CN109470406A - 用于壁面剪应力微传感器的空气中静态标定系统 - Google Patents

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CN109470406A CN201811081459.3A CN201811081459A CN109470406A CN 109470406 A CN109470406 A CN 109470406A CN 201811081459 A CN201811081459 A CN 201811081459A CN 109470406 A CN109470406 A CN 109470406A
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马炳和
苑伟政
邓进军
罗剑
郑少军
严宇超
陈润博
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L27/00—Testing or calibrating of apparatus for measuring fluid pressure
    • G01L27/002—Calibrating, i.e. establishing true relation between transducer output value and value to be measured, zeroing, linearising or span error determination

Abstract

本发明涉及一种用于壁面剪应力微传感器的空气中静态标定系统，包括：微型压差管道(8)，通过进气管道(3)与气源装置(1)连接，以及所述微型压差管道(8)通过多个压力测量管道(5)与压力测量系统(4)连接，所述微型压差管道(8)与出其管道(7)连接。所述标定系统具有小型化、方便携带的特点，并且能够适用于多个柔性热膜剪应力微传感器和浮动式剪应力微传感器的空气中静态标定。

Description

用于壁面剪应力微传感器的空气中静态标定系统
技术领域
本发明属于流体力学领域，具体涉及一种用于壁面剪应力微传感器的空气中静态标定系统。
背景技术
流体流过物体表面所产生的剪切应力即为流体壁面剪应力，流体壁面剪应力是研究边界层流动状态的重要物理量，同时也是掌握与控制壁面摩擦阻力的重要依据。在航空、航天等领域，流体壁面剪应力的研究对先进航空航天飞行器减阻降噪设计、高机动性能优化设计具有重要意义。
相比于普林斯顿管、双向隔板等传统的剪应力测量装置，柔性热膜剪应力微传感器、浮动式剪应力微传感器等微传感器具有柔性化、几何尺度小、多点阵列、高动态性等特点。流体壁面剪应力的标定是实现该类传感器测量的前提。
常用的空气中静态标定系统包括平板模型标定系统和旋转运动标定系统，但是平板模型标定系统需要依托于风洞，且平板边界层的流场状态不易控制；旋转运动标定系统产生的剪应力范围较小,其流场状态复杂,主要取用平均效应。
现有的用于剪应力微传感器的标定装置的体积很大，需要占据这个房间，运行起来噪声很大，而且固定不能移动，也不能同时用于传感器数量较多时的标定。
因此设计一种小型化、方便携带且适用于多个柔性热膜剪应力微传感器和浮动式剪应力微传感器的空气中静态标定系统具有重要意义。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种用于壁面剪应力微传感器的空气中静态标定系统。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本申请提供了一种用于壁面剪应力微传感器的空气中静态标定系统，包括：微型压差管道8，通过进气管道3与气源装置1连接，以及微型压差管道8通过多个压力测量管道5与压力测量系统4连接，微型压差管道8与出其管道7连接。
在一个优选例中，进气管道3上设置有主阀门2。
在一个优选例中，各压力测量管道5上分别设置有压力测量管道开关阀6。
在一个优选例中，压力测量系统4包括上位机和压力扫描阀，压力扫描阀与多个压力测量管道5连接，用于测量微型压差管道8中不同位置的压力损失；压力扫描阀与上位机连接。
