CN108802421B - 一种仿生流速传感器 - Google Patents
一种仿生流速传感器 Download PDFInfo
- Publication number
- CN108802421B CN108802421B CN201810843814.XA CN201810843814A CN108802421B CN 108802421 B CN108802421 B CN 108802421B CN 201810843814 A CN201810843814 A CN 201810843814A CN 108802421 B CN108802421 B CN 108802421B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- cantilever beam
- flow sensor
- pressure drag
- bionical
- pedestal
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
- G01P5/00—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
- G01P5/08—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring variation of an electric variable directly affected by the flow, e.g. by using dynamo-electric effect
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measuring Pulse, Heart Rate, Blood Pressure Or Blood Flow (AREA)
- Indicating Or Recording The Presence, Absence, Or Direction Of Movement (AREA)
Abstract
本发明公开了一种仿生流速传感器。所述仿生流速传感器是基于缨小蜂的翅膀形态仿生得到的，包括：基座、压阻单元、信号引线以及悬臂梁；所述悬臂梁固定在所述基座上；所述悬臂梁的两侧分布有梳齿状纤毛；所述压阻单元固定在所述悬臂梁上，且与所述基座相接触；所述信号引线固定在所述基座上，且与所述压阻单元相连接，所述压阻单元由所述信号引线将所述压阻单元的电阻信号输出。采用本发明所提供的仿生流速传感器能够提高流速传感器的灵敏度，以提高流速测量的测量精度。
Description
技术领域
本发明涉及流速测量技术领域，特别是涉及一种仿生流速传感器。
背景技术
流速传感器是感知外界流场变化信息不可或缺的手段，低雷诺数(Re<10)下的微流场的精确检测有着重要的意义，目前的机械式传感器一般为由金属探头探测温度以测量流速、以涡轮内改变线圈的磁通量以测量流速或用多次摄像以记录流场中粒子的位置，并分析摄得的图像从而测出流动速度，而上述机械式传感器只适用于普通流速场，而对于低雷诺数下的微流场来说，检测流速时灵敏度较低。
发明内容
本发明的目的是提供一种仿生流速传感器，以解决机械式传感器精度低、灵敏度差的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种仿生流速传感器，所述仿生流速传感器是基于缨小蜂的翅膀形态仿生得到的，包括：基座、压阻单元、信号引线以及悬臂梁；
所述悬臂梁固定在所述基座上；所述悬臂梁的两侧分布有梳齿状纤毛；
所述压阻单元固定在所述悬臂梁上，且与所述基座相接触；
所述信号引线固定在所述基座上，且与所述压阻单元相连接，所述压阻单元由所述信号引线将所述压阻单元的电阻信号输出。
可选的，所述悬臂梁与所述基座相互垂直。
可选的，所述悬臂梁为中空形态；所述梳齿状纤毛分布在所述悬臂梁的两侧的内壁或所述悬臂梁的两侧的外壁上。
可选的，所述梳齿状纤毛具有多条；所述悬臂梁的两侧所分布的所述梳齿状纤毛对称分布。
可选的，所述梳齿状纤毛的宽度小于2微米，相邻的所述梳齿状纤毛之间的间隙为所述宽度的5～10倍。
可选的，所述梳齿状纤毛的长度相同。
可选的，所述仿生流速传感器还包括：参考压阻单元以及参考信号引线；
所述参考压阻单元与所述参考信号引线相连接且均设于所述基座上；
所述参考信号引线与所述信号引线相互平行。
可选的，多个所述仿生流速传感器构成仿生流速传感器阵列。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提出了一种仿生流速传感器，基于缨小蜂的翅膀形态得到该仿生流速传感器，缨小蜂的翅膀形态为梳子翼，本发明基于缨小蜂的翅膀形态设置悬梁臂，且在所述悬臂梁的两侧分布有梳齿状纤毛，构造缨小蜂的翅膀形态，当有微小流场流过时，流场与分布有梳齿状纤毛的悬臂梁发生流固耦合作用，由于悬梁臂所具有梳齿状纤毛，悬梁臂在惯性力和梳子翼纤毛间的粘性力的作用下，沿着流场流动方向发生弯曲偏移，相比没有梳齿状纤毛的传统悬臂梁来说，受到的阻力更大，压阻单元应力变化更加明显，因此，本发明所提供的仿生流速传感器具有更高的灵敏度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的缨小蜂的翅膀形态-梳子翼的形态示意图；
图2为本发明所提供的低雷诺数下梳子翼结构对流场阻塞作用示意图；
图3为本发明所提供的低雷诺数下梳子翼结构对流场阻塞仿真结果示意图；
图4为本发明所提供的仿生流速传感器结构图；
图5为本发明所提供的梳子翼结构悬臂梁在流程下的变形仿真图；
图6为本发明所提供的与图5所提供的梳子翼结构悬臂梁等面积普通悬臂梁(无梳子翼结构)在相同流场下的变形仿真图；
图7为本发明所提供的另一种仿生流速传感器结构图；
