基于含金属芯PVDF纤维阵列的流场测量系统研究

摘要

本文基于仿生学的原理，模仿昆虫毛发感受器的结构，设计制备了一种只有根部涂镀表面对称电极的含金属芯PVDF纤维气流传感器（简称SMPF），并将这种传感器应用于气流流场测量，对其传感特性进行了理论和实验研究，取得了初步的研究成果。本文主要的研究成果和内容如下:
　　(1)利用自制的拉制纤维设备，制备了SMPF。基于第一类压电方程和平均电荷法，建立了单根悬臂梁结构SMPF的气流传感模型。并将悬臂梁结构的SMPF安置在气流流场中，进行冲击气流测量实验。实验结果表明，当SMPF长度恒定时，随着冲击气流流速的增加，SMPF输出的电压信号成线性变化关系;当SMPF长度远远大于边界层时，在冲击气流流速相同的条件下，SMPF输出的电压值与长度成线性递增关系;当SMPF长度较短，边界层的影响不可以忽略时，在冲击气流流速相同的条件下，长度为2.75mm的SMPF输出电压值最大，具有最优的传感性能。实验结果验证了传感模型。
　　(2)当SMPF用作边界层气流传感器时，根据边界层动量积分方程，推导出了边界层位移厚度方程，并进行了气流传感实验。实验结果表明，SMPF与风速传感器对于冲击气流的响应存在时间差;随着SMPF长度的增加，时间差逐渐趋于稳定值，实验结果验证了理论模型。同时，基于平板边界层理论，建立了微型风洞三维空间的流场分布模型，并用有限元仿真的结果进行了验证。将多根SMPF组成传感器阵列，测量了微型风洞三维空间的流场分布，实验结果验证了理论模型。
　　(3)基于流体在曲面的绕流和分离理论，建立了气流在圆柱体表面的流场分布模型，并应用有限元仿真对分析结果进行了验证。将多根SMPF布置在圆柱体表面，组成传感器阵列，通过对圆柱体表面流场分布的测量，建立了圆柱体的表面形貌模型。根据实验结果，描绘了圆柱体表面三维空间形貌，揭示了圆柱体的背面存在涡旋的现象，验证了理论模型。
　　通过理论分析和实验研究，表明SMPF具有较好的气流传感性能，可应用于三维空间流场测量和圆柱体表面形貌测量，具有体积小、质量轻、灵敏度高、长度可变的特点。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 选题依据

1．3 仿生流场毛发传感器的国内外研究现状

1．3．1 基于气体流场的研究

1．3．2 基于液体流场的研究

1．4 PVDF压电传感器的发展及应用

1．5 论文的主要研究内容

第二章 表面对称电极含金属芯PVDF纤维的理论基础和设计制备

2．1．1 压电效应

2．1．2 压电方程

2．2 SMPF的设计、制备

2．2．1 压电材料的选择

2．2．2 拉制成型

2．2．3 涂镀电极

2．2．4 高温极化纤维

2．2．5 引电极和封装

2．3 本章小结

第三章 表面对称电极含金属芯PVDF纤维的气流传感特性研究

3．1 边界层理论

3．2 悬臂梁结构的SMPF气流传感理论模型分析

3．3 悬臂梁结构的SMPF气流传感理论模型

3．4 SMPF气流传感模型的实验验证

3．4．1 SMPF的最优使用长度实验

3．4．2 SMPF输出信号与速度关系实验

3．5 本章小结

第四章 表面对称电极含金属芯PVDF纤维的流场阵列测试研究

4．1 实验部分区域的边界层厚度理论模型

4．2 单根SMPF的气流实验及时间响应模型

4．2．1 实验思路

4．2．2 单根SMPF的气流冲击实验

4．3 多根SMPF的气流阵列实验及实验模型

4．3．1 空心长方体平板内的气流模型分析

4．3．2 气流阵列实验及实验模型

4．4 本章小结

第五章 表面对称电极含金属芯PVDF纤维在柱体上的应用测试研究

5．1 圆柱体表面流体分析

5．2 装有多根SMPF的圆柱体表面流体有限元仿真分析

5．3 表面装有多根SMPF圆柱体的测试实验

5．3．1 实验装置设计

5．3．2 圆柱体背面涡旋测试实验

5．3．3 圆柱体表面形貌测试实验

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 论文总结和创新点

6．1．1 论文总结

6．1．2 论文创新点

6．2 研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间主要的研究成果

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