CN114754969A - 一种基于柔性薄膜的扫描式测量装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于柔性薄膜的扫描式测量装置及测量方法，装置包括顶层薄膜和底层薄膜，所述顶层薄膜和底层薄膜上分别印刷有若干导电线路，在顶层薄膜与底层薄膜之间，顶层薄膜上的导电线路与底层薄膜上的导电线路投影在同一平面上，投影面上顶层薄膜的导电线路分别与底层薄膜的导电线路相互交叉，每一个交叉点处设置传感器，所述顶层薄膜、传感器、底层薄膜热熔为整体的测量薄膜。本发明因为柔性印刷电路工艺、离散压电薄膜掩模印刷工艺的空间分辨率很高；整个薄膜的空间分辨率小于1mm，远远高于传统的单点测量，采用了扫描式测量，其M×N个测量点的导线数量只有M+N条导线，远远小于传统单点测试方案的数量，极大的节约了空间。
Description
技术领域
本发明属于流体力学领域，具体涉及到风洞试验领域中试验模型的表面参数测量的一种基于柔性薄膜的扫描式测量装置及测量方法。
背景技术
物理参数的测量技术广泛应用于多种工业领域，尤其是整个表面的分布测量能更多的反应物理信息，因而在工业应用中有很大的需求。
传统的测量方式主要是对表面单点的测量，主要采用在测试表面打孔并安装传感器来测量当地的参数。这类单点的测试精度通常比较高。如果将该类方法用于整个表面的压力或温度测量，需要打很多的孔来安装相应的传感器，对传感器的电路布置给模型的结构设计带来很大的挑战。在风洞试验中，传感器的安装间距大约为5mm~10mm，其空间分辨率无法满足流场分析的要求。
技术人员提出采用敏感漆的光学测量技术，该技术事先在模型表面均匀喷涂敏感漆，试验时通过特殊光源（如激光，紫外线）照射物面，其中敏感漆材料受激发释放出特定波长的光（如荧光），该光的强度与当地的温度或压力相关，然后通过光学系统采集释放的光波并对其分析从而得到相应的温度或压力分布。这类方法虽能得到整个表面的温度、压力分布，但是技术复杂，受光路制约大，后期图像处理难度大，整体精度不高。
发明内容
本发明的目的是在现有的柔性薄膜技术的基础上，采用印刷电路工艺设计一种能基于表面的矩阵测量装置，实现对模型的曲面进行物理参数的测量。
为了实现上述的目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于柔性薄膜的扫描式测量装置，包括顶层薄膜和底层薄膜，所述顶层薄膜和底层薄膜上分别印刷有若干导电线路，
在顶层薄膜与底层薄膜之间，顶层薄膜上的导电线路与底层薄膜上的导电线路投影在同一平面上，投影面上顶层薄膜的导电线路分别与底层薄膜的导电线路相互交叉，每一个交叉点处设置传感器，所述顶层薄膜、传感器、底层薄膜热熔为整体的测量薄膜。
在上述技术方案中，所述顶层薄膜和底层薄膜上分别沿着相同方向印刷若干导电线路。
在上述技术方案中，所述底层薄膜与顶层薄膜的导电线路沿着相同方向进行交叉，传感器与交叉的导电线路构成网状结构。
在上述技术方案中，底层薄膜上相邻两根导电线路与顶层薄膜上相邻两根导电线路构成的四边形，四边形内镂空。
一种基于柔性薄膜的扫描式测量方法，包括以下步骤：
步骤一：将测量薄膜的顶层薄膜和底层薄膜上的导电线路通过连接排线输入到扫描数据采集卡；
步骤二：设定顶层薄膜上具有M根导电线路，底层薄膜上具有N根导电线路，其交叉点坐标为（M,N）；
步骤三：在一个周期内，通过控制电路对整个柔性薄膜上的M×N个节点进行输出信号的扫描，得到一组数据，
步骤四：对得到的M×N个输出信号建立相应的电路方程，并对其进行求解，得到每个节点测量参数的分布。
在上述技术方案中，将所述测量薄膜贴合在待测模型的曲面上，将所述连接排线、扫描数据采集卡设置在待测模型的内部，所述测量薄膜不破坏待测模型表面。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明采用了柔性薄膜技术，可以方便的实现对曲面上参数分布测量，