图8为本发明所提供的仿生流速传感器阵列示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种仿生流速传感器，该仿生流速传感器具有高灵敏度，能够提高在低雷诺数下的微流场内流速的测量精度。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
生物在几亿年的繁衍生息中进化出了很多奇特的结构，给我们提供了很多的灵感。如图1-图3所示，缨小蜂是一种体长不超过1毫米的寄生蜂，其翅膀边缘不再是膜翅，而是分布着很多细长的纤毛。这些纤毛之间距离很近，而且有着较大的刚度。这种翅膀形态我们称之为梳子翼，研究表明，在低雷诺数(Re<10)下，由于空气粘性力的作用以及边界层效应，梳子翼结构可以看成一个连续的平面，在保证足够升力的基础上，能够有效的减小自身重量，提高飞行效率。
图4为本发明所提供的仿生流速传感器结构图，如图4所示，一种仿生流速传感器，所述仿生流速传感器是基于缨小蜂的翅膀形态仿生得到的，包括：基座1、压阻单元2、信号引线3以及悬臂梁4；所述悬臂梁4固定在所述基座1上；所述悬臂梁4的两侧分布有梳齿状纤毛5，构成梳子翼结构；所述压阻单元2固定在所述悬臂梁4上，且与所述基座1相接触；即：压阻单元2位于悬臂梁4根部；所述的压阻单元2，位于悬臂梁4的根部，随着悬臂梁4的受力而发生应力变化，从而导致电阻的变化；所述信号引线3固定在所述基座1上，且与所述压阻单元2相连接，所述压阻单元2由所述信号引线3将所述压阻单元2的电阻信号输出；所述的信号引线3分别由压阻单元2的两侧引出，用于传导电信号。当流场作用于悬臂梁4时，由于流固耦合的作用，悬臂梁4受力，位于悬臂梁4根部的压阻单元2受到拉应力或压应力，从而电阻值发生变化。变化的电阻通过信号引线3连接到处理电路中，从而通过检测电信号的变化得出流场流速信息，从而实现流速的测量。
本发明所提供的流速传感器将周围布满梳子翼毛的悬臂梁4作为流固耦合单元，模仿缨小蜂梳子翼结构设计的，如图5-图6所示，有梳子翼比无梳子翼有更大的变形，能够在低雷诺数下对流场产生阻塞作用，相对于等面积的普通矩形悬臂梁4获得更大的阻力，可以发生更大的形变，从而具有更高的流速灵敏度。
在实际应用中，所述悬臂梁4与所述基座1相互垂直；所述悬臂梁4为中空形态；所述梳齿状纤毛5分布在所述悬臂梁4的两侧的内壁或所述悬臂梁4的两侧的外壁上；所述梳齿状纤毛5具有多条；图7为本发明所提供的另一种仿生流速传感器结构图，如图7所示，所述悬臂梁4的两侧所分布的所述梳齿状纤毛5对称分布；所述梳齿状纤毛5的宽度小于2微米，相邻的所述梳齿状纤毛5之间的间隙为所述宽度的5～10倍；所述梳齿状纤毛5的长度相同；所述仿生流速传感器还包括：参考压阻单元6以及参考信号引线7；所述参考压阻单元6与所述参考信号引线7相连接且均设于所述基座1上；所述参考信号引线7与所述信号引线3相互平行；图8为本发明所提供的仿生流速传感器阵列示意图，如图8所示，多个所述仿生流速传感器构成仿生流速传感器阵列。
当有微小流场流过时，流场与仿生梳子翼悬臂梁发生流固耦合作用，悬臂梁在惯性力和梳子翼纤毛间的粘性力的作用下，沿着流场流动方向发生弯曲偏移。从而导致悬臂梁根部的压阻单元应力发生变化，从而使电阻发生变化，将流速信号转变为电路中的变化的电信号，从而得到流场的流速信息。
梳子翼结构的悬臂梁相比于传统悬臂梁，在等表面积(体积)、相同流场流速的前提下，梳子翼悬臂梁在流固耦合作用下能够受到更大的阻力，因此具有更高的灵敏度。
在低雷诺数下，当气流流过梳子翼结构时，由于边界层效应和空气粘性力的作用，梳子翼对气流有阻塞作用，气流无法全部从间隙流过，梳子翼可以看成是一个连续平板结构，从而增大受到的阻力，达到提高传感灵敏度的目的。
其中，雷诺数计算公式为：
其中，ρ为流体密度，U为流速，D为纤毛当量直径，v为流体的运动粘度。
本发明提供的基于缨小蜂梳子翼结构的仿生流速传感器具有以下有益效果：
(1)本发明提供一种基于缨小蜂梳子翼结构的仿生流速传感器，悬梁臂具有梳齿状纤毛5，在低雷诺数下，所述悬梁臂能够有效的增大流固耦合中所受的阻力，从而达到提高灵敏度的目的。
(2)本发明提供的压阻单元2位于悬臂梁4的根部，受力比较明显，且有较好的稳定性和可靠性。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (7)
1.一种仿生流速传感器，其特征在于，所述仿生流速传感器是基于缨小蜂的翅膀形态仿生得到的，包括：基座、压阻单元、信号引线以及悬臂梁；
所述悬臂梁固定在所述基座上；所述悬臂梁的两侧分布有梳齿状纤毛；所述梳齿状纤毛的宽度小于2微米，相邻的所述梳齿状纤毛之间的间隙为所述宽度的5～10倍；
所述压阻单元固定在所述悬臂梁上，且与所述基座相接触；
所述信号引线固定在所述基座上，且与所述压阻单元相连接，所述压阻单元由所述信号引线将所述压阻单元的电阻信号输出。
2.根据权利要求1所述的仿生流速传感器，其特征在于，所述悬臂梁与所述基座相互垂直。
3.根据权利要求1所述的仿生流速传感器，其特征在于，所述悬臂梁为中空形态；所述梳齿状纤毛分布在所述悬臂梁的两侧的内壁或所述悬臂梁的两侧的外壁上。
4.根据权利要求3所述的仿生流速传感器，其特征在于，所述梳齿状纤毛具有多条；所述悬臂梁的两侧所分布的所述梳齿状纤毛对称分布。
5.根据权利要求3所述的仿生流速传感器，其特征在于，所述梳齿状纤毛的长度相同。
6.根据权利要求3所述的仿生流速传感器，其特征在于，所述仿生流速传感器还包括：参考压阻单元以及参考信号引线；
所述参考压阻单元与所述参考信号引线相连接且均设于所述基座上；
所述参考信号引线与所述信号引线相互平行。
