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    柔性熱膜剪應(yīng)力傳感器水下測量溫度修正

    2014-03-29 08:02:00馬炳和姜澄宇李雁冰王雷濤
    實(shí)驗(yàn)流體力學(xué) 2014年2期
    關(guān)鍵詞:剪應(yīng)力水溫標(biāo)定

    馬炳和, 王 毅, 姜澄宇, 李雁冰, 王雷濤

    (西北工業(yè)大學(xué) 空天微納系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 西安 710072)

    0 引 言

    流體壁面剪應(yīng)力的有效測量是實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)的重要課題,它可為研究分析邊界層狀態(tài)提供重要支持,對飛行器及水下航行器的優(yōu)化設(shè)計(jì)、減阻增升、主動(dòng)流動(dòng)控制,以及自然界的泥沙搬運(yùn)和沉積、水利工程的抗侵蝕能力等研究具有極其重要的意義。

    長期以來,流體壁面剪應(yīng)力一直沒有有效測量手段。傳統(tǒng)的熱線探針(Hot wire probe)雖然可以通過測量速度梯度來間接計(jì)算剪應(yīng)力,但是由于其近壁測量誤差大、標(biāo)定使用復(fù)雜等缺點(diǎn),不能滿足流體邊界層內(nèi)壁面剪應(yīng)力的測試要求。隨著微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的發(fā)展,制造敏感尺寸小、分辨率高、壁面貼合性好的熱敏測量元件成為可能[1]。國外的柏林工業(yè)大學(xué),加州理工大學(xué)等眾多科研機(jī)構(gòu)紛紛開始研究基于MEMS技術(shù)的新型剪應(yīng)力傳感器。其中,美國加州工學(xué)院與加州大學(xué)洛杉磯分校合作研制出的硅島式熱敏薄膜剪應(yīng)力傳感器陣列最具代表性,該傳感器已經(jīng)成功用于邊界層分離的研究[2]。國內(nèi)的西北工業(yè)大學(xué)也十分關(guān)注先進(jìn)剪應(yīng)力傳感器的設(shè)計(jì)和制造,并成功研制了聚酰亞胺基全柔性熱敏鎳膜剪應(yīng)力微傳感器陣列[3-5],開展了相應(yīng)的風(fēng)洞/水下測試應(yīng)用技術(shù)研究。該傳感器[6](見圖1)具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、空間分辨率高、曲面貼合性好、魯棒性高等特點(diǎn),能夠廣泛應(yīng)用于空氣和水下的壁面剪應(yīng)力測試。

    圖1 全柔性熱膜剪應(yīng)力傳感器陣列[6]

    柔性熱膜剪應(yīng)力傳感器依靠對流傳熱原理來實(shí)現(xiàn)邊界層內(nèi)剪應(yīng)力測量。因此,其輸出信號(hào)與流體溫度有很強(qiáng)的相關(guān)性。當(dāng)測點(diǎn)流體溫度與傳感器的原標(biāo)定溫度不一致時(shí),傳感器的輸出信號(hào)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重失真。因此,當(dāng)傳感器用于非標(biāo)定溫度流體測量時(shí)必須進(jìn)行溫度修正。

    截至目前,溫度影響研究多圍繞流速、流量等測量而展開[7-8],很少有針對流體壁面剪應(yīng)力的溫度影響研究。本文專門針對水下壁面剪應(yīng)力測量,研究水溫對傳感器的影響,提出基于恒溫(CT)驅(qū)動(dòng)的傳感器溫度修正補(bǔ)償方法,并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

    1 水溫對剪應(yīng)力的影響

    傳感器的測量原理如圖2所示。實(shí)際測量中,傳感器貼附于被測表面,并通以適當(dāng)電流將其加熱。當(dāng)電流激勵(lì)所產(chǎn)生的焦耳熱與流體通過強(qiáng)迫對流換熱作用所吸收的熱量相等時(shí),傳感器與流體達(dá)到熱平衡。假設(shè)水流溫度均勻一致,此時(shí),傳感器輸出電壓E與被測剪應(yīng)力τ的關(guān)系可用King公式[10]表示:

    圖2 熱膜剪應(yīng)力傳感器的測量示意圖[9]

