4 中国测试 2016年7月 所示,光电二极管集成在基底中,位于浮动元件的前参考光栅(栅距g)的横向位移通过同一方向运动的 端和后端边缘位置。当流体中的浮动元件发生偏移,摩尔条纹进行放大。根据光栅的栅距,摩尔条纹周期 光电二极管在浮动元件上方相干光源照射下就会产G可表示为 生一个与剪切应力成正比的差分电流(反向偏置PN CoSo 结的泄漏电流)。传感器的静态校准表明输出响应 (14mPa-10Pa)上的最大非线性为1%,动态响应也其中a为一个固定角偏差。根据移动光栅的小位 超过了10kH。此外,与电容检测方案相比,这种传移,摩尔条纹的位移为 感器不受电磁干扰(EMI)等环境因素的影响。这种 △=6G (2) 检测方案的主要缺点是敏感元件和入射光源的远程 安装,这种分离导致传感器对光源的任意机械运动 摩尔条纹的位移可通过因子Gg1放大,如图6(b) (管道振动,管道膨胀等)都很敏感。 所示。 Chen等m提出了一种光学摩尔条纹干涉技术 为了得到作用在传感器上的剪切应力,需要 来测量壁面剪切应力。如图6(a)所示,当传感器工个能够检测摩尔条纹位移的方法。 Horowitz等通过 作在流体中时,导致浮动元件沿顺气流方向的偏移。 个1024像素线扫描电荷耦合器件(CCD)得到摩 在硅浮动元件和 Pyrex玻璃支撑结构上的铝光栅会尔条纹的图像,采用空间快速傅里叶变换(HT)计算 产生一个摩尔条纹图案,这个图案可用来放大浮动摩尔条纹的位移。Chen等直接在传感器后面安 装2×16通道光纤東,缩小了光学封装的尺寸。随后, 尔条纹图案后,通过特殊的数据处理方法计算出浮通过四通道光线阵列来调制摩尔条纹。摩尔条纹的 动元件偏移的位移。 离散部分和氮化硅抗反射涂层大大提高了该传感器 的性能:1)四通道光纤阵列正交技术求解摩尔条纹 截面A-A 相位,使封装更简单,而且提高了鲁棒性;2)摩尔条 纹的离散部分减少了通道间的串扰;3)使用氮化硅 动元件 抗反射涂层增加了条纹对比度。 动光栅 光栅反射光 1.1.2单悬臂梁浮动元件 如图7所示,单悬臂梁浮动元件可以绕一个固 涂层入射光 定的点偏移,这种设计有位移平衡和零平衡两种方 法。位移平衡直接检测浮动元件的偏移位移,与零平 衡测量维持浮动元件不动所需的力)方法相比,位移 平衡结构的设计,制造和维护的复杂度都降低了。浮 (a)传感器结构示意图 动元件与周围壁面齐平安装,它们之间存在很小的 间隙。悬臂梁的根部安装一个应变计,浮动元件的位 H 移和施加在悬臂梁根部的应变能够被测量,它们与施 加在浮动元件表面的剪切应力成正比。这种设计在 剪切应力很小时,传感器的灵敏度也很高,同时对垂 叫}G4 直壁面的压力却不敏感,并且有许多创造性的改进 可以用来扩展这种传感器的功能和操作范围。但是 加速度、温度和热传递对测量准确度都存在影响,最 大缺点是浮动元件与周围壁面的失准会引入很大的 误差。 1.2微栅栏 (b)摩尔条纹原理图 微栅栏嵌装在模型壁面,其法向为来流方向,如 图6摩尔条纹剪切应力传感器结构原理图 图8所示。核心敏感结构是固连在基底上厚度仅为 几十微米的微栅栏(薄片悬臂梁)。该敏感结构以几 摩尔条纹是通过两个栅距略微不同且相互平行百微米的凸出高度安装在模型壁面,位于边界层黏性 对齐的光栅产生的。移动光栅(栅距g1)相对于固定底层。