本发明因为柔性印刷电路工艺、离散压电薄膜掩模印刷工艺的空间分辨率很高（间距小于1mm）；因而整个薄膜的空间分辨率可以做到小于1mm，远远高于传统的单点测量，
本发明的测量原理与传统的传感器相同，其测量精度与传统传感器相当，
因为采用了扫描式测量，其M×N个测量点的导线数量只有M+N条导线，远远小于传统单点测试方案的数量，极大的节约了空间。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是扫描测压装置的结构示意图；
图2是压电薄膜局部示意图；
图3是扫描测温的结构示意图；
图4是测温薄膜的相对位置示意图；
图5是热电偶的局部示意图；
图6是表面模型的测量示意图；
其中：1是顶层薄膜，2是底层薄膜，3是压电薄膜，4是顶层排线，5是底层排线，6是顶层导电线，7是底层导电线，8是离散压电薄膜。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
实施例一
如图1和图2所示，是基于本发明技术方案的扫描式测压装置，包括顶层薄膜1、底层薄膜2和两者的中间层压电薄膜3，具体结构为：
所述顶层薄膜1和底层薄膜2均为软板，采用聚酯薄膜、聚酰亚胺薄膜、氟化乙丙烯薄膜制成的柔性印刷电路板，表面印刷有导电线路。顶层薄膜1和底层薄膜2的表面印刷的导电线方向不同，在本实施例中，假设在顶层薄膜1上沿着纬度印刷有M根横向纬线，在底层薄膜2上沿着经度印刷有N根纵向经线，那么纬线与经线的投影交叉点就可以用坐标点（m,n）来描述。
压电薄膜3是由若干个离散压电薄膜8组成的，在每一个纬线与经线的投影交叉点P处设置一个离散压电薄膜8，所有的离散压电薄膜8通过掩模板的方式印刷在底层薄膜2上，通过热熔压缩工艺将顶层薄膜1、层压电薄膜3、底层薄膜2热熔压缩后形成一整张压电膜，每个经纬节点处形成一个典型的三层压电单元。
实施例二
如图3、图5所示，是基于本发明技术方案的扫描式测温装置，包括顶层薄膜1、底层薄膜2，具体结构为：
所述顶层薄膜1和底层薄膜2均为软板，两者相互贴合后构成热电偶网膜，采用聚酯薄膜、聚酰亚胺薄膜、氟化乙丙烯薄膜制成的柔性印刷电路板，表面印刷有导电线路。顶层薄膜1和底层薄膜2的表面印刷的导电线方向不同，在本实施例中，假设在顶层薄膜1上沿着纬度印刷有M根横向纬线，在底层薄膜2上沿着经度印刷有N根纵向经线。
在本实施例中，导电线路是根据热电偶的特性采用特殊的金属材料印刷而成。其中金属材料的选取取决于测温范围和采用的热电偶的类型，例如采用T型热电偶（-40~350℃）就对应铜和康铜材料，K型热电偶（-40~1300℃）就对应镍铬和镍硅材料，本实施例以T型热电偶为例。
如图4所示，将顶层薄膜1和底层薄膜2上的导电线相对设置，然后将其进行热熔压缩后形成一整张热电偶网膜，每一个经线与纬线的交叉点P均为典型的铜-康铜T型热电偶单元。
对于实施例一和实施例二，具体的操作对象如图6所示，其测量过程包括以下过程：
步骤一：根据测量要求选用柔性薄膜，以风洞试验为应用场景说明，制备标准的20×20的柔性热电偶网膜或者柔性压电薄膜，其中各个上下层的导电线路间距为2mm。在实际应用中，在保证整个电路和排线完备的条件下可以将其裁剪成较小的网膜；
步骤二：将柔性网膜贴在待测曲面上，尽量与被测模型表面贴合以减小其对流场的影响，并将经纬排线穿过模型表面，进入模型内部；
步骤三：将顶层薄膜1上的M根横向纬线通过顶层排线4连接到扫描采集装置上，将底层薄膜2上的N根横向经线通过底层排线5连接到扫描采集装置上；
当薄膜为测压薄膜时，通过控制电路对整个面上的各个离散压电薄膜8进行输出信号的扫描；
当薄膜为测温薄膜时，通过控制电路对整个面上经纬线上的各个点的输出信号进行扫描；
