6 中国测试 2016年7月 电路集成的可能性,传感器的性能提高了许多。证明 了该传感器的输出响应与剪切应力的立方根成正 俯视图。O>o 比,与经典理论的预测一致,给出了一个预测传感器 输出的半经验模型 热线风速计研究成熟度比热膜高,但是温度校 正仍然是一个难题。考虑到环境温度改变对热线的 影响,主要方法就是保持恒定的过热比率,基于热传 递理论修正温度变化,以及探针直接校正温度和速 度的变化。一些研究学者试图修正热剪切应力传感 参考标记 器环境温度的变化,如 Ruedi等凹发现传感器工作 在更高的过热比下会影响传感器测量脉动剪切应 图11微柱传感器结构原理图 力的能力,并提出该传感器在具有温度补偿的条件 下可以工作在过热比≤12的环境中。杨少华等结成正比,如图11所示。微柱的偏移同时被一个高速 合热剪应力传感器的热交换模型,研究了流体环境放大的成像系统记录,该成像系统位于被测表面的 温度变化的影响机理,设计了结合流体温度,从信正上方,通过标准粒子示踪技术可以得到微柱顶端的 号处理角度修正传感器输出的温度补偿方法。测试位移(△)。微柱顶端有反光涂层,反光球或者荧光 结果表明温度造成的输出信号偏移误差降低了,提物质,这样可以提供高对比度图像。 高了剪切应力测量的准确度。 Brucker等閃首先提出了微柱剪切应力传感器, 22微柱 并且证明了MPS3具有测量不稳定流体剪切应力分 微柱剪切应力传感器( the micro- pillar shear-布的能力。由于微柱的纵横比(LD,L为微柱的高 stress sensor,MPS)的敏感元件由一定密度的柔性度,D为微柱的直径)和杨氏模量E对传感器的灵敏 微柱构成,微柱(直径一般为几十微米)由弹性体(比度影响很大,所以提高微柱的纵横比非常重要,同时 如PDMS)构成,具有高的抗拉伸强度值。微柱顶还要保证微柱具有一定的刚度值以及高度不超出 端完全浸没在边界层粘性底层中,它会弯曲到阻力和粘性底层。PDMS材料具有宽的温度使用范围和高 内部弹性应变平衡的位置,顶端的位移与剪切应力的抗冲击强度,使得该传感器不仅可以在液体中使 用,还可以在空气中使用。动态校准表明微柱传感器 在空气流中的动态响应与水流的动态响应不同m 在液体中,该传感器表现出低通滤波的性能;而在空 薄膜传感器 气中由于空气的低阻尼,输出响应具有一个强烈的 谐振。如果湍流频率大于该传感器结构的阻尼本征 频率,对低通滤波的性能是非常有利的,但是只有湍 流频率低于本征频率的结构才能用来测量剪切应 力。微柱具有高的纵横比可以提高传感器的灵敏度, 图9典型热传感器的横截面示意图 但同时降低了传感器的谐振频率,从而限制了传感 器的频率响应带宽,这在高雷诺数流体中特别明显 因此需要综合考虑传感器的纵横比和灵敏度。 热敏感元件 Gnanamanickam等圜通过在微柱周围制造一些参考 标记来增加测量微柱位移的准确度(见图11),减小 薄膜 了实验设备和光学系统振动引入的误差。微柱剪切 应力传感器可以同时测量剪切应力的两个平行分 量,而且不存在交叉轴灵敏度问题。但是这种方法需 要光学通道,并不适用于所有流体环境咧。 