CN113932951A - 基于压力温度复合场的实时测量薄膜传感器和测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于压力温度复合场的实时测量薄膜传感器和测量系统，该薄膜传感器包括：封装薄膜；设置于封装薄膜内部用于提高传感器测量元件敏感度的电传导薄膜组合体；设置于所述电传感薄膜组合体之间的功能薄膜组合体，通过交错、密集的测点感知流体的静态压力变化、脉动压力变化以及温度变化，并将感知信号转换成电流信号，实时采集同一区域内流体产生的静态压力、脉动压力、温度以及产生流体信号变化的测点位置。本发明提供的薄膜传感器在不影响流场流动情况，能够实时更加精准地测量被测构件表面的静态压力场、脉动压力场分布及构件表面温度，为构件的优化及设计提供真实且准确的实验数据。

Description

基于压力温度复合场的实时测量薄膜传感器和测量系统

技术领域

本发明涉及测量技术领域，尤其涉及基于压力温度复合场的实时测量薄膜传感器和测量系统。

背景技术

一些机械构件在工作过程中，受到流体的静态压力。同时由于流体相对于机械构件的运动，出现不均匀也不稳定状态，从而导致机械构件受到流体相对运行过程中不均匀及不稳定属性带来的脉动压力。机械构件在工作过程中不可避免产生热量并传导给流体。综上可以看出，机械构件在工作过程中至少受到流体的静态压力、脉动压力以及温度等多因素耦合作用，从而造成负荷增加或者引发疲劳损伤等影响，引起所在机械系统故障，影响生产甚至人身安全。本申请发明人发现温度对传感器特性影响尤其突出，因此测量机械构件在工作过程中受到的静态压力、脉动压力及温度等参数，对诊断机械故障、预测构件寿命、提高测量准确等具有重要意义。

本申请发明人发现目前的传感器具有如下技术问题。

(1)现有传感器大多为单一功能的传感器，若将静态压力传感器、脉动压力传感器以及温度传感器进行机械的结合，则安装总面积过大，测量对象范围较窄、测点数量有限、无法实现阵列化测量，不能有效描述整个构件表面的压力与温度信息。

(2)现有传感器体积较大，安装在机械构件表面将会对构件表面流场产生严重影响，测量数据与实时会产生偏差。

(3)目前传感器均为在测量前进行传感器特性标定，忽略了传感器特性对温度变化的敏感性，因此测量数据无法反应真实情况。

基于上述技术问题，有必要设计一款静态压力、脉动压力、温度复合实时的薄膜传感器，从而测量构件在真实工作情况下实际流场对结构表面的静态压力与脉动压力场以及结构温度，对改善机械结构设计，提升机械性能具有重要意义。

发明内容

为解决上述技术问题，本申请实施例通过提供一种基于压力温度复合场的实时测量薄膜传感器和测量系统，实现了同一区域多种物理量同时测量，并且在有限的空间分布大量的测量点的技术方案，缩小传感器尺寸，提高测量精准度的有益效果。

第一方面，本申请提供了一种基于压力温度复合场的实时测量薄膜传感器，包括：

封装薄膜；

设置于所述封装薄膜内部用于提高传感器测量元件敏感度的电传导薄膜组合体；

设置于所述电传感薄膜组合体之间的功能薄膜组合体，通过交错、密集的测点感知流体的静态压力变化、脉动压力变化以及温度变化，并将感知信号转换成电流信号，实时采集同一区域内流体产生的静态压力、脉动压力及温度以及产生流体信号变化的测点位置。

进一步地，所述功能薄膜组合体包括安装基材，所述安装基材上阵列式排布有若干通孔，通过所述通孔镶嵌传感器测量元件，以感知流体的静态压力变化、脉动压力变化以及温度变化。

进一步地，所述电传导薄膜组合体包括：第一绝缘层、第二绝缘层以及电连接结构；通过所述第一绝缘层和所述第二绝缘层支撑所述电连接结构，并从不同方向降低流体热容以及环境红外热辐射对所述传感器测量元件的影响。