微栅栏在流体的作用下会产生弯曲应变,通中国测试 2016 年 7 月 所示袁光电二极管集成在基底中袁位于浮动元件的前 端和后端边缘位置遥当流体中的浮动元件发生偏移袁 光电二极管在浮动元件上方相干光源照射下就会产 生一个与剪切应力成正比的差分电流渊反向偏置 PN 结的泄漏电流冤遥 传感器的静态校准表明输出响应 渊1.4 mPa耀10 Pa冤上的最大非线性为 1%袁动态响应也 超过了 10 kHz遥 此外袁与电容检测方案相比袁这种传 感器不受电磁干扰渊EMI冤等环境因素的影响遥 这种 检测方案的主要缺点是敏感元件和入射光源的远程 安装袁 这种分离导致传感器对光源的任意机械运动 (管道振动袁管道膨胀等)都很敏感遥 Chen 等[14-17]提出了一种光学摩尔条纹干涉技术 来测量壁面剪切应力遥 如图 6渊a冤所示袁当传感器工 作在流体中时袁导致浮动元件沿顺气流方向的偏移遥 在硅浮动元件和 Pyrex 玻璃支撑结构上的铝光栅会 产生一个摩尔条纹图案袁这个图案可用来放大浮动 元件的位移袁如图 6渊b冤所示遥 光学成像系统获得莫 尔条纹图案后袁 通过特殊的数据处理方法计算出浮 动元件偏移的位移遥 摩尔条纹是通过两个栅距略微不同且相互平行 对齐的光栅产生的遥 移动光栅渊栅距 g1冤相对于固定 参考光栅渊栅距 g2冤的横向位移通过同一方向运动的 摩尔条纹进行放大遥根据光栅的栅距袁摩尔条纹周期 G 可表示为 1 G = 1 g1 - cos琢 g2 渊1冤 其中 琢 为一个固定角偏差遥 根据移动光栅的小位 移啄袁摩尔条纹的位移为 驻=啄 G g1 渊2冤 摩尔条纹的位移可通过因子 G/g1 放大袁如图 6渊b冤 所示遥 为了得到作用在传感器上的剪切应力袁需要一 个能够检测摩尔条纹位移的方法遥Horowitz 等[14]通过 一个 1024 像素线扫描电荷耦合器件渊CCD冤得到摩 尔条纹的图像袁采用空间快速傅里叶变换渊FFT冤计算 摩尔条纹的位移遥 Chen 等[15-16]直接在传感器后面安 装 2伊16 通道光纤束袁缩小了光学封装的尺寸遥随后袁 通过四通道光线阵列来调制摩尔条纹[17]遥 摩尔条纹的 离散部分和氮化硅抗反射涂层大大提高了该传感器 的性能院1冤四通道光纤阵列正交技术求解摩尔条纹 相位袁使封装更简单袁而且提高了鲁棒性曰2冤摩尔条 纹的离散部分减少了通道间的串扰曰3冤使用氮化硅 抗反射涂层增加了条纹对比度遥 1.1.2 单悬臂梁浮动元件 如图 7 所示袁单悬臂梁浮动元件可以绕一个固 定的点偏移袁这种设计有位移平衡和零平衡两种方 法遥位移平衡直接检测浮动元件的偏移位移袁与零平 衡(测量维持浮动元件不动所需的力)方法相比袁位移 平衡结构的设计袁制造和维护的复杂度都降低了遥浮 动元件与周围壁面齐平安装袁它们之间存在很小的 间隙遥悬臂梁的根部安装一个应变计袁浮动元件的位 移和施加在悬臂梁根部的应变能够被测量袁它们与施 加在浮动元件表面的剪切应力成正比遥 这种设计在 剪切应力很小时袁传感器的灵敏度也很高袁同时对垂 直壁面的压力却不敏感袁并且有许多创造性的改进 可以用来扩展这种传感器的功能和操作范围[5] 遥但是 加速度尧温度和热传递对测量准确度都存在影响袁最 大缺点是浮动元件与周围壁面的失准会引入很大的 误差[18-19]遥 1.2 微栅栏 微栅栏嵌装在模型壁面袁其法向为来流方向袁如 图 8 所示遥 核心敏感结构是固连在基底上厚度仅为 几十微米的微栅栏渊薄片悬臂梁冤遥 该敏感结构以几 百微米的凸出高度安装在模型壁面袁位于边界层黏性 底层遥 微栅栏在流体的作用下会产生弯曲应变袁通 图 6 摩尔条纹剪切应力传感器结构原理图 光纤位置 啄 G/4 驻 g2 g1 G 渊b冤摩尔条纹原理图 渊a冤传感器结构示意图 T We Lt A Lc A 浮动元件 移动光栅 g1 参考 光栅 g2 抗反射 涂层 Wt Si 截面 A-A Pyrex 玻璃 反射光 g2 入射光 g1 浮动 元件 4