3展望 硅基底 相干结构在湍流剪切流动的动力学特性中具有 图10典型空腔热传感器横截面示意图 重要地位,对相应结构的控制能力将具有重要的技术中国测试 2016 年 7 月 电路集成的可能性袁传感器的性能提高了许多遥证明 了该传感器的输出响应与剪切应力的立方根成正 比袁与经典理论的预测一致袁给出了一个预测传感器 输出的半经验模型遥 热线风速计研究成熟度比热膜高袁但是温度校 正仍然是一个难题遥 考虑到环境温度改变对热线的 影响袁主要方法就是保持恒定的过热比率袁基于热传 递理论修正温度变化袁以及探针直接校正温度和速 度的变化遥 一些研究学者试图修正热剪切应力传感 器环境温度的变化袁如 Ruedi 等[31]发现传感器工作 在更高的过热比下会影响传感器测量脉动剪切应 力的能力袁并提出该传感器在具有温度补偿的条件 下可以工作在过热比臆1.2 的环境中遥 杨少华等[32]结 合热剪应力传感器的热交换模型袁 研究了流体环境 温度变化的影响机理袁设计了结合流体温度袁从信 号处理角度修正传感器输出的温度补偿方法遥 测试 结果表明温度造成的输出信号偏移误差降低了袁提 高了剪切应力测量的准确度遥 2.2 微 柱 微柱剪切应力传感器渊the micro-pillar shear￾stress sensor袁MPS3冤的敏感元件由一定密度的柔性 微柱构成袁微柱渊直径一般为几十微米冤由弹性体渊比 如 PDMS冤构成袁具有高的抗拉伸强度值[33-34]遥 微柱顶 端完全浸没在边界层粘性底层中袁它会弯曲到阻力和 内部弹性应变平衡的位置袁顶端的位移与剪切应力 成正比袁如图 11 所示遥 微柱的偏移同时被一个高速 放大的成像系统记录袁该成像系统位于被测表面的 正上方袁通过标准粒子示踪技术可以得到微柱顶端的 位移渊驻tip冤遥 微柱顶端有反光涂层袁反光球或者荧光 物质袁这样可以提供高对比度图像遥 Br俟cker 等[35]首先提出了微柱剪切应力传感器袁 并且证明了 MPS3 具有测量不稳定流体剪切应力分 布的能力遥 由于微柱的纵横比渊Lp/Dp袁Lp 为微柱的高 度袁Dp 为微柱的直径冤和杨氏模量 E 对传感器的灵敏 度影响很大袁所以提高微柱的纵横比非常重要袁同时 还要保证微柱具有一定的刚度值以及高度不超出 粘性底层遥 PDMS 材料具有宽的温度使用范围和高 的抗冲击强度袁使得该传感器不仅可以在液体中使 用袁还可以在空气中使用遥动态校准表明微柱传感器 在空气流中的动态响应与水流的动态响应不同[36-37]袁 在液体中袁该传感器表现出低通滤波的性能曰而在空 气中由于空气的低阻尼袁输出响应具有一个强烈的 谐振遥 如果湍流频率大于该传感器结构的阻尼本征 频率袁对低通滤波的性能是非常有利的袁但是只有湍 流频率低于本征频率的结构才能用来测量剪切应 力遥微柱具有高的纵横比可以提高传感器的灵敏度袁 但同时降低了传感器的谐振频率袁从而限制了传感 器的频率响应带宽袁这在高雷诺数流体中特别明显袁 因此需要综合考虑传感器的纵横比和灵敏度[37]遥 Gnanamanickam 等[38]通过在微柱周围制造一些参考 标记来增加测量微柱位移的准确度渊见图 11冤袁减小 了实验设备和光学系统振动引入的误差遥 微柱剪切 应力传感器可以同时测量剪切应力的两个平行分 量袁而且不存在交叉轴灵敏度问题遥但是这种方法需 要光学通道袁并不适用于所有流体环境[39]遥 3 展 望 相干结构在湍流剪切流动的动力学特性中具有 重要地位袁对相应结构的控制能力将具有重要的技术 驻tip 驻tip x y u + Lp x y z 参考标记 俯视图 图 11 微柱传感器结构原理图 图 9 典型热传感器的横截面示意图 薄膜传感器 啄T 啄渊x冤 L 芯片 图 10 典型空腔热传感器横截面示意图 V D 空腔 L 硅基底 薄膜 热敏感元件 6