步骤四：根据试验流场的基本参数预估各个节点的采集时间，从而确定整个网膜扫描周期时长，对网膜进行测试，完成实验准备；
步骤五：在一个扫描周期T内，对薄膜上多个节点的输出信号进行扫描采集，这样可以得到一组数据，当完成一个扫描周期后，可以得到整个表面各节点的输出信号，这样就得到M×N组输出信号。因为每个节点上都对应一个输出，就有相应的电路方程，这样M×N个点就有M×N个方程，通过软件求解相应联立方程组后，得到各个点的温度或压力信息，从而得到最终的温度或压力的分布图。
在本发明的测量方法中，其采用矩阵扫描方式进行测量，相比传统的扫描式测量方式，本实施例的体积、精度都远远高于已有的方式。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
Claims (10)
1.一种基于柔性薄膜的扫描式测量装置，其特征在于包括顶层薄膜和底层薄膜，所述顶层薄膜和底层薄膜上分别印刷有若干导电线路，
在顶层薄膜与底层薄膜之间，顶层薄膜上的导电线路与底层薄膜上的导电线路投影在同一平面上，投影面上顶层薄膜的导电线路分别与底层薄膜的导电线路相互交叉，每一个交叉点处设置传感器，所述顶层薄膜、传感器、底层薄膜热熔为整体的测量薄膜。
2.根据权利要求1所述的一种基于柔性薄膜的扫描式测量装置，其特征在于所述顶层薄膜上沿着相同方向印刷有若干导电线路，所述底层薄膜上沿着相同方向印刷若干导电线路。
3.根据权利要求2所述的一种基于柔性薄膜的扫描式测量装置，其特征在于底层薄膜上的导电线路与顶层薄膜上的导电线路沿着相同方向交叉，传感器与交叉的导电线路构成网状结构。
4.根据权利要求3所述的一种基于柔性薄膜的扫描式测量装置，其特征在于底层薄膜上相邻两根导电线路与顶层薄膜上相邻两根导电线路构成的四边形，四边形内镂空。
5.一种基于柔性薄膜的扫描式测量装置，其特征在于包括顶层薄膜和底层薄膜，所述顶层薄膜和底层薄膜上分别印刷有若干导电线路，
在顶层薄膜与底层薄膜之间设置有一层压电膜，所述压电薄膜上包括若干个离散的压电薄膜，顶层薄膜上的导电线路与底层薄膜上的导电线路投影在压电膜上，压电膜上顶层薄膜的导电线路分别与底层薄膜的导电线路相互交叉，每一个交叉点对应一个压电膜，
所述顶层薄膜、压电膜、底层薄膜热熔为整体的测量薄膜。
6.根据权利要求5所述的一种基于柔性薄膜的扫描式测量装置，其特征在于所述压电膜通过掩模板工艺印刷在底层薄膜上。
7.一种基于柔性薄膜的扫描式测量装置，其特征在于包括顶层薄膜和底层薄膜，所述顶层薄膜和底层薄膜上分别印刷有若干导电线路，
所述顶层薄膜上具有的导电线路的一面与底层薄膜上的具有导电线路的一面贴合，贴合后顶层薄膜导电线路与底层导电线路的每一个交叉点构成一个热电偶，
所述顶层薄膜、底层薄膜热熔为整体的测量薄膜。
8.根据权利要求7所述的一种基于柔性薄膜的扫描式测量装置，其特征在于所述顶层薄膜和底层薄膜上的导电线路采用不同的金属材质，所述交叉点构成不同的热电偶。
9.一种基于柔性薄膜的扫描式测量方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：将测量薄膜的顶层薄膜和底层薄膜上的导电线路通过连接排线输入到扫描数据采集卡；
步骤二：设定顶层薄膜上具有M根导电线路，底层薄膜上具有N根导电线路，其交叉节点坐标为（M,N）；
步骤三：在一个周期内，通过控制电路对整个柔性薄膜上的M×N个节点进行输出信号的扫描，得到一组数据，
步骤四：对得到的M×N组输出信号建立相应的电路方程，并对其进行求解，得到每个节点测量参数的分布。
10.根据权利要求9所述的一种基于柔性薄膜的扫描式测量方法，其特征在于将所述测量薄膜贴合在待测模型的曲面上，将所述连接排线、扫描数据采集卡设置在待测模型的内部，所述测量薄膜不破坏待测模型表面。
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