进一步地，所述电传导薄膜组合体还包括：电连接结构；所述电连接结构包括按照所述安装基材上的所述通孔位置布置的电极和引线，所述电极布置在所述第一绝缘层和所述第二绝缘层的内表面，以使所述第一绝缘层、所述第二绝缘层与所述基板连接时，所述电极与所述通孔中的所述传感器测量元件接触，在接收到感知信号后，通过所述引线引出。

进一步地，所述电极包括正电极，所述引线包括第一引线；所述正电极按照所述通孔位置电镀于所述第一绝缘层的内表面，且各所述正电极通过独立的所述第一引线引出。

进一步地，所述电极还包括负电极，所述引线包括第二引线；所述负电极按照所述通孔位置电镀于所述第二绝缘层的内表面，且相同传导功能的所述负电极通过同一个所述第二引线引出。

进一步地，静态压力测点和脉动压力测点在所述功能薄膜组合体中呈阵列式交错平铺布置。

进一步地，所述封装薄膜内表面还设有电磁屏蔽层。

进一步地，所述安装基材、所述第一绝缘层、所述第二绝缘层的尺寸形状一致。

第二方面，本申请提供了一种测量系统，包括：监控终端、信号调理器、薄膜传感器，所述薄膜传感器采用第一方面任意一项所述的基于压力温度复合场的实时测量薄膜传感器；所述信号调理器分别与所述监控终端、所述薄膜传感器电连接；

所述薄膜传感器固设于待测构件表面，在所述待测构件工作时，所述薄膜传感器将感知的静态压力、脉动压力及温度变化通过所述信号调理器传输给所述监控终端。

本申请实施例中提供的技术方案，至少具有如下技术效果：

1，本发明提供的薄膜传感器，可以在机械系统运转过程中，实时测量机械构件表面的静态压力场、脉动压力场分布及构件表面温度，且不影响机械构件表面的流场流动情况，从而能够测出更加真实准确地测量构件表面静态压力场、脉动压力场分布及构件表面温度，为后续机械构件结构优化与提升叶片设计水平提供真实而准确的实验数据。

2，由于静态压力测点、脉动压力测点布置成平铺阵列式，且各测点直接采用尺寸最小的测量元件，使测点具有尺寸小、厚度薄的特点，并且可以在薄膜中布置大量测点，更加准确的测得构件表面不同压力场分布情况，且通过屏蔽薄膜支撑测量元件，使输出信号中噪声小，提高薄膜传感器信噪比。

3，本发明中采用的薄膜传感器由于其厚度较薄，可以测量如旋转叶片表面等空间狭小位置构件表面的压力与温度信息，减小测量受空间影响的程度，因此测量范围广泛。

4.本发明的薄膜传感器内含有温度测点，可以实时测量薄膜传感器的工作温度，根据温度信息，实时修正薄膜传感器特性参数，从而使测量精度更加准确。

5.本发明提供的薄膜传感安装时无需破坏被测构件的外表面，用胶水直接将薄膜传感器粘在构件外表面即可，方便安装，对各类被测表面具有较好的贴合度。

附图说明

图1为本申请实施例一安装基材的结构示意图；

图2为本申请实施例一第一绝缘层的结构示意图；

图3为本申请实施例一第二绝缘层的结构示意图；

图4为本申请实施例一封装薄膜的结构示意图；

图5为本申请实施例一薄膜传感器整体结构示意图。

具体实施方式

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

实施例一

参考附图1-5所示，本申请实施例提供了一种基于压力温度复合场的实时测量薄膜传感器，该薄膜传感器固定在待测构件的表面，用于测量待测构件所受流体的物理量变化。物理量包括流体对被测构件的静态压力、脉动压力、温度影响等。

