壁面剪应力传感器的最新进展..

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1、.研究生课程考试答题册得分：考试课程微机电系统导论题目壁面剪应力微传感器的最新进展姓名项志杰学号2011200872学院机电学院导师马炳和西北工业大学研究生院...壁面剪应力微传感器的最新进展背景和介绍流体流过飞行器表面时，会在表面产生两个方向的作用力：一个是垂直于表面的压力P；另一个是与表面相切的剪应力（或摩擦应力、切应力）τ，压力与剪应力是空气动力学中非常重要的两个参数。精确的测量上下表面的压力差，可以评估飞行器的升力、阻力、载荷分布等参数指标，这对飞行器的结构设计、优化、定型具有重要的作用。精

2、确测量剪应力可以进一步了解边界层内部结构，监测飞行器周围流体的运动状态，判断是否发生分离，维护飞行器的飞行安全。当飞行器表面流体发生分离时，分离点处的剪应力值为最小，流动分离可导致飞行器“失速”，更严重的则会导致空难。判断飞行器周围流体流动状态，防止流动分离引发的失速对于维护飞行安全具有重要意义。通过剪应力传感器可以直观的检测到流动分离，从而为流动控制提供依据，以防止或抑制流动分离的发生。因此壁面剪应力可以作为飞行器周围流体运动状态监测的一项重要指标，剪应力传感器的研制也广泛引起人们的关注在流体壁面

3、边界的剪应力的准确测量，对于海军和空军有重要的意义。减少能量消耗和声音波动，加快操作速度和可控性。这些是对于湍流边界层的层流是真实的。评价和减少能量的消耗或增加操作速度这两者是联系在一起的，所以实现高保真平均壁面剪应力的测量是可取的。随着近年来流体操作雷诺数的增加，流体的粘性压力所占的百分比：飞行器是50%，水下航行器达到了90%。同时，在湍流边界层的能量转换发生在很小的规模和很宽的频率范围。实现这些测量在严酷和复杂的环境下，比如海水，多相气流，对于遥感技术有更高的限制。因此，当前先进的壁面剪应力传

4、感器遥感技术，在高雷诺数的流体中分辨附近的壁面流体结构，即是此传感器能够分辨出频率达到10KHZ，大小100微米的结构。常规的技术，比如热线和热膜风速计，在要求的范围内不能提供充分准确的测量，而且也不能适应严酷的环境条件。近期，作为新的传感器的微机电系统器件的出现有潜力克服这些限制。微型制造工艺技术能够使传感器的体积减小，增加了空间和时间分辨率，达到100甚至10微米级别。三个主要型号的MEMS传感器的出现，每个传感器都有着不同的模态准确度和频率响应。这三个分别是：浮动单元式，热敏式和声/光MEMS

5、。浮动单元MEMS传感器，利用一个或者多个可动机构，加上一个可动的支撑梁，在小区域内提供了一个表面摩擦的直接测量方法。基于热的MEMS传感器工作基于将的温度变动转换为电压信号。第三种MEMS传感器是利用超声或者激光多普勒效应来检测壁面粒子对光的散射而产生的频率变化。超声多普勒测速仪测量发射和反射信号的多普勒频率的改变。与光学对应的即是光学MEMS（MOEMS），以动态黏度，粒子通过不同条纹的多普勒散射频率，和条纹发散率的结果计算壁面剪应力。其他的新型剪应力传感器包括基于活性离子聚合物和光纤的传感器。

6、此文全面介绍了这些当前先进的壁面剪应力测量技术。浮动单元式MEMS传感器...浮动式MEMS传感器测量积分的力在柔性膜上，它通过很薄的100-500微米大小的柔性曲面支撑。这个测量方法的优势在于它是直接测量表面摩擦因此不需要很丰富的流体知识。尽管如此，传感器填充从误差相关的传感器浮动单元和缝隙的不对称，压力梯度，十字轴灵敏度到加速度和振动输入，缝隙和浮动单元之间的加工碎片和传感器安装。而且，浮动单元必须充分的灵活（影响其耐用性）可以感受出10e-12N大小的力。另外一个设计的限制就是压力的灵敏度。M

7、aclean和Schetz发表了大量论文讨论了关于浮动式传感器的操作和误差分析，在压力梯度存在的情况下理论误差是17%。sheplak等人研究了浮动式MEMS传感器对于静态和动态壁面剪应力的的响应，很可能是迄今为止在文献里提出最全面的校准工作。该传感器组成是由一个500×500平方微米7微米厚的硅浮动单元悬挂在四个500微米长×7微米宽×7微米厚的硅片表面1微米以上。静态校准传感器的测量范围达到了0.0014~10Pa的范围，的本底噪声测量为0.0004Pa。这个工作的一个主要贡献在于动态校准中使用

8、平面波管产生斯托克斯层震荡。该仪器允许波动剪切力限制在0.1帕到1帕，频率从100Hz10kHz；但频率不能超过4KHz，由于该管的频率共振。传感器的响应被证明在大部分剪应力和频率范围内是线性的。这项研究的一个限制是动态校准频率响应函数在波德图的幅度的形式表示的；在时域内的实际信号误差分析没有给出。这项发明作为美国专利在2005年11月专利号：20056966231。类似的发明，使用能够电容元件检测剪切力的大小和方向的专利为美国徐等人专利，专利号码2002634153