在一个优选例中，气源装置1包括空气压缩机。
在一个优选例中，气源装置1还包括储气罐，储气罐与空气压缩机之间采用多孔连接，储气罐的输出端与进气管道3连接。
在一个优选例中，微型压差管道8中设置有浮动式剪应力微传感器802。
在一个优选例中，微型压差管道8中设置有柔性热膜剪应力微传感器805。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本申请提供了一种便携的微型化空气中静态标定系统，该标定系统能够同时应用于柔性热膜剪应力微传感器的静态标定和浮动式剪应力微传感器的静态标定。
进一步地，标定系统能够用于不同场合的剪应力标定，在使用地点具有供气罐的情况下便可进行剪应力标定。
进一步地，由于微型压差管道中产生的空气中壁面剪应力与微型压差管道中的沿程压差存在直接关系，单位时间内空气流量的稳定性尤为重要，因此本系统中采用空气压缩机结合供气管进行供气，并在储气罐的出口处主阀门控制气体流量，能够使空气介质在高流速下保持长时间的稳定性。
进一步地，所述标定系统采用上位机作为压力测量系统，能够准确获得不同流速的气流；并且微型压差管道中的流体在低雷诺数、层流状态下边界层流动平稳，从而得到精密可控的标准大量程剪应力输入，在输入已知的情况下根据传感器检测电路的输出建立输出信号与剪应力一一对应的关系，以应用于剪应力的实际测量。并且该标定系统能够标定更多的柔性热膜传感器和浮动传感器，只需要改动微型压差管道的尺寸即可，能够降低经济成本。
可以理解，在本发明范围内中，本发明的上述各技术特征和在下文(如实施方式和例子)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。
附图说明
图1为本发明实施方式中一种用于壁面剪应力微传感器的空气中静态标定系统的结构示意图；
图2为本发明实施方式中一种微型压差管道的结构示意图；
图3为本发明实施方式中一种气源装置的结构示意图；
图4为本发明实施方式中一种压力测量系统的结构示意图；
附图标记：
气源装置1
主阀门2
进气管道3
压力测量系统4
压力测量管道5
压力测量管道开关阀6
出气管道7
微型压差管道8
进气孔801
浮动式剪应力微传感器802
压力测量孔803
出气孔804
柔性热膜剪应力微传感器805
具体实施方式
在以下的叙述中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，本领域的普通技术人员可以理解，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
本申请的第一实施方式涉及一种用于壁面剪应力微传感器的空气中静态标定系统，图1为本发明实施方式中一种用于壁面剪应力微传感器的空气中静态标定系统的结构图。如图1所示，该标定系统包括：
微型压差管道8，通过进气管道3与气源装置1连接，以及微型压差管道8通过多个压力测量管道5与压力测量系统4连接，微型压差管道8与出气管道7连接。
在一个实施例中，压力测量系统4包括上位机和压力扫描阀，压力扫描阀与多个压力测量管道5连接，用于测量微型压差管道(8)中不同位置的压力损失；压力扫描阀与上位机连接，上位机根据剪应力与电压值建立起传感器输出电压和剪应力的对应关系，从而实现空气中静态标定。
在一个实施例中，气源装置1用于提供稳定的气流量和充足的气源。优选的，气源装置1包括空气压缩机。
在一个实施例中，气源装置1还包括储气罐，储气罐与空气压缩机之间采用多孔连接，储气罐的输出端与进气管道3连接。储气罐给该标定系统供气，当储气罐中气源不足时，进气管道3中的主阀门2关闭，压缩机给储气罐供气，当储气罐中的压强达到预设值时压缩机停止供气，此时主阀门2打开，储气罐继续给该标定系统供气。
在一个实施例中，微型压差管道8包括：进气孔801，与进气管道3连接；多个压力测量孔803，与多个压力测量管道5连接；出气孔804，与出气管道7连接。
在一个实施例中，进气管道3上设置有主阀门2，各压力测量管道5上设置有压力测量管道开关阀6。
在一个实施例中，多个压力测量孔803，通过使用不同压力的测量孔，能够测量较大范围的沿程压力损失，从而得到大量程剪应力。
