浮动元件壁面剪切应力传感器研究进展

介绍了浮动元件的类型和浮动元件壁面剪切应力测量的方法,阐述了基于浮动元件的电容式、压阻式和光学式壁面剪切应力传感器的基本原理和研究现状,分析了上述3种类型的浮动元件壁面剪切应力传感器的优缺点,指出可通过优化浮动元件与传感器封装件之间的移动间隙以及浮动元件与被测面间的平齐度来提升浮动元件壁面剪切应力传感器的性能。展望了浮动元件壁面剪切应力传感器在湍流测量、判断边界层转捩、维护飞行器安全和优化飞行器结构等领域的发展方向,提出未来可通过发展MEMS技术、优化传感器后端处理电路和温度补偿方式、采用一体化设计加工方式等,进一步提升浮动元件壁面剪切应力传感器的小型化程度、检测壁面剪切应力极低值时的灵敏度和精度、测量的可靠性和准确性。

用于壁面切应力测量的微传感器设计

壁面切应力的测量是流体动力学领域中一项非常重要的测试任务,采用MEMS技术设计、加工的微型切应力传感器能够为壁面切应力的测量提供新的手段。微传感器设计过程中推导其浮动单元线性位移与弹性梁宽度的关系,通过限位装置提高了微传感器的抗过载能力。有限元仿真结果与试验模态分析的最大偏差为8.2%,表明仿真过程中对结构进行的简化以及单元的选取是合理的。加工过程中,采用等离子刻蚀工艺形成传感器的结构,湿法刻蚀工艺完成浮动单元的释放,所加工传感器的整体尺寸为3.4 mm×2.5 mm×0.6 mm。开发了一种封装结构实现传感器与壁面的平齐安装。风洞试验结果说明在0～30 m/s风速范围内传感器的灵敏度为51.2 mV/Pa,该传感器可以用于壁面切应力的测量。

MEMS壁面剪应力传感器阵列水下标定实验研究

壁面剪应力的精确测量对于研究水下物体边界层流动、寻求有效的减阻增效措施至关重要。MEMS壁面剪应力传感器的标定首先是最基本的静态标定,其决定了其测量的精度和数据的可信度。本文在分析已有标定方法的基础上研发1种新型水下壁面剪应力给定装置,并采用数值方法计算分析不同流速下的壁面剪应力给定条件,进而设计壁面剪应力传感器静态标定方案,开展了一种MEMS热膜式壁面剪应力传感器阵列的水下静态标定实验,获得了各传感单元的标定系数。

水下MEMS壁面剪应力传感器标定方案仿真分析与实验验证

壁面剪应力的精确测量对于研究水下物体边界层流动、寻求有效的减阻增效措施至关重要。MEMS壁面剪应力传感器的标定,首先是最基本的静态标定,决定了其测量的精度和数据的可信度。为辅助实现水下MEMS壁面剪应力传感器的精确标定,本文对采用槽道流法的精密标定装置流动条件进行数值仿真及激光多普勒测速仪测速实验,确定了标定试验段中流场从槽道入口处充分发展至稳定所需长度、压力分布情况及所能给定标定使用的壁面剪应力范围,进而设计标定方案;壁面剪应力的实验结果与数值计算和理论分析对比吻合较好,验证了标定方案的合理性,为下一步开展MEMS剪应力传感器阵列水下标定试验提供技术基础。

MEMS热膜式壁面剪应力传感器微弱信号检测

MEMS热膜式壁面剪应力传感器的输出信号是带有基础电压的微弱电压信号,无法通过放大器直接放大的方法实现高精度测量。文章提出在输出信号放大前增加信号平衡环节,在保留有效信号的前提下减小基础电压,再通过放大的方法实现其高精度测量,有效解决了MEMS热膜式壁面剪应力传感器微弱信号检测的难题。文章介绍了MEMS热膜式壁面剪应力传感器微弱信号检测的技术方案、关键技术、测试检验及试验应用实例。

微型热膜传感器的水下壁面剪应力标定研究

针对水下壁面剪应力的测量需求,建立了恒流模式下微型热膜传感器的剪应力测量与标定的数学模型,设计采用了扁薄矩形水槽剪应力发生装置,并在0 ～5 Pa范围内对传感器进行了测量标定实验.实验结果验证了测量与标定模型的正确性,标定实验的确定系数均超过了0.995,均方差保持在10-4量级,呈现良好的重复性与一致性,为水下壁面剪应力的测量应用奠定了重要基础.

