CN105092890B - 热线风速仪 - Google Patents
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Abstract
一种热线风速仪,包括一探测元件、一信号放大器及一信号处理器,所述探测元件、信号放大器与信号处理器之间相互电连接,所述信号放大器用于接收探测元件的信号并将信号放大;所述信号处理器用于将信号放大器产生的信号进行计算和处理;所述探测元件包括一热线,该热线为一碳纳米管复合导线。所述碳纳米管复合导线包括:一碳纳米管单纱,该碳纳米管单纱由多个碳纳米管沿该碳纳米管单纱轴向旋转加捻构成,该碳纳米管单纱的捻度为10转/厘米到300转/厘米,该碳纳米管单纱的直径为50纳米到30微米;以及一金属层,包覆于所述碳纳米管单纱的外表面,该金属层厚度为50纳米到5微米。
Description
技术领域
本发明涉及一种热线风速仪。
背景技术
热线风速仪是一种用于测量流场速度的仪器,通常采用的测速感应元件为金属丝,称为热线,材料为钨或铂等金属丝。热线风速仪的作用原理是将通以电流而被加热的热线置于通道中,当气体流过它时则将带走一定的热量,此热量与流体的速度有关。热线风速仪有两种工作模式:第一种是恒流式,亦称定电流法,即通过热线的电流保持不变,气体带走一部分热量后热线的温度就降低,流速愈大温度降低得就愈多,温度变化时,热线电阻改变,两端电压变化,因而测得金属丝的温度则可得知流速的大小。第二种是恒温式,亦称定电阻法(即定温度法),改变加热的电流使气体带走的热量得以补充,而使金属丝的温度保持不变(也称金属丝的电阻值不变),这时流速愈大则所需加热的电流也愈大,根据所需施加的电流(加热电流值)则可得知流速的大小。上述两种工作模式的计算原理均是基于热线的温度与热线的电阻之间的关系函数。即,温度对热线的电阻影响越大,热线风速仪的灵敏度越高。根据电阻定律,金属丝的电阻公式为R=ρL/S,其中,ρ为金属丝的电阻率,L为金属丝的长度,S为金属丝的横截面积。金属丝的电阻率ρ与金属丝的温度有关,可见在金属丝长度一定的情况下,横截面积越小,热线的温度对热线的电阻影响越大。因此,金属丝越细,热线风速仪的灵敏度越高。然而,当由金属或合金作成的超细导线的直径达到微米级甚至更小时,金属丝易断,而且受目前工艺水平的限制,很难制得超细的一维金属丝。因此,目前的热线风速仪不够灵敏,而且热线寿命较短。
发明内容
有鉴于此,确有必要提供一种灵敏度较高,且热线导电性能好寿命长的热线风速仪。
一种热线风速仪,包括一探测元件、一信号放大器及一信号处理器,所述探测元件、信号放大器与信号处理器之间相互电连接,所述信号放大器用于接收探测元件的信号并将信号放大;所述信号处理器用于将信号放大器产生的信号进行计算和处理;所述探测元件包括一热线,该热线为一碳纳米管复合导线。所述碳纳米管复合导线包括:一碳纳米管单纱,该碳纳米管单纱由多个碳纳米管沿该碳纳米管单纱轴向旋转加捻构成,该碳纳米管单纱的捻度为10转/厘米到300转/厘米,该碳纳米管单纱的直径为50纳米到30微米;以及一金属层,包覆于所述碳纳米管单纱的外表面,该金属层厚度为50纳米到5微米。
与现有技术相比较,由本发明提供的热线风速仪采用碳纳米管复合导线作为热线,通过优化所述碳纳米管单纱的直径和捻度,从而可以使碳纳米管复合导线的直径较小的情况下,显著提高所述碳纳米管复合导线的机械性能,使碳纳米管复合导线在直径较小的情况下仍具有较高强度,因此,采用碳纳米管导线的热线与金属丝相比在相同的强度下具有更小的直径,热线风速仪的灵敏度较高且使用寿命较长。
附图说明
图1为本发明实施例提供的热线风速仪的结构示意图。
图2为本发明实施例提供的探测元件的结构示意图。
