基于柔性热膜传感器的流体壁面剪应力测量系统.pdf

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1、2013年第32卷第7期传感器与微系统(TransducerandMicrosystemTechnologies)101基于柔性热膜传感器的流体壁面剪应力测量系统肖同新，马炳和，邓进军，李雁冰，王毅(西北工业大学空天微纳系统教育部重点实验室。陕西西安，710072)摘要：为实现流体壁面剪应力在线测量，设计了一种基于柔性热膜传感器的流体壁面剪应力测量系统。通过分析柔性热膜传感器作用机理，研发了基于LTZ1000电压基准的高精度恒流驱动电路，开发了基于DSP2812，AD7609的18位真差分同步高速数据采集模块，并通过温度补偿方法对传感器输出信号进行了环境温漂修正。系统性能测试表明：当流场温

2、度在10-30oC范围变化时，剪应力测量分辨率在0—1OPa范围内优于0．2Pa，流体温度变化引起的系统输出信号偏差为0．6％／℃，满足实际流体壁面剪应力测量要求。关键词：壁面剪应力；柔性热膜；测量系统；恒流驱动；温度补偿中图分类号：TP212．9文献标识码：A文章编号：1000-9787(2013)07--0101-05FluidwallshearstressmeasurementsystembasedonflexiblehotfilmsensorXIAOTong—xin，MABing-he，DENGJin-jun，LIYan—bing，WANGYi(KeyLaboratoryofMic

3、ro／NanoSystemsforAerospace，MinistryofEducation，NorthwesternPolytechnicalUniversity，Xi’an710072，China)Abstract：Awallshearstressmeasurementsystembasedonflexiblehotfilmsensorisdevelopedtorealizewallshearstresson-linemeasurement．Throughanalysisonworkingprincipleofflexiblehotfilmsensor，ahighprecisionco

4、nstantcurrentdrivecircuitbasedonLTZIO00voltagestandardisdeveloped，anda18bitrealdifferentialsimultaneousdataacquisitionmodulewhichbasedonDSP2812＆AD7609aredeveloped．temperaturecompensationmethodisusedtoreviseenvironmentaltemperaturedriftofsensoroutputsigna1．Systemcharactertestindicatesthattheshearst

5、ressmeasurementsystemachievesaresolutionpriorto0．2Paatfluidtemperature10~30℃，atrange0—10Pa，andanoutputsignaldeviationofsystemis0．6％／~C，whichmeetwallshearstressmeasurementrequirementofactualfluid．Keywords：wallshearstress；flexiblehotfilm；measurementsystem；constantcurentdrive；temperaturecom—pensation

6、0引言特点，为流体壁面剪应力测量提供了新技术支撑。目前，国流体壁面剪应力是研究边界层流动状态的重要物理内外正在积极开展相关技术研究。量，是掌握与控制壁面摩擦阻力的重要依据⋯，对新型航美国Dn~l,I理工学院与加州大学洛杉矶分校联合研制了空航天飞行器、水中航行器的减阻降噪研究具有重要意义。一种柔性基底硅空腔微型热膜剪应力传感器，进行了机翼此外，在港口、海岸工程中，波浪底床剪应力与海岸泥沙起前缘表面边界层分离、剪应力定性分析等研究j。国内西动和输移、传播波高的衰减、防波堤地基稳定等实际问题密北工业大学采用溅射一电镀微成型制造技术，成功研制出全切联系，是波浪边界层研究的主要内容之一。柔性热膜传感

7、器阵列，并进行了风洞实验和工程应用。传统测量装置如斯坦顿管、普林斯顿管、双向隔板等由本文在西北工业大学柔性热膜传感器基础上，设计了于存在元件体积大、响应慢、破坏边界层流场等缺陷，难以符合传感器性能和工程实际需要的高精度恒流驱动电路、满足流体壁面剪应力精确测量要求J。基于MEMS技术信号调理电路、数据采集模块，并针对该传感器输出信号与研制的柔性热膜传感器具有流场干扰小、阵列化、响应快等流场温度强耦合的问题，通过温度补偿方法