    E2/R=(A+B·τ1/3)·(Ts-Tf)

    (1)

    式中:Tf為水溫,Ts為傳感器敏感元件的工作溫度,且Ts>Tf;R是工作溫度Ts對應(yīng)的傳感器敏感元件電阻值。

    傳感器熱敏膜的電阻溫度系數(shù)(TCR)在一定范圍內(nèi)為定值,溫度差可轉(zhuǎn)換為敏感阻值差的形式:

    (2)

    式中:R0是20℃時(shí)傳感器的電阻;Rf是流體溫度所對應(yīng)的敏感元件阻值。阻值R與Rf的比值L為傳感器的過熱比L=R/Rf。在恒溫(CT)驅(qū)動(dòng)模式,敏感電阻值R始終恒定。公式(1)可以用過熱比表示:

    (3)

    式中:Ac=A·R2/(R0·TCR);

    Bc=B·R2/(R0·TCR);

    Ac、Bc是與流體物性有關(guān)的系數(shù)。對于水溫Tf下標(biāo)定的傳感器,當(dāng)測量環(huán)境中的水流溫度與標(biāo)定不同時(shí),會(huì)造成測量誤差。分析公式(3),溫度影響表現(xiàn)為兩方面:一是水溫Tf變化影響過熱比L;二是流體物性隨溫度變化,引起系數(shù)Ac、Bc變化。

    1.1水溫對過熱比L的影響

    當(dāng)測試環(huán)境水溫相對標(biāo)定溫度發(fā)生偏移時(shí),傳感器的過熱比也隨之變化。對于水下測量而言,設(shè)置工作溫度過高會(huì)使傳感器敏感元件表面產(chǎn)生氣泡,從而影響測量有效性。因此,傳感器的工作溫度T通常設(shè)定為比水溫高20~30℃。對電阻溫度系數(shù)TCR為3000ppm/℃的傳感器敏感元件,根據(jù)定義L=R/Rf,傳感器的過熱比L取值區(qū)間為1.06~1.09(空氣測量中L的設(shè)置一般約為1.8)。在如此小的過熱比設(shè)置下,溫度偏移所引起的過熱比相對變化比空氣中更為明顯。圖3所示為0~±10℃范圍的水溫偏移對過熱比值的影響,其初始過熱比設(shè)置分別為:1.06、1.075和1.09。在0~±10℃范圍,水溫所引起的過熱比誤差范圍分別為±2.75%、±2.79%和±2.83%。

    若不考慮水溫對系數(shù)Ac、Bc的影響,根據(jù)公式(3),過熱比變化引起的傳感器輸出相對誤差可由公式(4)計(jì)算:

    (4)

    式中:L0為傳感器標(biāo)定時(shí)的初始過熱比。以L0=1.06為例,當(dāng)水溫偏移±10℃時(shí),傳感器輸出相對誤差為-28.2%~20.8%。水溫偏移對于傳感器輸出的影響如圖4所示。

    圖3 水溫偏移對過熱比的影響

    圖4 水溫偏移通過過熱比對傳感器輸出的影響

    1.2水溫對系數(shù)Ac和Bc的影響

    要分析水溫對系數(shù)Ac、Bc的影響,必須明確Ac和Bc中與流體相關(guān)的物性參量及其與溫度的函數(shù)關(guān)系。根據(jù)H. Kramers對強(qiáng)迫對流換熱系數(shù)的研究,公式(1)可表示成努賽爾數(shù)Nu的形式[11]:

    (5)

    式中:As和ls分別為傳感器敏感元件的換熱面積和長度。Re為被測點(diǎn)的雷諾數(shù),Pr為流體的普朗特?cái)?shù),λf為流體的導(dǎo)熱系數(shù)。被測點(diǎn)處的剪應(yīng)力τ與雷諾數(shù)Re有如下關(guān)系:

    τ=0.332·ρυ2·Re3/2

    (6)

    式中:ρ和υ分別為流體密度和運(yùn)動(dòng)粘度。

    結(jié)合方程(1)、(5)和(6),可以得到系數(shù)Ac和Bc的表達(dá)式:

    Ac=Ca·λfPr1/5=Ca·fa(T)

    (7)