水下壁面剪应力传感器温控标定装置研究

新型壁面剪应力传感器的出现为河口海岸工程中水下壁面剪应力的准确测量提供了新的方式。热式壁面剪应力传感器受环境温度影响显著,相关传感器的研究与应用需要准确的标定。本文基于宽扁管道内壁面切应力与沿程压力梯度的关系,研发了一种具有温控功能的水下壁面剪应力传感器静态标定装置,可实现不同水温条件下的壁面剪应力输出。该标定装置可提供的最大水温在35℃。最后通过对MEMS柔性热膜式壁面剪应力传感器在不同水温条件下的静态标定实验,确定了不同水温条件下传感器的标定系数,结果表明标定系数B与水温呈线性相关。

动态共振剪应力传感器概念研究

提出一种新的基于共振表面元的动态共振墙剪应力传感器概念,并且通过建立理论模型、数值模拟和实验验证进行了系统的研究。研究结果表明动态共振墙剪应力传感器概念能够精确测量低速流场的墙剪应力,而且可能用于壁面湍流流场的控制研究。实验设计了开环和闭环测量控制系统,用于测量动态共振墙剪应力传感器位移随墙剪应力的变化。实验结果表明随着平均墙剪应力的变化,动态共振墙剪应力传感器的共振表面元能够获得可以测到的位移信号。此外,实验结果也充分证明动态共振墙剪应力传感器概念完全可以测量墙剪应力,实验结果与所建立理论模型的数值模拟结果符合较好。

壁面剪应力标定方法研究综述

流体壁面剪应力的标定是实现该类传感器测量的前提。本文介绍了目前主要的3种壁面剪应力静态标定方法和2种动态标定方法,研究了剪应力基准发生原理、标定装置组成及适用范围。归纳总结了各类标定方法的优势与缺点,为壁面剪应力传感器标定方法的合理选择提供参考。

热敏式壁面剪应力微传感器技术研究进展

基于MEMS技术的热敏式微传感器为壁面剪应力的测量提供了重要手段。本文介绍了国内外热敏式壁面剪应力微传感器技术的研究发展现状,重点从硅基和柔性聚合物基2种结构角度,对其工作原理以及不同热敏式微传感器的结构、关键工艺和性能测试进行了分析。

热膜式剪应力传感器在破碎波作用下的应用初探

破波区床面剪应力的正确认知对于揭示海岸泥沙输运以及地貌演变的机理具有重要意义。波浪破碎以后带来的紊动和涡旋会对床面剪应力产生显著的影响。采用MEMS柔性热膜式壁面剪应力传感器在波浪水槽中开展了破碎波作用下的床面剪应力测量应用测试。实验结果表明该壁面剪应力传感器可以应用于破碎波作用下的床面剪应力测量。在破波点之前可以根据近底流速辅助该传感器判断床面剪应力的方向。床面剪应力在波浪破碎之前变化较为平缓,在波浪破碎之后床面剪应力的波动和极值都会增大。斜坡上沿程最大床面剪应力均值的极值出现于卷破水舌入射点之后。

MEMS壁剪应力传感器热效应的数值模拟

借助计算流体动力学(CFD)商业软件FLUENT,采用数值模拟的方法,对基于MEMS的壁剪应力传感器热交换效应进行了分析。计算结果表明:在壁剪应力传感器的热膜下方加入真空腔或者空气腔是十分必要的。针对水流中测量的计算结果显示,真空腔和空气腔在整个计算区域的温度场分布以及对流体的传热效率的差别不大,而空腔可以明显地减小底层的热损失,这对提高剪应力传感器的灵敏度是十分有利的。此外,MEMS壁剪应力传感器的尺寸效应对传热效率也存在影响。

浮动电容式剪应力微传感器结构设计解析模型

为提高设计水平和效率,建立了浮动电容式剪应力微传感器结构设计解析模型。该解析模型明晰了微传感器探头结构参数与传感器性能指标之间的关系。针对微传感器量程、固有频率、非线性度、灵敏度和分辨率等指标需求,能够更有针对性地快速得到优化传感器结构方案。结合设计案例,给出了微传感器探头结构的设计方法与流程,设计研制的传感器测试实验结果与解析模型的设计结果相符合。

柔性热敏薄膜传感器阵列工艺研究

分析了热敏薄膜传感器测量流场温度和壁面剪应力的原理,选择聚酰亚胺为衬底材料,金属镍为热敏材料,提出了一种电镀引线的柔性热敏薄膜传感器阵列结构及其制作工艺。经热敏性能测试,该柔性热敏薄膜传感器阵列结构简单,可贴附于高曲率复杂表面,实现非破坏动态流场参数测量。