图3为本发明实施例提供的碳纳米管复合导线的扫描电镜照片。
图4为本发明实施例提供的碳纳米管复合导线中的碳纳米管单纱的拉伸应力曲线。
主要元件符号说明
热线风速仪 | 100 |
热线 | 102 |
导电支撑杆 | 104 |
第一端 | 1042 |
第二端 | 1044 |
支撑座 | 106 |
碳纳米管单纱 | 110 |
金属层 | 112 |
探测元件 | 200 |
保护罩 | 202 |
信号放大器 | 300 |
信号处理器 | 400 |
显示装置 | 500 |
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
请参照图1,本发明提供一种热线风速仪100,其包括一探测元件200,一信号放大器300,一信号处理器400及一显示装置500。所述探测元件200、信号放大器300、信号处理器400与显示装置500之间相互电连接。所述探测元件200用于探测风场的信号。所述信号放大器300用于接收和放大探测元件200所探测的信号,并传递给信号处理器400。信号处理器400将信号计算之后可以得到风场的具体风速,并通过显示装置500显示出来。
请参见图2,所述探测元件200包括一热线102,两个导电支撑杆104及一支撑座106。所述两个导电支撑杆104固定于支撑座106。每个所述导电支撑杆104包括一第一端1042及一第二端1044。所述两个导电支撑杆104穿过所述支撑座106,两个导电支撑杆104的第一端1042从支撑座106的一端延伸出,且两个导电支撑杆104的第一端1042相互间隔设置。所述热线102的两端分别固定于每个导电支撑杆104的第一端1042,即被两个导电支撑杆104所夹持。两个导电支撑杆104的第二端1044从支撑座106的另一端延伸出,连接于信号放大器300上。所述导电支撑杆104的第一端1042可以为一尖端。所述导电支撑杆104的作用为支撑热线102,并在热线102上施加电流。导电支撑杆104的材料应具有良好的导电性和尽可能小的传热系数,还应该具有一定的强度和刚度。本实施例中,选择镀金的不锈钢丝作为导电支撑杆104。导电支撑杆104的直径为10微米~5毫米。两个导电支撑杆104基本平行且相互间隔设置。所述热线102仅通过两端固定于两个导电支撑杆104的第一端1042,该热线102整体处于悬空设置状态。
所述支撑座106的作用为支撑导电支撑杆104。支撑座106的材料为绝缘材料。本实施例中,支撑座106为陶瓷,导电支撑杆104通过陶瓷烧结的方式固定于所述支撑座106。
可选择地,所述探测元件200进一步包括一保护罩202,用于保护热线102。当热线风速仪100不工作时,保护罩202罩在热线102上。所述保护罩202通过卡口的方式固定于支撑座106,便于随时从支撑座106上取下。
请参照图3,所述热线102为一碳纳米管复合导线,其直径为150纳米至40微米。优选地,所述碳纳米管复合导线的直径小于等于10微米。所述碳纳米管复合导线包括一碳纳米管单纱110以及一包覆于所述碳纳米管单纱110外表面的金属层112。所述碳纳米管单纱110由多个碳纳米管沿该碳纳米管单纱110的轴向旋转加捻构成。所述碳纳米管单纱110可以通过从一碳纳米管阵列中拉取获得一碳纳米管线,并将所述碳纳米管线的两端相对回转形成。所述碳纳米管线的两端可以沿顺时针方向回转,从而形成S捻;所述碳纳米管线的两端可以沿逆时针方向回转,从而形成Z捻。由于从碳纳米管阵列中直接拉取获得的碳纳米管线中的碳纳米管基本沿所述碳纳米管线的轴向延伸,且在所述碳纳米管线的轴向方向通过范德华力首尾相连。