本实施例中的基于压力温度复合场的实时测量薄膜传感器，包括封装薄膜400；设置于封装薄膜400内部用于提高传感器测量元件敏感度的电传导薄膜组合体；设置于电传感薄膜组合体之间的功能薄膜组合体，通过交错、密集的测点感知流体的静态压力变化、脉动压力变化以及温度变化，并将感知信号转换成电流信号，实时采集同一区域内流体产生的静态压力、脉动压力、温度以及产生流体信号变化的测点位置。本实施例中的功能薄膜组合体中设有静态压力测点111、脉动压力测点121以及温度测点131。

本实施例中的功能薄膜组合体包括安装基材100，安装基材100上阵列式排布有若干通孔，通过通孔镶嵌传感器测量元件，以感知流体的静态压力、脉动压力以及温度的变化。本实施例中的安装基材100可选用具有柔性性能的胶材，比如，聚酰亚胺(Kapton)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、芳酰胺纤维纸(Nomex)和聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE)、聚酰亚胺(PI)等柔性聚合物材料，可以与平面、曲面进行贴合安装，并布置安装静态压力、脉动压力及温度等感知测量元件。进一步说明，安装基材排布的通孔镶嵌传感器测量元件后作为测点，测量通孔所在区域流体的压力或温度变化信息。本实施例中的安装基材根据静态压力、脉动压力及温度的测量需求开设相应的通孔，比如，静态压力通孔110根据静态压力测点111的数量、形状及尺寸需求，开设有相应数量、形状以及尺寸的通孔；脉动压力通孔120根据脉动压力测点121的数量、形状及尺寸需求，开设有相应数量、形状及尺寸的通孔；温度通孔130根据温度测点131的数量、形状及尺寸需求，开设有相应数量、形状及尺寸的通孔。

本实施例中各个通孔镶嵌的传感器测量元件为单一功能的测量材料，比如感知静态压力变化的传感器测量元件采用压阻材料、电容材料或压电材料，并且该类材料镶嵌于通孔中后，其厚度与安装基材相同；比如感知脉动压力变化的传感器测量元件采用压电材料，且该压电材料镶嵌于通孔中后，其厚度与安装基材相同；比如感知温度变化的传感器测量元件采用热敏材料，且该热敏材料镶嵌于通孔中后，其厚度与安装基材相同。当然本实施例中各种镶嵌材料也可以与安装基材不同，但是最厚不超过安装基材的厚度，从而可以确保传感器整体的厚度，以便测量元件更接近流体，从而提高测量的灵敏度。

为提高同一区域内的流体对被测构件表面的物理量的精准度，本实施例采用功能交错、密集布置的测点，即为每一个通孔作为一个静态压力或脉动压力或温度的测量点，测点与测点之间测量流体对被测构件表面不同的物理量。

在一种实施例中，静态压力测点111和脉动压力测点121在所述功能薄膜组合体中呈阵列式交错平铺布置。进一步说明，本实施例中静态压力的传感器测量元件与脉动压力的传感器测量元件在安装基材100的通孔中交错布置。通常对物体表面作用的压强称为压力，本实施例中的静态压力、脉动压力属于被测面压强的一种表现形式，利用公式：压强＝压力/作用力面积，可以看出，本实施例中利用压强来表示，通过压强来获取压力值。本实施例中利用阵列式排布的交错测点获取各个测点所在区域的实际得到的压力，从而得到整个测量区域的压强分布。为了保证测量的准确性，测点的测量元件的材料尽可能直接与流体接触，但是为保护测量元件的材料，测量元件与流体之间有一层可导热的绝缘层。本实施例中，将静态压力测点、脉动压力测点和温度测点平铺分开，而非叠加在一起，在不影响待测构件表面流场的情况下，测量实际流场，从而避免厚度过大影响流场以及测量的灵敏度。因此传感器设备整体以薄为主，优选采用阵列式平铺设计，以最小的厚度来减少设备对流场的影响，并且通过密集的测点获得精准的测量度。