在一个实施例中，微型压差管道8包括浮动式剪应力微传感器802，设置于微型压差管道8的底面位置。可选地，浮动式剪应力微传感器802可以是一个，也可以是多个。
在另一实施例中，微型压差管道8包括柔性热膜剪应力微传感器805，贴敷于微型压差管道8的底面位置。可选地，柔性热膜剪应力微传感器805可以是一个，也可以是多个。
在一个实施例中，压力扫描阀与上位机的连接方式可以采用串口通讯连接，也可以采用无线连接，例如WiFi无线模块。
在本申请所述的标定系统的一个应用示例中，所述微传感器为浮动式剪应力微传感器，浮动式剪应力微传感器是采用半导体技术工艺加工的具有弹性梁的梳齿电容结构器件，浮动式剪应力微传感器对流体壁面剪应力的测量是直接测量，其工作原理如下：
流体流经浮动式剪应力微传感器的表面时，剪切应力会使弹性梳齿结构移动，使得梳齿之间的间距改变，引起电容改变，对应的输出电压也会改变，这样就建立起了输出电压和剪应力的关系，流体的一个流速对应一个剪应力，也就对应一个电压值，流速从小到大依次变化，传感器输出电压也会依次有不同的值。以剪应力为横坐标，以电压值为纵坐标，拟合出一条关系曲线，建立起传感器输出电压和剪应力的对应关系，从而实现空气中静态标定。
在本申请所述的标定系统的一个应用示例中，所述微传感器为热膜剪应力微传感器，柔性热膜剪应力微传感器对流体壁面剪影力的测量是间接测量，其工作原理如下：
利用强制热交换的工作原理，驱动电流流过传感器会使敏感单元加热，流体流过传感器敏感单元时，带走一定的热量，不同流速的流体带走的热量不同，敏感单元的电阻也会改变，传感器输出电压也会随之改变。
剪应力计算依据的是Knight公式：h表示微型压差管道高度，Δp表示测压孔之间的压力差，ΔL表示测压孔之间的距离，即测压孔间距，一个流速对应一个剪应力，一个剪应力对应一个传感器输出电压，流速从小打大，剪应力也从小到大，也会得到一系列传感器输出电压值，也就建立起剪应力和传感器输出电压之间一一对应的关系，拟合出关系曲线，从而实现空气中柔性热膜传感器的静态标定
需要说明的是，在本申请文件中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。本专利的申请文件中，如果提到根据某要素执行某行为，则是指至少根据该要素执行该行为的意思，其中包括了两种情况：仅根据该要素执行该行为、和根据该要素和其它要素执行该行为。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种用于壁面剪应力微传感器的空气中静态标定系统，其特征在于，包括：微型压差管道(8)，通过进气管道(3)与气源装置(1)连接，以及所述微型压差管道(8)通过多个压力测量管道(5)与压力测量系统(4)连接，所述微型压差管道(8)与出气管道(7)连接。
2.根据权利要求1所述的用于壁面剪应力微传感器的空气中静态标定系统，其特征在于，所述进气管道(3)上设置有主阀门(2)。
3.根据权利要求1所述的用于壁面剪应力微传感器的空气中静态标定系统，其特征在于，各压力测量管道(5)上分别设置有压力测量管道开关阀(6)。
4.根据权利要求1所述的用于壁面剪应力微传感器的空气中静态标定系统，其特征在于，所述压力测量系统(4)包括上位机和压力扫描阀，所述压力扫描阀与所述多个压力测量管道(5)连接，用于测量微型压差管道(8)中不同位置的压力损失；所述压力扫描阀与所述上位机连接。
5.根据权利要求1所述的用于壁面剪应力微传感器的空气中静态标定系统，其特征在于，所述气源装置(1)包括空气压缩机。
6.根据权利要求5所述的用于壁面剪应力微传感器的空气中静态标定系统，其特征在于，所述气源装置(1)还包括储气罐，所述储气罐与所述空气压缩机之间采用多孔连接，所述储气罐的输出端与所述进气管道(3)连接。
7.根据权利要求1所述的用于壁面剪应力微传感器的空气中静态标定系统，其特征在于，所述微型压差管道(8)中设置有浮动式剪应力微传感器(802)。
8.根据权利要求1所述的用于壁面剪应力微传感器的空气中静态标定系统，其特征在于，所述微型压差管道(8)中设置有柔性热膜剪应力微传感器(805)。
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