故,在将所述碳纳米管线的两端相对回转的过程中,该碳纳米管线中的碳纳米管会沿碳纳米管线的轴向方向螺旋状排列,且在延伸方向通过范德华力首尾相连,进而形成所述碳纳米管单纱110。另外,在将所述碳纳米管线的两端相对回转的过程中,所述碳纳米管线中沿径向方向相邻的碳纳米管之间的间距会变小,接触面积增大,从而使所述碳纳米管单纱110中沿径向方向相邻的碳纳米管之间的范德华力显著增加,并紧密相连。所述碳纳米管单纱10中沿径向方向相邻的碳纳米管之间的间距小于等于10纳米。优选地,所述碳纳米管单纱110中沿径向方向相邻的碳纳米管之间的间距小于等于5纳米。更优选地,所述碳纳米管单纱110中沿径向方向相邻的碳纳米管之间的间距小于等于1纳米。由于所述碳纳米管单纱110中沿径向方向相邻的碳纳米管之间的间距较小且通过范德华力紧密相连,故,所述碳纳米管单纱110具有光滑且致密的表面结构。
所述碳纳米管单纱110的直径为50纳米到30微米。所述碳纳米管单纱110的捻度为10转/厘米到300转/厘米。所述捻度是指单位长度碳纳米管线回转的圈数。当所述碳纳米管单纱110的直径确定时,适当的捻度可以使所述碳纳米管单纱110具有较好的机械性能。这是由于,随着捻度的增加,所述碳纳米管单纱110中沿径向方向相邻的碳纳米管之间间距的降低,从而使沿径向方向相邻的碳纳米管之间的作用力会增强;但是,当捻度过大时,所述碳纳米管单纱110中沿轴向方向相邻的碳纳米管之间的作用力反而会降低。当所述碳纳米管单纱110的直径小于10微米时,所述碳纳米管单纱110的捻度优选为250转/厘米到300转/厘米;而当所述碳纳米管单纱110的直径为10微米到20微米时,所述碳纳米管单纱110的捻度优选为200转/厘米到250转/厘米;而当所述碳纳米管单纱110的直径为25微米到30微米时,所述碳纳米管单纱110的捻度优选为100转/厘米到150转/厘米。所述碳纳米管单纱110的机械强度可以达到相同直径的金线的机械强度的5-10倍。本实施例中,所述碳纳米管单纱110的直径约为25微米,且其捻度约为100转/厘米。
由于所述碳纳米管单纱110具有光滑且致密的表面结构,故,所述金属层112可以和所述碳纳米管单纱110形成良好的结合,不易脱落。所述金属层112均匀的包覆于所述碳纳米管单纱110的外表面,其厚度为1微米到5微米。当所述金属层112的厚度为1微米到5微米时,所述碳纳米管复合导线的电导率可以到达所述金属层12中金属的电导率的50%以上。当所述金属层112的厚度太小时,例如小于1微米,一方面不能显著提高所述碳纳米管复合导线的电导率,另一方面,还会使得该金属层12在使用时容易被氧化,进一步降低所述碳纳米管复合导线的电导率及使用寿命。另外,实验证明当所述金属层12的厚度大于一定值时,例如大于5微米,所述碳纳米管复合导线的电导率不但不会显著增加,还会额外增加所述碳纳米管复合导线的直径。所述金属层112的材料可以为金、银、铜等导电性较好的金属或合金。本实施例中,所述金属层112为厚度约为5微米的铜,从而使该碳纳米管复合导线100的电导率可以达到4.39×107S/m,为金属铜的电导率的75%左右。
所述金属层112可以通过电镀、化学镀、蒸镀等方法形成于所述碳纳米管单纱110的外表面,进而形成所述碳纳米管复合导线。
请参见图3,本实施例中,所述碳纳米管复合导线的直径约为35微米,其拉伸应力可以达到900MPa以上,为相同直径下金线的9倍左右。另外,从图中4还可以看出所述碳纳米管复合导线的拉伸应变率为3%左右。