    Bc=Cb·λf(Pr/ρυ2)1/3=Cb·fb(T)

    (8)

    式中:Ca和Cb是與溫度無關(guān)的常數(shù)。

    fa(T)、fb(T)反映了水溫對系數(shù)Ac、Bc的影響,與水的密度ρ、動(dòng)力粘度υ、導(dǎo)熱系數(shù)λf、普朗特?cái)?shù)Pr等物理性質(zhì)有關(guān)。在0~100℃的溫度范圍內(nèi),水的上述物理性質(zhì)取值參見表1。

    表1 水的物理性質(zhì)與溫度的關(guān)系[12]

    根據(jù)表1,0~100℃內(nèi)fa(T) 和fb(T)的值與水溫的分布關(guān)系如圖5和6所示。

    圖5 0~100℃水溫范圍內(nèi)fa(T) 值

    圖6 0~100℃水溫范圍內(nèi)fb(T) 值

    fa(T)、fb(T) 與溫度的函數(shù)關(guān)系可用多項(xiàng)式回歸獲得,其具體形式如下:

    fa(T)=92.52-0.2081×T+4.831×10-4×T2

    (9)

    fb(T)=8.937+0.1298×T-3.074×10-4×T2

    (10)

    2 水溫影響的修正方法

    目前,國內(nèi)外基本沒有專門針對流體壁面剪應(yīng)力的溫度影響研究??諝庵袦y量時(shí),氣溫對柔性熱膜傳感器輸出的影響只能參照流速測量時(shí)的修正方法進(jìn)行修正[13-14]:

    (11)

    式中:a、b是常數(shù),a的取值在0.8~0.86之間,b的取值在0.76~0.9之間,Tr為傳感器的標(biāo)定溫度。

    該方法僅能用于空氣測量,并不適用于水下剪應(yīng)力測量。原因主要有兩個(gè):一是空氣的普朗特?cái)?shù)Pr隨溫度波動(dòng)很小。在0~100℃范圍內(nèi),普朗特?cái)?shù)為0.688~0.707,可以近似認(rèn)為其為常數(shù),不受溫度的影響。而相同溫度條件,水中普朗特?cái)?shù)變化范圍為1.75~ 13.67,比空氣大很多。普朗特?cái)?shù)Pr所受溫度的影響不能忽略。二是水的密度ρ、動(dòng)力粘度υ和導(dǎo)熱系數(shù)λf隨溫度的變化幅度要比空氣中大得多,公式(11)中的指數(shù)a和b不再是常數(shù)。

    因此,針對水下剪應(yīng)力測量而言,需要考慮建立單獨(dú)的溫度修正方法。

    假設(shè)水溫Tr時(shí),恒溫驅(qū)動(dòng)下的傳感器標(biāo)定輸出為Er,根據(jù)公式(3)有:

    (12)

    式中:Lr為水溫Tr時(shí)的過熱比,Acr、Bcr為水溫Tr下的傳感器標(biāo)定系數(shù)。

    在剪應(yīng)力τ相同的情況下,水溫為T時(shí)傳感器的輸出信號(hào)E與Er關(guān)系如下:

    (13)

    標(biāo)定時(shí)的輸出Er可表示為:

    (14)

    實(shí)際應(yīng)用時(shí),假如得到了傳感器在某溫度下的測量輸出E,為獲得被測剪應(yīng)力,可先依上式推導(dǎo)出標(biāo)定溫度時(shí)對應(yīng)的傳感器輸出Er,再根據(jù)標(biāo)定公式換算出相應(yīng)的剪應(yīng)力值。

    由于實(shí)際測量中,Acr、Bcr、Lr為已知量。過熱比L可以通過水溫T計(jì)算得到。因此,只需計(jì)算出系數(shù)Ac、Bc的就可求出Er的值。根據(jù)公式(7)、(8)可知,Ac、Bc與Acr、Bcr的比值與fa(T)、fb(T)與fa(Tr)、fb(Tr) 比值相等,因此,可以通過引入比值系數(shù)α、β來表征Ac、Bc:

    (15)

    (16)

    因此,公式(14)可以變成如下形式:

    (17)

