高雷诺系数下流体界面二维热剪切应力柔性传感器

摘要

流体边界层内剪切应力是反映流体运动特性的一项重要参数，准确的测量边界层内剪切应力对实现流体控制具有重要意义。在高雷诺数边界层内，流体多以微型漩涡形式流动，这种流动形式致使二维剪切应力往往存在于微小漩涡交界处，而现有传感器并不能有效测量高雷诺数边界层内二维剪切应力。针对这一问题，本文提出了一种高雷诺系数下流体界面二维热剪切应力柔性传感器，该传感器以聚酰亚胺为衬底，金属镍为热元件，四个热元件以近距离全对称方式排列，可实现对高雷诺数边界层内二维剪切应力的大小和方向的测量。具体研究内容包括：
　　（1）研究高雷诺系数下流体界面二维热剪切应力柔性传感器的测量原理及模型
　　本文设计的二维热剪切应力传感器，要求能够实时地测量二维剪切应力，即与界面平行的X向剪切应力和Y向剪切应力。而加载于传感器上的剪切应力往往耦合了这两种剪切应力。设加载于传感器上X向与Y向的剪切应力分别为Fx和Fy，该传感器输出电压为 U，将研究如何设计传感器结构，实现利用输出电压 U对剪切应力 F解耦测量，即求解以下函数：F= f(U)。具体来说就是研究建立传感器的二维剪切应力解耦测量模型，并根据实验数据对方程进行求解。
　　（2）基于流体仿真软件 FLUENT建立高雷诺系数下流体界面二维热剪切应力柔性传感器的仿真模型
　　本文根据热元件的温阻效应和热元件之间的热传递效应设计传感器，实现对二维剪应切应力的测量。为了确定传感器的最佳结构和尺寸，本文基于流体仿真软件FLUENT建立高雷诺系数下流体界面二维热剪切应力柔性传感器的仿真模型，分别分析了热元件长宽比、衬底厚度和间距对传感器性能的影响。最后基于MEMS工艺制作出传感器样本。
　　（3）研究高雷诺系数下流体界面二维热剪切应力柔性传感器的力学响应特性
　　传统的剪切应力标定实验需要用风洞和剪切应力测量仪配合完成，而这种方法不仅成本高昂，而且实验环境苛刻不易完成，例如，哈工大以及上海交大制作的热剪切应力传感器均未完成传感器标定实验。因此我们需寻找一种简单可行的剪切应力标定方法从而研究传感器的响应特性。此外我们还研究了高雷诺系数下流体界面二维热剪切应力柔性传感器在风速测量中的应用,分析了传感器的静态响应特性。
　　本文设计的二维热剪切应力柔性传感器能够测量50mPa~340mPa范围的剪切应力，并具有辨别剪切应力方向的功能。传感器的 TCR为0.002559/℃。在50mPa＜F≤160mPa内传感器输出线性度为2.8％，在160mPa＜F≤340mPa内传感器输出线性度为3.3％，传感器最大测量误差5.9mPa。该传感器可用于航行体动力学等领域，对于推动行业进步和发展具有重要意义。

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缩略语对照表

第一章 绪论

1.1 论文研究的背景、意义及目的

1.2 流体界面剪切应力传感器研究现状

1.3 流体界面热剪切应力传感器的国内外研究现状

1.4 论文的主要研究内容及创新点

1.5 论文章节安排

第二章 高雷诺系数下流体界面二维热剪切应力柔性传感器的测量原理及模型

2.1 高雷诺系数下流体界面二维热剪切力柔性传感器的测量原理

2.2 高雷诺系数下流体界面二维剪切应力大小的测量模型

2.3 高雷诺系数下流体界面二维剪切应力方向的测量模型

2.4 本章小结

第三章 高雷诺系数下流体界面二维热剪切应力柔性传感器的设计与制作

3.1 高雷诺系数下流体界面二维热剪切应力柔性感器设计

3.2 高雷诺系数下流体界面二维热剪切应力柔性传感器工艺流程

3.3 本章小结

第四章 高雷诺系数下流体界面二维热剪切应力柔性传感器特性测试与分析

4.1 高雷诺系数下流体界面二维热剪切应力柔性传感器特性实验准备工作

4.2 高雷诺系数下流体界面二维热剪切应力柔性传感器特性实验与结果分析

4.3 本章小节

第五章 高雷诺系数下流体界面二维热剪切应力柔性传感器在风速测量中的应用

5.1 高雷诺系数下流体界面二维热剪切应力柔性传感器风速测量意义及原理

5.2 高雷诺系数下流体界面二维热剪切应力柔性传感器风速测量结果分析

5.3 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

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