所述热线102的材料应当具有足够的强度和一定的抗腐蚀性能,以便能制成尽可能细的丝,保证热线102具有较高的灵敏度、信噪比和频率响应特性,同时具有良好的稳定性。碳纳米管复合导线通过同时优化所述碳纳米管单纱的直径和捻度以及所述金属层的厚度,可以具有良好的力学和机械性能。通过优化所述金属层112的厚度,从而可以使所述金属层112具有较好的抗氧化性能及耐用性能;通过优化所述碳纳米管单纱110的直径和捻度,从而可以显著提高所述碳纳米管复合导线的机械性能,因此,碳纳米管复合导线的直径可以达到纳米级,作为热线使用时,可以使热线具有较高的灵敏度和频率响应性能。另外,所述碳纳米管复合导线在使用时,即使所述金属层被高温熔断,由于碳纳米管具有良好的耐热性能,所述碳纳米管单纱也不会轻易断路,从而还可以使所述碳纳米管复合导线保持通路状态,进而提高所述碳纳米管复合导线的耐用性,延长了热线的使用寿命以及热线风速仪的使用寿命。
所述热线风速仪100在使用时,将探测元件200置于待测流场中,即风力场。探测元件200通过热线102获得信号,并将信号传输给信号放大器300。信号放大器300将探测元件200所感测到的信号进行放大,然后再传递给信号处理器400。信号处理器400将信号进行处理计算之后,可以得到待测流场的流速,并通过显示装置500显示出来。
另外,本领域技术人员还可以在本发明精神内做其它变化,这些依据本发明精神所做的变化,都应包含在本发明所要求保护的范围内。
Claims (12)
1.一种热线风速仪,包括一探测元件、一信号放大器及一信号处理器,所述探测元件、信号放大器与信号处理器之间相互电连接,所述信号放大器用于接收探测元件的信号并将信号放大;所述信号处理器用于将信号放大器产生的信号进行计算和处理;所述探测元件包括一热线,该热线为一碳纳米管复合导线,其特征在于,所述碳纳米管复合导线包括:
一碳纳米管单纱,该碳纳米管单纱由多个碳纳米管沿该碳纳米管单纱轴向旋转加捻构成,该碳纳米管单纱的捻度为10转/厘米到300转/厘米,该碳纳米管单纱的直径为50纳米到30微米;以及
一金属层,包覆于所述碳纳米管单纱的外表面,该金属层厚度为50纳米到5微米。
2.如权利要求1所述的热线风速仪,其特征在于,所述探测元件进一步包括两个导电支撑杆及一支撑座,所述导电支撑杆包括一第一端及一第二端,两个导电支撑杆通过所述支撑座固定,两个导电支撑杆的第一端从支撑座的一端延伸出且相互间隔设置,所述热线的两端分别固定于两个导电支撑杆的第一端。
3.如权利要求1所述的热线风速仪,其特征在于,所述碳纳米管复合导线通过两个导电支撑杆的两端悬空设置。
4.如权利要求1所述的热线风速仪,其特征在于,所述碳纳米管复合导线的直径小于等于10微米。
5.如权利要求1所述的热线风速仪,其特征在于,当所述碳纳米管单纱的直径小于10微米时,所述碳纳米管单纱的捻度为250转/厘米到300转/厘米。
6.如权利要求1所述的热线风速仪,其特征在于,当所述碳纳米管单纱的直径为25微米到30微米时,所述碳纳米管单纱的捻度为100转/厘米到150转/厘米。
7.如权利要求1所述的热线风速仪,其特征在于,所述碳纳米管单纱中的多个碳纳米管通过范德华力紧密结合。
8.如权利要求1所述的热线风速仪,其特征在于,所述碳纳米管单纱中的多个碳纳米管基本平行排列且沿该碳纳米管单纱轴向呈螺旋状延伸。
9.如权利要求8所述的热线风速仪,其特征在于,所述多个碳纳米管中在延伸方向上相邻的两个碳纳米管之间通过范德华力首尾相连。
10.如权利要求8所述的热线风速仪,其特征在于,所述多个碳纳米管中沿碳纳米管的径向方向相邻的两个碳纳米管之间的间距小于等于10纳米。
11.如权利要求8所述的热线风速仪,其特征在于,所述多个碳纳米管中沿碳纳米管的径向方向上相邻的两个碳纳米管之间的间距小于等于5纳米。
12.如权利要求1所述的热线风速仪,其特征在于,所述碳纳米管单纱具有光滑且致密的表面结构。
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