    可見,公式(17)建立了傳感器測量輸出電壓E與標(biāo)定輸出參考電壓Er的關(guān)系。對于工作在非標(biāo)定溫度下的傳感器而言,可以借其消除溫度偏移的影響,從而獲得被測剪應(yīng)力的準(zhǔn)確值。

    3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

    上述溫度修正方法的有效性可通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。測量不同水溫下傳感器的輸出,并觀察其運(yùn)用公式(17)進(jìn)行修正前后相對于參考溫度下傳感器輸出的偏移程度。若修正后傳感器的輸出與參考溫度下的輸出基本重合,則證明該修正方法確實(shí)有效。

    實(shí)驗(yàn)采用小高寬比的矩形水槽作為剪應(yīng)力輸入裝置[15],通過精密的流量計(jì)和節(jié)流閥的配合,可實(shí)現(xiàn)0~10Pa范圍內(nèi)剪應(yīng)力的連續(xù)輸出。矩形通道橫截面寬度為w=10mm,高度為h=0.6mm,長度為l=100mm。柔性熱膜傳感器平齊放置于水槽底壁上,距注水口45~55mm處,如圖7所示。

    圖7 剪應(yīng)力輸入裝置示意圖

    水槽的流量范圍為0~6.2cm3/s,槽內(nèi)的雷諾數(shù)Re<2000,傳感器始終處于層流區(qū)域內(nèi)。水槽底部的壁面剪應(yīng)力τ與通過矩形橫截面的水流量Q具有對應(yīng)關(guān)系,其計(jì)算方法如下:

    (18)

    式中:n=h/w為水槽橫截面的高寬比;φ(n)為內(nèi)流通道的形狀修正因子;Dh為內(nèi)流通道的水力學(xué)半徑;μ為水的動(dòng)力粘度;Q為流經(jīng)通道的水流量。

    實(shí)驗(yàn)中傳感器采用恒溫驅(qū)動(dòng),其工作溫度設(shè)定為40℃,且在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中保持不變;設(shè)定測試水流的溫度分別為19.94℃、25.07℃和27.92℃,且在每組測量過程中水溫保持穩(wěn)定(水溫的變化量ΔT≤0.1℃,測量溫度轉(zhuǎn)換后的穩(wěn)定時(shí)間大于1h)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

    圖8 在不同水溫下傳感器的電壓輸出

    將水溫19.94℃作為標(biāo)定參考溫度,考察相對溫度偏移對于傳感器輸出的影響。從圖8中可以看出,隨著水溫逐次升高,傳感器輸出順次減小,靈敏度也隨之降低。

    相對于標(biāo)定參考輸出,溫度偏移造成的輸出相對誤差如圖9所示。傳感器在25.07℃和27.92℃水溫環(huán)境時(shí),其相對誤差大約分別為23.7%、37.1%??梢?,水溫偏移對傳感器輸出的影響很大,也說明了對傳感器進(jìn)行溫度修正的必要性。

    圖9 水溫對傳感器輸出的影響

    根據(jù)(17)式所建立的傳感器測量輸出電壓E與標(biāo)定參考輸出Er的關(guān)系,分別對水溫25.07℃、27.92℃時(shí)的輸出進(jìn)行修正。其結(jié)果如圖10所示。

    可以看到,經(jīng)過補(bǔ)償校正后,傳感器的輸出電壓與標(biāo)定參考電壓一致。其相對誤差也由23.7%、37.1%減小到了0.82%、0.83%。由此可見,對恒溫系統(tǒng)而言,該修正方法能有效消除水溫偏移對傳感器的影響。

    圖10 修正后的傳感器輸出電壓

    4 結(jié) 論

    分析了水下剪應(yīng)力測量時(shí),溫度對傳感器的影響。從傳感器過熱比、流體物理性質(zhì)與溫度的關(guān)系出發(fā),推導(dǎo)了熱敏剪應(yīng)力測量行為方程參數(shù)與溫度的關(guān)系,建立了基于恒溫驅(qū)動(dòng)的水下剪應(yīng)力測量溫度修正方法。實(shí)驗(yàn)證明,該方法可有效減小不同水溫下傳感器輸出的相對誤差,消除水溫偏移對傳感器的影響,使傳感器輸出更準(zhǔn)確反映被測剪應(yīng)力情況。

    致謝:研究得到了國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)項(xiàng)目(2013YQ040911)支持,在此表示感謝。

    參考文獻(xiàn):

    [1]Xu Yong. A MEMS multi-sensor chip for gas flow sensing[J]. Sensors and Actuators, 2005, A121: 253-261.