在测量过程中，流体的静态压强将持续作用于静态压力测点111，静态压力测点111产生持续信号，而脉动压力测点121由于其材料限制，静态压强作用之后，无法产生持续信号，故脉动压力测点121无法测量静态压力，当流体的脉动压力作用于脉动压力测点121时，脉动压力测点121可以产生脉冲，可以测量流体脉动压力，静态压力测点111也能感受到脉冲，静态压力较大，脉冲被淹没，导致无法准确测量。本实施例中采用静态压力测点111和脉动压力测点121交错分布后，获取的测量信号，转换成压强，再通过插值等方式得到整个待测构件测量表面的压强分布。

进一步说明，本实施例中的温度测点131用于感知流体的温度信号，其中，未采用阵列式分布温度测点，而是以较少的温度测点，测量被测构件周围流体的环境温度，以便根据环境温度变化对一些测量元件或其他参数进行修正，并不是为了获取对被测构件表面流体的温度分布，因此采用一个温度测点也可以。本实施例中的温度测点通过将温度测量元件镶嵌在温度测量通孔130中后，通过温度测量引线510引出。

本实施例中将静态压力测点111和脉动压力测点121以阵列式平铺交错布置，使传感器设备整体比叠加布置的厚度低，因此在测量过程中减少影响被测构件表面流场，提高测量结果的准确度。由于测点较小，且不同物理量同时测量，通过阵列式排布测量，提高测量结果的空间分辨率。

本实施例中的电传导薄膜组合体包括：第一绝缘层210和第二绝缘层310。通过第一绝缘层210和第二绝缘层310从不同方向降低流体热容以及环境红外热辐射对传感器测量元件的影响。在一些实施例中，第一绝缘层、第二绝缘层可选用类似双面胶材料的胶层，既能绝缘又能实现连接功能，使两侧的安装件电性隔绝又能在物理硬件上连接，并且又能刻蚀电路。本实施例中的安装基材100设于第一绝缘层210和第二绝缘层310之间，且安装基材100、第一绝缘层210、第二绝缘层310的尺寸形状一致。封装薄膜400包裹第一绝缘层210、安装基材100以及第二绝缘层310。进一步说明，本实施例中的第一绝缘层210和第二绝缘层310采用绝缘材料制作。

本实施例中的电传导薄膜组合体还包括：电连接结构；电连接结构包括按照安装基材100上的通孔位置布置的电极和引线，电极布置在第一绝缘层210和第二绝缘层310的内表面，以使第一绝缘层210、第二绝缘层310与安装基材100连接时，电极与通孔中的传感器测量元件接触，在接收到感知信号后，通过引线引出。

在一种实施例中，电极包括正电极220，引线包括第一引线230；正电极220按照通孔位置电镀于第一绝缘层210的内表面，且各正电极220通过独立的第一引线230引出。进一步地，电极还包括负电极320，引线包括第二引线330；负电极320按照通孔位置电镀于第二绝缘层310的内表面，且相同传导功能的负电极320通过同一个第二引线330引出。

在一种实施例中，封装薄膜400内表面还设有电磁屏蔽层，使得内部电流信号传输互不影响，外部对内部达到电磁屏蔽的效果，避免流体的压力变化对薄膜传感器内的结构造成损坏。在一些实施例中，封装薄膜由于设置在薄膜传感器的最外层，用于保护薄膜传感器内部结构不被划伤、腐蚀以及短路，因此优选地，封装薄膜采用PET塑料等材料。封装薄膜内表面设置的电磁屏蔽层由于是为了屏蔽电磁信号，因此可采用铝类等柔性金属，既能屏蔽电磁信号，又能随安装基材适应性做弯曲贴合。并且本实施例中的安装基材100、第一绝缘层210、第二绝缘层310的尺寸形状一致。

实施例二

本申请实施例提供了一种测量系统，其特征在于，包括：监控终端、信号调理器、薄膜传感器，参考图5所示，薄膜传感器采用实施例一中的基于压力温度复合场的实时测量薄膜传感器；信号调理器分别与监控终端、薄膜传感器电连接；薄膜传感器固设于待测构件表面，在待测构件工作时，薄膜传感器将感知的静态压力、脉动压力及温度变化通过信号调理器传输给监控终端。

