用于检测边界层转变的振荡元件传感器

摘要

本发明涉及一种用于检测会被流(12)撞击的主体(16)处的流状态的流状态传感器(10)。根据本发明的具有简单构造并且易于评估的流状态传感器(10)的特征在于至少一个频率检测装置(20)，所述频率检测装置(20)用于检测流状态的至少一个预定频率特性。所述频率检测装置(20)具有能够被流(12)激发而进行谐振振荡运动(30)并具有适于所述预定频率特性的谐振频率或固有频率的至少一个振荡元件(22；22a、22b、22c)，具体地说，所述振荡元件具有与所述预定频率特性相对应的谐振频率或固有频率。本发明还提出了该流状态传感器(10)在流测量装置(62)和流测量方法中的应用，以及该流状态传感器(10)的优选制造方法。

说明书

技术领域

本发明涉及用于检测会被流撞击的主体处的流状态的流状态传感器。另外，本发明涉及具有多个这种流状态传感器的流测量装置，涉及该流状态传感器和该流测量装置的制造方法，并涉及可以利用这种流状态传感器执行的流测量方法。

背景技术

对于飞行器(尤其是翼型)的规划和设计而言，流状态的研究很重要。如M.Gad-el-Hak在“Flow control：Passive，Active and Reactive Flow Management”(Cambridge University Press，2002)中详细描述的，尤其在层流控制和混合层流控制的技术的情况下，希望对在巡航飞行期间工作的机翼进行流状态的研究。这里的目的是确定并定位流从层流状态到湍流状态的转变(transition)。

在飞行器机翼(或者一般地说，空气绕其流动的主体)上，在表面与外部流之间形成速度边界层，该边界层(除了别的之外)使主体的摩擦阻力上升。该边界层最初是层流的并且低阻的。随着在该边界层中的传播增强，具有波特性(托尔明-施里斯廷(Tollmien-Schlichting)波)的非常小的干扰增强。它们造成转变到湍流边界层并由此转变为更大的阻力。这些干扰波的频率取决于流体和流速。在风洞试验中，这些干扰波的频率通常在10Hz至30kHz之间。在全球范围内，正在对将机翼和水平尾翼(tailplane)上的该层流至湍流改变(转变)移至更大的机翼深度进行密集的研究，以降低机翼和水平尾翼的摩擦阻力。

在该项工作或者类似的研究与开发项目中，具体地说，重要的是在风洞试验和飞行测试中获取转变的精确确定，以确定新的技术和飞行器形状对于降低摩擦阻力的效果。

在现有技术中，将不同传感器类型的阵列用于在风洞试验和飞行试验中测量转变。例如，F.Hausmann的“Entwicklung einer Multisensor-Heiβfilmtechnik zurTransitionserkennung im Reiseflug”(Dissertation RWTH Aachen，2004)描述了热膜传 感器的使用，然而在W.Nitsche、A.Brunn的 (第二版，SpringerVerlag，2006)中，为此目的提出使用热线风速计、PVDF膜传感器和麦克风。

所有这些现有技术的流状态传感器共同的缺点在于具有相对复杂的构造。另一个缺点在于，所有这些传感器都提供模拟传感器信号，这需要对信号进行艰难的放大，需要高采样速率，进而需要大量的数据采集和数据评估，以在各个传感器元件的几何位置处对是“层流”或是“非层流”进行判定。这在I.Peltzer的“Flug-undWindkanalexperimente zur Entwicklung von in einer Flügelgrenzschicht”(Dissertation TU Berlin，2004)中有更详细的描述。

此外，热线传感器和热膜传感器具有高能耗并且需要复杂的电子学和数据评估。具体地说，利用热操作原理的传感器在大多数情况下是按照闭合控制环操作。例如，设置恒定的温度，例如，测量保持该恒定温度所必需的电压并且将该电压用作传感器信号。需要相当大量的功率来操作这种传感器。

US5272915公开了一种气流感测系统，在该气流感测系统中，由恒定电压反馈电路来驱动热膜传感器，该恒定电压反馈电路使传感器两端的电压保持在预定电平。通过在50-80Hz的低频通带中具有大量能量的信号来区分转变气流与湍流气流。信号处理电路驱动三色LED显示器来提供对于正在感测的气流类型的视觉指示。US5272915的第一个问题在于，为了感测50-80Hz通带中的能量的存在，需要带通滤波器。US5272915的第二个问题在于，它不能可靠地检测通常具有频率大于1kHz的大量能量的全湍流的流状态。