    [2]Xu Yong. Flexible shear-stress sensor skin and its application to unmanned aerial vehicles[J]. Sensors and Actuators, 2003, A105: 321-329.

    [3]Ma B, Ren J, Deng J, et al. Flexible thermal sensor array on PI film substrate for underwater applications[C]//Micro Electro Mechanical Systems (MEMS), 23rd International Conference on IEEE, 2010: 679-682.

    [4]Ren Jinzhong, Ma Binghe. Fully flexible hot film sensor array for underwater applications[C]. Proceedings of the 2010 5th IEEE International Conference on Nano/Micro Engineered and Molecular Systems, 2010: 178-181.

    [5]Ren Jinzhong. Fully flexible hot film sensor array for underwater applications[C]. International Conference on Nano/Micro Engineered and Molecular Systems IEEE, 2010, 5th.

    [6]馬炳和, 趙建國, 鄧進(jìn)軍, 等. 全柔性熱膜微傳感器陣列制造工藝及性能優(yōu)化[J]. 光學(xué)精密工程, 2009, 8(17): 1971-1977.

    Ma B H, Zhao J G, Deng J J, et al. Fabrication of flexible hot film sensor array and its optimization[J]. Optics and Precision Engineering, 2009, 8(17): 1971-1977.

    [7]Bremhorst K. Effect of fluid temperature on hot wire anemometers and an improved method of temperature compensation and linearization without use of small signal sensitivities[J]. Phys E: Sci Instrum, 1985, 18: 44-49.

    [8]Bowers C G, Willits D H, Bowen H D. Comparison of temperature correction methods for hot wire anemometers[J]. Transactions of the ASABE, 1988, 31(5): 1552-1555.

    [9]馬炳和, 周保清, 鄧進(jìn)軍, 等. MEMS 微型熱敏傳感器的隔熱結(jié)構(gòu)及其性能分析[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào), 2008, 21(6): 933-937.

    Ma B H, Zhao J G, Deng J J, et al. On heat insulation of micro thermal sensor using FEA[J]. Chinese Journal of Sensors and Actuators, 2008, 21(6): 933-937.

    [10] King L V. On the convection of heat from small cylinders in a stream of fluid: determination of the convection constants of small platinum wires, with applications to hot-wire anemometry[J]. Proceedings of the Royal Society of London. Series A, 1914, 90(622): 563-570.

    [11] Kramers H. Heat transfer from spheres to flowing media[J]. Physica 1946, 12: 61-120.

    [12] 楊世銘, 陶文銓. 傳熱學(xué)第三版[M]. 北京: 高等教育出版社, 1998: 207-212.

    Yang Shiming, Tao Wenquan. Heat transfer 3rd. Edition[M]. Higher Education Press, Beijing, 1998: 207-212.

    [13] 張世榮. 熱式氣體流量計(jì)溫度補(bǔ)償算法研究[D]. 武漢: 華中科

    技大學(xué). 2007.

    Zhang S R. Research on thermal gas mass flowmeter and compensation arithmetics[D]. Wuhan: Huazhong University of Science & Technology, 2007.

    [14] Sosna C, Buchner R, Lang W. A temperature compensation circuit for thermal flow sensors operated in constant-temperature-difference mode[J]. Instrumentation and Measurement, IEEE Transactions on, 2010, 59(6): 1715-1721.

    [15] Xu Yong. Micromachined thermal shear-stress sensor for underwater applications[J]. IEEE Journal of Microelectromechanical Systems, 2005, 14(5): 1023-1030.

    作者簡介:

    馬炳和(1972-),西北工業(yè)大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師,微納系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室副主任。研究方向:航空航天微系統(tǒng)、微傳感器及先進(jìn)測試技術(shù)研究。通訊地址:陜西省西安市友誼西路127號(hào)(710072)。E-mail:mabh@nwpu.edu.cn

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