7.根据权利要求6所述的仿生流速传感器，其特征在于，多个所述仿生流速传感器构成仿生流速传感器阵列。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201810843814.XA CN108802421B (zh) | 2018-07-27 | 2018-07-27 | 一种仿生流速传感器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201810843814.XA CN108802421B (zh) | 2018-07-27 | 2018-07-27 | 一种仿生流速传感器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN108802421A CN108802421A (zh) | 2018-11-13 |
| CN108802421B true CN108802421B (zh) | 2019-08-16 |
Family
ID=64078459
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201810843814.XA Active CN108802421B (zh) | 2018-07-27 | 2018-07-27 | 一种仿生流速传感器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN108802421B (zh) |
Families Citing this family (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110657838B (zh) * | 2019-10-10 | 2020-09-01 | 北京航空航天大学 | 一种动压流速复合传感器 |
| CN111208316B (zh) * | 2020-02-24 | 2021-04-20 | 吉林大学 | 一种仿生气流全向感知柔性传感器及其制备方法 |
| CN111208315B (zh) * | 2020-02-24 | 2022-02-01 | 吉林大学 | 一种仿生毛状气流流速传感器及其制备方法 |
| CN111474381B (zh) * | 2020-04-27 | 2021-06-01 | 吉林大学 | 含有仿生十字梁传感器的空气流速传感装置及其制备方法 |
| CN111965384B (zh) * | 2020-08-03 | 2022-08-12 | 上海交通大学 | 基于双稳态势能调节的仿生纤毛微传感器及其制备方法 |
| CN112202366B (zh) * | 2020-10-29 | 2021-10-08 | 吉林大学 | 一种低频超低风速柔性风电转换器及其制备方法 |
| CN113189365B (zh) * | 2021-03-05 | 2023-03-21 | 南方科技大学 | 一种流场传感装置和水下机器人 |
| CN113091993B (zh) * | 2021-03-23 | 2022-05-17 | 北京航空航天大学 | 一种多级悬臂梁结构及其仿生压差传感器 |
| CN114323147A (zh) * | 2021-12-30 | 2022-04-12 | 西安交通大学 | 一种具有高灵敏度的水下仿生侧线结构 |
| GB2620729A (en) * | 2022-06-24 | 2024-01-24 | Stellar Advanced Concepts Ltd | Sensor for sensing fluid flow, touch and/or vibration |
Family Cites Families (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE3679663D1 (de) * | 1986-01-07 | 1991-07-11 | Emi Plc Thorn | Druckempfindlicher durchflusssensor. |
| JPH11326350A (ja) * | 1998-05-13 | 1999-11-26 | Canon Inc | カンチレバー型プローブ、それによって構成したマルチ化プローブおよび走査型プローブ顕微鏡 |
| AU2209100A (en) * | 1998-12-28 | 2000-07-31 | Raytheon Company | Fluid flow sensor |
| CA2445464C (en) * | 2001-05-23 | 2008-08-05 | The Board Of Trustees Of The University Of Illinois | Raised on-chip inductor and method of manufacturing same |
| US7434476B2 (en) * | 2003-05-07 | 2008-10-14 | Califronia Institute Of Technology | Metallic thin film piezoresistive transduction in micromechanical and nanomechanical devices and its application in self-sensing SPM probes |
| EP1634052A4 (en) * | 2003-06-06 | 2008-04-30 | Univ Illinois | DETECTION CHIP AND APPARATUS FOR TOUCH DETECTION AND / OR FLOW |
| US7644624B2 (en) * | 2004-06-04 | 2010-01-12 | The Board Of Trustees Of The University Of Illinois | Artificial lateral line |