压力传感器在原理上也将能够确定被流撞击的主体处的流状态，这些压力传感器对震动或结构性声音敏感并且对温度敏感。另外，这些压力传感器对例如用于确定(establish)高迎风流速(oncoming flow velocity)下的转变的高动态测量不够敏感。鲁棒的动态压力传感器也已经被用于流测量领域中，这些鲁棒的动态压力传感器在大多数情况下不具有用于转变测量所需的敏感度。

发明内容

本发明的目的是提供一种构造简单的流状态传感器以及一种用于检测被流撞击的主体处的流状态的简单的流测量方法。

通过如下方面来实现该目的：具有所附的权利要求1的特征的流状态传感器；利用上述流状态传感器构成并具有所附的权利要求18的特征的流测量装置；以及可以利用上述流测量装置执行的包括所附的权利要求23的步骤的流测量方法。

从属权利要求涉及本发明的优选实施方式。其它的独立权利要求涉及用于制造流状态传感器和/或流测量装置的优选制造方法，并涉及会被流撞击并设置有这种流状态传感器或这种流测量装置的组件。

根据本发明的流状态传感器的特征在于用于检测作为流状态的特征的至少一个预定频率的至少一个频率检测装置，其中，所述频率检测装置具有至少一个振荡元件，所述至少一个振荡元件可以被流激发进行谐振振荡运动并且具有适于所述预定频率特性的谐振频率或固有频率(具体地说，与所述预定频率特性相对应的谐振频率或固有频率)。

下文将详细地描述可以利用根据本发明的构造得到的优点。

流从层流状态变成湍流状态的第一迹象是特征频率处出现不稳定。按照上面已经提到的托尔明-施里斯廷(Tollmien-Schlichting)波的形式在流的方向上出现最初的不稳定。这些特征波在流边界层中传播。这些特征波具有取决于迎风流速的典型频率。

在转变中，还可能在流中形成具有对应特征频率的其它/另外的相干结构(coherent structure)，例如，拉姆达漩涡(lambda vortices)或横向流结构，详情参见 的“Untersuchungen zum laminar-turbulenten Transitionsprozess beiAnregung und Tollmien-Schlichting-Wellen”(Dissertation TUDresden，2001)。

本发明的第一方面利用了该发现并且提供了一种对这种典型频率的出现敏感的流状态传感器。具体地说(但并非排他性地)，这样可以按照特别简单的方式来检测层流的存在或到非层流状态的转变。

根据本发明的流状态传感器直接检测流的状态的典型特征。

根据本发明的另一个方面，为了检测转变，例如，只是区分流是层流还是已经表现出转变为湍流状态的第一迹象(即，形成典型的不稳定)。在这种情况下，由于只进行了两个状态之间的区分，因此不需要艰难的数据处理。

总之，利用本发明或本发明的优选实施方式，可以按照简单的方式快速得到流 状态的信息。可以使数据评估过程中涉及的费用较少。

总体上，可以构造具有非常低的能量需求的流状态传感器。也可以构造对于待测量的流没有影响或者只有非常轻微的影响的流状态传感器。

流在其周围经过的主体处的流状态的特征可以在于具有根据本发明的测量方法和根据本发明的流状态传感器的非常简单的方式。可以按照非常简单的方式(即，通过对这些频率进行直接检测)来检测流中具有典型(特征)频率的相干结构。因此，具体地说，还可以检测不同的流状态之间的转变。例如，可以按照简单的方式检测转变，其中，基于这些流状态的典型频率检测此时出现的不稳定(例如，托尔明-施里斯廷波)。

利用根据本发明的流状态传感器的优选实施方式，还可以按照简单的方式构造流测量装置，该流测量装置适于设置在流在其周围经过的主体(尤其是飞行器或飞行器模型的组件)的表面上，该流测量装置在空间上分离(resolve)流状态。为此，优选的是提供流状态传感器的阵列，这些流状态传感器对于至少一种预定频率敏感或者只对两种不同的流状态进行响应。这种流测量装置尤其适于用于飞行试验。

为了用于飞行中，尽可能简单的传感器的阵列是优选的，各个传感器需要在原理上只具有两种状态(例如，用于检测转变)：传感器位置处的层流状态(即，流是层流，状态“0”)和传感器位置处的非层流状态(流是非层流，状态“1”)。由于这种简单的传感器输出，即使采用大量的传感器，也可以实现简单的数据评估来定位特定的流状态。这对于与预定特征频率相关联的所有流状态尤其有效。

也可以是少量离散状态，例如，1用于“层流”、0用于“转变”并且1用于“完全涡流”。流状态传感器因此优选地被构造为用于精确的两种流状态或少量离散状态(例如，精确的三种状态、精确的四种状态)的检测和数字输出。