在一种实施例中，薄膜传感器通过高强度胶安装在待测构件的表面，并通过导线与信号调理器连接；待测构件所属的机械系统运行时，薄膜传感器中的静态压力测点将静态压力信号转化为电信号传输到信号调理器中，薄膜传感器中的动态压力测点将动态压力信号转化为电信号传输到信号调理器中，薄膜传感器中的温度测点将温度信号转化为电信号传输到信号调理器中；信号调理器对薄膜传感器输出的信号进行处理后传输给监控终端，监控终端根据温度信息实时修正薄膜传感器特性参数，并可视化显示信号变化过程以及信号关键特征。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.基于压力温度复合场的实时测量薄膜传感器，其特征在于，包括：

封装薄膜；

设置于所述封装薄膜内部用于提高传感器测量元件敏感度的电传导薄膜组合体；

设置于所述电传感薄膜组合体之间的功能薄膜组合体，通过交错、密集的测点感知流体的静态压力变化、脉动压力变化以及温度变化，并将感知信号转换成电流信号，实时采集同一区域内流体产生的静态压力、脉动压力、温度以及产生流体信号变化的测点位置。

2.如权利要求1所述的基于压力温度复合场的实时测量薄膜传感器，其特征在于，所述功能薄膜组合体包括安装基材，所述安装基材上阵列式排布有若干通孔，通过所述通孔镶嵌传感器测量元件，以感知流体的静态压力变化、脉动压力变化以及温度变化。

3.如权利要求2所述的基于压力温度复合场的实时测量薄膜传感器，其特征在于，所述电传导薄膜组合体包括：第一绝缘层、第二绝缘层以及电连接结构；通过所述第一绝缘层和所述第二绝缘层支撑所述电连接结构，并从不同方向降低流体热容以及环境红外热辐射对所述传感器测量元件的影响。

4.如权利要求3所述的基于压力温度复合场的实时测量薄膜传感器，其特征在于，所述电连接结构包括按照所述安装基材上的所述通孔位置布置的电极和引线，所述电极布置在所述第一绝缘层和所述第二绝缘层的内表面，以使所述第一绝缘层、所述第二绝缘层与所述基板连接时，所述电极与所述通孔中的所述传感器测量元件接触，在接收到感知信号后，通过所述引线引出。

5.如权利要求4所述的基于压力温度复合场的实时测量薄膜传感器，其特征在于，所述电极包括正电极，所述引线包括第一引线；所述正电极按照所述通孔位置电镀于所述第一绝缘层的内表面，且各所述正电极通过独立的所述第一引线引出。

6.如权利要求4所述的基于压力温度复合场的实时测量薄膜传感器，其特征在于，所述电极还包括负电极，所述引线包括第二引线；所述负电极按照所述通孔位置电镀于所述第二绝缘层的内表面，且相同传导功能的所述负电极通过同一个所述第二引线引出。

7.如权利要求1所述的基于压力温度复合场的实时测量薄膜传感器，其特征在于，静态压力测点和脉动压力测点在所述功能薄膜组合体中呈阵列式交错平铺布置。

8.如权利要求1所述的基于压力温度复合场的实时测量薄膜传感器，其特征在于，所述封装薄膜内表面还设有电磁屏蔽层。

9.如权利要求3所述的基于压力温度复合场的实时测量薄膜传感器，其特征在于，所述安装基材、所述第一绝缘层、所述第二绝缘层的尺寸形状一致。

10.一种测量系统，其特征在于，包括：监控终端、信号调理器、薄膜传感器，所述薄膜传感器采用权利要求1-9任意一项所述的基于压力温度复合场的实时测量薄膜传感器；所述信号调理器分别与所述监控终端、所述薄膜传感器电连接；

所述薄膜传感器固设于待测构件表面，在所述待测构件工作时，所述薄膜传感器将感知的静态压力、脉动压力及温度变化通过所述信号调理器传输给所述监控终端。

Images