(4-1)上开设有模型安装孔(17)；待标定的表面剪应力传感器安装于上壁板(4-1)，压力测量系统、流速测量装置安装于下壁板(4-2)；

回流通道包括由转角矩形弯管(8)、出水方圆过渡管(9)、上下弯管(10)、水泵出水弯管(12)及进水方圆过渡管(15)连通而成的回流管路；在回流管路的上下弯管(10)与水泵出水弯管(12)之间安装有离心水泵(11)，在回流管路的水泵出水弯管(12)与进水方圆过渡管(15)之间安装有调压阀(13)和电磁流量计(14)；在转角矩形弯管(8)中设有圆弧形的导流片。

2.根据权利要求1所述的高精度传感器校验装置，其特征在于：所述表面剪应力传感器包括MEMS热膜式剪应力传感器。

3.根据权利要求1所述的高精度传感器校验装置，其特征在于：所述压力测量系统是连接静压测压孔(16)的微差压变送器及数据处理系统。

4.根据权利要求1所述的高精度传感器校验装置，其特征在于：所述流速测量装置为高精度激光多普勒测速仪。