流状态传感器具有被预定的频率激发而进行振荡的至少一个谐振传感器元件或振荡元件。该振荡元件的固有频率或谐振频率适用于待确定的流状态的典型特征频率。例如，该固有频率适用于托尔明-施里斯廷波的频率，也就是说，例如，该固有频率等于该频率(或其谐波)或接近该频率(或其谐波)。

当提供具有不同固有频率的多个振荡元件时，一方面可以检测表现出不同特征频率的不同的流状态。另一方面，还可以检测其典型频率随着特定参数的结果而变化的流状态。例如，可以在不同的典型的迎风流速下，将振荡元件调节成典型的托尔明 -施里斯廷波。另外，可基于所出现的典型频率来以更精确地表征所出现的状态。

根据本发明的一个有利改进，至少一个振荡元件被具有待检测的预定频率的流激发而发生机械振荡。可以通过各种公知的方法(例如，通过电容或电感方式)来检测振荡元件的振荡。在一特别优选的方式中，机械振荡能量被用于产生电能。例如，例如与磁性元件相结合的小振荡元件的机械振荡能量足以产生小的电和/或磁交变场，利用该电和/或磁交变场可以设置存储器元件的位(bit)。然后，可以按照简单的方式，优选的是按照无线方式来读取出该位。

因此，流状态传感器能够独立地进行操作，并且优选的是可以按照无线方式来查询该流状态传感器的状态。在这种情况下，流状态传感器不需要任何用于供电和通信的电线。

具体地说，微工程(microengineering)适于制造这些流状态传感器，更具体地说，微系统工程或微制造工程适于制造这些流状态传感器。由于通过微工程制造的流状态传感器的尺寸小，因此尤其可以制造具有由多个流状态传感器组成的阵列的流测量装置，采用该流测量装置可以对流在其上面或周围经过的主体的表面上进行精确的空间测量。通过微工程进行制造还提供了可以制造低高度的流状态传感器的优点。这有利于在组件(例如，飞行器或飞行器模型的机翼)的表面中集成流状态传感器或由多个这种流状态传感器形成的流测量装置。

另外，可以通过微技术工艺按照简单的方式来调整频率检测装置的振荡特性，尤其是所述至少一个振荡元件的谐振频率。另一方面，可以通过频率检测装置的几何形状(尤其是振荡元件的几何形状)来调整谐振。另外，可以通过微技术按照特定的方式应用材料来影响振荡。例如，通过应用薄层，可以影响流状态传感器的振荡元件中的机械应力并由此影响该振荡元件的振荡特性。

为了使流状态传感器与干扰频率检测的外部振动和结构性振荡退耦(decouple)的特定目的，优选的是提供阻尼装置。利用阻尼装置的适当布局，可以只检测流信号。

如以上已经提及的，根据本发明的一个优选实施方式，可以利用针对谐振振荡构造的振荡结构性元件所产生的能量。尤其在谐振振荡的情况下，该能量可以用于产生指示流不再是层流的信号。由于仅在此时存在激发谐振的特征频率，所以谐振结构仅在此时进行响应。该响应所产生的能量足以例如设置存储器中的单个位。

附图说明

下文将参照附图来详细描述本发明的示例性实施方式，附图中：

图1是谐振流状态传感器的第一实施方式的示意性立体原理图；

图2是谐振流状态传感器的第二实施方式的示意性立体原理图；

图3根据图2的第二实施方式的流状态传感器的示意性截面图，该流状态传感器用于流在其周围经过的组件中；

图4是由多个图3的流状态传感器组成的流测量装置的示意性原理图，该流测量装置被内置于流在其周围经过的组件中；

图5示出穿过图4所示的流测量装置的纵向截面；以及

图6是谐振流状态传感器的第三实施方式的示意性立体原理图。

具体实施方式

图1示出主体16的被流12撞击的表面14上的流状态传感器10的第一示例性实施方式。主体16例如是流在其周围经过的飞行器(利用该飞行器进行飞行试验)或飞行器模型(例如用于风洞试验)的组件18，尤其是机翼组件(或水平尾翼组件或机身组件)。

流状态传感器10具有用于检测流12的预定频率的频率检测装置20。频率检测装置20具有能够以固有频率振荡的谐振元件或振荡元件22，所述固有频率适于待检测的频率。为此，图示的示例中的振荡元件22的形状细长，该振荡元件22的长度通常小于2mm。在图示的示例中，振荡元件22是一端26固定并且自由端28上下振荡的弯曲薄带24、条或悬臂。当出现待检测的频率时，自由端28以谐振振荡运动30进行振荡。通常，该振荡元件具有大于1kHz的谐振频率或固有频率。如果在飞行中使用了该振荡元件，则谐振频率优选地在1kHz至10kHz之间。如果将该振荡元件用于风洞试验，则谐振频率可能需要更高(高达30kHz)。

该振荡元件可以对准气流或者指向气流。另选地，该振荡元件可以按照一定角度对准气流、远离表面14地延伸或者与表面14平行地延伸。在所有情况下，该振荡元件的振荡运动都是与该振荡元件的长度成横向的弯曲运动。

可以由能量产生装置32来检测振荡运动30。在图1的示例中，能量产生装置32在自由端28具有磁性材料(在此为磁性层34的形式)并在表面14上具有电导体 36。电导体36被构造为使得振荡运动30和磁性材料的所导致的相对运动感应出电压，利用该电压可以设置所附接的存储器元件38的位。接着，可以由评估装置40通过无线方式查询该位。

不仅可以通过电磁方式来检测能量，还可以通过其它公知的方式(例如，通过利用薄压电层的压电方式)来检测能量。另一实施方式(未示出)的能量产生装置32相应地具有压电元件，该压电元件将振荡运动转换为适于设置位的能量的形式。

在图1所示的流状态传感器10的第一实施方式的情况下，振荡元件22安装在流在其周围经过的主体16的流撞击表面14上。因此，振荡元件22可以按照最佳方式与流12接触(interface)。

然而，在这种情况下，还存在振荡元件22将影响振荡元件22下游的流12的可能性。

为了避免或减少这种影响，提供可致动阻尼单元42，通过该可致动阻尼单元42，振荡元件在振荡运动中被外部致动减振(damp)或者被外部致动完全保持固定。在本文所示的一个实施方式中，阻尼单元42利用了能量产生装置32的上述元件34、36。例如，通过向导体36施加电压，产生出于减振或固定目的而作用于磁性层上的磁场。通过阻尼单元42，可以防止在振荡元件22已进行响应之后由于振荡元件22的进一步振荡而对流的潜在影响。

另选地或者另外地，提供限制装置44，通过该限制装置44，谐振情况下的振荡的幅度被限制为对于流12的影响可以忽略的程度。例如，通过用于自由端28的止动件(stop)来形成限制装置44。在图示的示例中，由表面14简单地形成止动件，其中带24的形式使得，从还不足以对流12造成显著影响的特定振荡幅度处开始，自由端28靠着表面14而被止动。

在图2中，示出了流状态传感器10的第二实施方式。相同的附图标记用于对应的部件。为了向流状态传感器10提供更好的抵抗外部环境条件的保护，在膜48的背离流的一侧46上设置谐振传感器元件(具体地说，至少一个振荡元件22)。在这种情况下，振荡元件22被构造为由多个层组成的多层带24，所述多个层已经在制造期间被适当地构造以设置固有频率。

图3示出根据第二实施方式的流状态传感器10，该流状态传感器10被内置在组件18中。流状态传感器10具有壳体50，关于振荡，通过阻尼装置52使壳体50 与组件18退耦。阻尼装置52与壳体50一起被内置在组件18内的腔体54中，并且阻尼装置52具有有效地对结构性振荡和组件18的振动进行减振的阻尼层56和阻尼材料60。

振荡元件22设置在壳体50内的空腔58中，通过膜48覆盖空腔58以与流12隔开，由此非常好地保护振荡元件22不受环境影响。在这种情况下，振荡元件22也是多层带24d的形式。带24d的振荡特性会受带24d的多个层的构造的影响。

在操作中，膜48被流12激发而产生振荡，这些振荡通过腔体54内的气压波动传递到振荡元件22。当出现预定的频率时，检测到按照与以上针对第一示例性实施方式所述类似的方式出现的谐振，并且将该谐振传递到评估装置40。

图2和图3所示的流状态传感器10的封装变化提供了额外的优点：流12没有进一步被正在振荡的振荡元件22激发或者流状态没有发生改变。

在特别优选的实施方式中，膜48的谐振频率适于振荡元件22的谐振频率，在这种情况下，谐振元件22是带24d的形式。

在任意情况下，膜48被构造为使得膜48的运动尽可能小地影响流12或者根本不影响流12，但是所附接的振荡元件22被激发。

根据确保待测量的振荡或待测量的频率的最大传递的需要，尽可能精确地预先确定设置振荡元件22的位置。所述位置可以取决于待测量的特定频率。优选地，在制造之前，将为此执行膜48的振荡模式的仿真计算，以确定针对特定的所需的预定频率的最大传递的位置。

其中设置有传感器元件(此处为带24、24d)的空腔58还可以被调整为使其尺寸适应于所需的谐振频率。特殊的壳体50用于提供具有合适的振荡或声学特性的所需的空腔58。

阻尼装置52在壳体50与柔性膜48之间具有阻尼材料60，该阻尼装置52防止结构性振荡被传递到膜48和谐振振荡元件22而使测量结果不真实。同样地，可以通过合适的构造方式来构造壳体50本身，或者通过上述阻尼层56来构造壳体50本身，以尽可能使振动不被传递到传感器元件22。

在图4和图5中，示出了由多个流状态传感器10组成的流测量装置62。流测量装置62具有流状态传感器10的阵列，该流状态传感器10的阵列以限定的空间分布设置，以检测各个流状态传感器10的位置处的层流状态或非层流状态。流测量装 置一体地形成在组件18的表面14中。

优选地通过微制造工程来一起制造流测量装置62的多个流状态传感器10。为此，流测量装置62由彼此接合的两个基板64和66形成。

第一基板64具体地由诸如硅的半导体材料或聚合物膜形成。在第一基板64上制造具有多个谐振振荡元件22的柔性膜48，该柔性膜48包括读出机构68和相关联的端子74。

可以在诸如例如聚合物膜的优选的薄的柔性基板中制造谐振传感器或者在该优选的薄的柔性基板上制造谐振传感器对于例如机翼的应用具有很大的优势，因为该谐振传感器可以被改型为组件(例如，飞行器)，并且在风洞试验中该谐振传感器可以与模型适配而无需调整这些模型。

在本文所示的示例中，读出机构68被构造为用于电容性读出。为此，带24、24d具有至少一层导电材料70或由这种导电材料70形成。自由端28与固定的导体片(blade)72交叠。按照这种方式形成电容器，该电容器的电容随着导体片72与自由端28处的导电材料之间的距离而变化。因此，可以通过测量或确定电容的变化来检测振荡运动30。

在第二基板68中制成腔体54或空腔58以及电镀通孔(through-plated hole)76，并且将电端子74与线路相连接。

然后，通过粘结结合(adhesive bond)将两个基板64、66按照精确匹配的方式接合在一起。

在制造过程中，振荡元件22设置有预定的固有频率。可以通过应用或去除材料和/或通过改变振荡元件22的形状和/或尺寸来改变固有频率。这些固有频率适于将由流状态传感器10对组件18执行的各个测量中所期望的托尔明-施里斯廷波的频率，以使得这些频率激发谐振振荡。

在图6中，还示出了流状态传感器10的第三实施方式。第三实施方式与第二实施方式的不同之处在于，频率检测装置20具有多个振荡元件22a、22b、22c(在此，类似地为带24a、24b、24c的形式)，这些振荡元件22a、22b、22c具有不同的固有频率。频率检测装置20因此对于多个不同的谐振频率敏感。按照这种方式，可以对典型频率进行更精确的表征。

一般地说，可以利用附图所示的流状态传感器10来检测特定类型的流状态的频 率特性的出现。流状态传感器的输出是数字式的，即，“1”代表存在该频率，进而代表存在待检测的流状态，而“0”代表不存在该频率。由于在该传感器类型的情况下只需要评估两种状态，所以评估装置40的设备会极其简单。待传输的数据量非常小，因此可以利用简单的装置来执行无线通信。因此，相比迄今使用的用于确定转变的现有的流状态传感器，本文所述的传感器类型具有明显的优势。

本文所述的流状态传感器10适于检测所有流体中的流。优选的应用是检测空气中的流(尤其是与飞行器相关)。然而，流状态传感器10还可以用于例如水等中的流(例如，与水中的运动主体(船等)相关)。

虽然以上已经参照一个或更多个优选实施方式描述了本发明，但是应该理解，在不脱离如所附权利要求书所限定的本发明范围的情况下，可以对本发明进行各种变化或修改。

附图标记列表

10流状态传感器

12流

14表面

16主体

18组件

20频率检测装置

22振荡元件

22a第一振荡元件

22b第二振荡元件

22c第三振荡元件

24带

24a第一带

24b第二带

24c第三带

24d多层带

26固定端

28自由端

30振荡运动

32能量产生装置

34磁性层

36导体

38存储器元件

40评估装置

42可控阻尼单元

44限制装置

46背离流的一侧

48柔性膜

50壳体

52阻尼装置

54腔体

56阻尼层

58空腔

60阻尼材料

62流测量装置

64第一基板(柔性膜)

66第二基板(支撑材料)

68读出机构

70导电材料

72导体片

74端子

76电镀通孔