| CN1851472A (zh) * | 2006-05-29 | 2006-10-25 | 东南大学 | 基于微机械技术的压阻非热式流速流向传感器 |
| US7661319B2 (en) * | 2006-06-02 | 2010-02-16 | The Board Of Trustees Of The University Of Illinois | Micromachined artificial haircell |
| CN106645793B (zh) * | 2017-02-23 | 2019-01-29 | 北京航空航天大学 | 一种基于聚合物光波导的流速传感器 |
-
2018
- 2018-07-27 CN CN201810843814.XA patent/CN108802421B/zh active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN108802421A (zh) | 2018-11-13 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN108802421B (zh) | 一种仿生流速传感器 | |
| Norberg et al. | Turbulence and Reynolds number effects on the flow and fluid forces on a single cylinder in cross flow | |
| CN205608019U (zh) | 一种仿水黾感觉毛传感器测量装置 | |
| Nguyen et al. | MEMS capacitive flow sensor for natural gas pipelines | |
| Herzog et al. | Micro-machined flow sensors mimicking lateral line canal neuromasts | |
| US7392710B1 (en) | Flow meter probe with force sensors | |
| CN106872724A (zh) | 一种毛缝结合的仿生气体流速传感器 | |
| CN109613297A (zh) | 一种流速、流向检测装置 | |
| CN108593956A (zh) | 双模式微流速计及其制备方法 | |
| CN106568569A (zh) | 一种mems二维湍流传感器结构及其制备方法 | |
| CN105445490A (zh) | 一种智能仿生传感器 | |
| CN105424969B (zh) | 一种磁式类蝎子蛊毛流速流向传感器 | |
| CN101769935B (zh) | 一种基于一维纳米材料的热线式流速传感器及测试系统 | |
| CN109489745B (zh) | 一种基于数据迭代的流量计量方法 | |
| Ma et al. | A MEMS-based flow rate and flow direction sensing platform with integrated temperature compensation scheme | |
| Yang et al. | High-sensitivity lollipop-shaped cilia sensor for ocean turbulence measurement | |
| Li et al. | A novel five-wire micro anemometer with 3D directionality for low speed air flow detection and acoustic particle velocity detecting capability | |
| US3964306A (en) | System for measuring Reynolds in a turbulently flowing fluid | |
| Bai et al. | A carbon nanotube sensor for wall shear stress measurement | |
| Abels et al. | Bidirectional biomimetic flow sensing with antiparallel and curved artificial hair sensors | |
| CN208060548U (zh) | 双模式微流速计 | |
| US3212329A (en) | Fluid-flow force and/or direction measuring apparatus and method | |
| Ma et al. | A MEMS surface fence for wall shear stress measurement with high sensitivity | |
| Chen et al. | Design of an array of piezoresistive airflow sensors based on pressure loading mode for simultaneous detection of airflow velocity and direction | |
| Barbier et al. | Design, fabrication and testing of a bioinspired hybrid hair-like fluid motion sensor array |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |