基于微納米纖維陣列的流體傳感器及其測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種流體傳感器，特別涉及一種基于微納米纖維陣列的流體傳感器及 其測(cè)量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 流場(chǎng)狀態(tài)(包括速度大小與方向，流體粘性、密度等特性等）的測(cè)量在許多領(lǐng)域中 都有著極其重要的價(jià)值，這些測(cè)量的數(shù)據(jù)也為進(jìn)行更深層次、有價(jià)值的分析提供了基礎(chǔ)。
[0003] 現(xiàn)有技術(shù)中流體傳感器的測(cè)量精度只能達(dá)到1毫米每秒，對(duì)于一些精密測(cè)量來(lái) 說(shuō)，這一精度仍有待提高。另外，現(xiàn)有的流體傳感器的尺寸只能達(dá)到分米級(jí)別，對(duì)于一些更 加精細(xì)環(huán)境的流場(chǎng)測(cè)量，這種大尺寸級(jí)別更是限制了其使用范圍。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 有鑒于此，確有必要提供一種能夠?qū)α黧w特性進(jìn)行超高精度測(cè)量、尺寸更小的流 體傳感器及其測(cè)量方法。
[0005] -種流體傳感器，其包括：一懸臂結(jié)構(gòu)；一微納米纖維陣列，該微納米纖維陣列設(shè) 置于所述懸臂結(jié)構(gòu)的表面，所述微納米纖維陣列包括多個(gè)微納米纖維，該多個(gè)微納米纖維 的延伸方向基本一致且與所述懸臂結(jié)構(gòu)的表面形成一夾角；以及一探測(cè)裝置，所述探測(cè)裝 置用于探測(cè)懸臂結(jié)構(gòu)的彎曲變形的程度。
[0006] 一種采用如上所述的流體傳感器測(cè)量流體特性的方法，其包括以下步驟：將該流 體傳感器置于靜態(tài)環(huán)境中，該流體傳感器中的懸臂結(jié)構(gòu)為一平板結(jié)構(gòu)，所述懸臂結(jié)構(gòu)的一 端為固定端，另一端為自由端；利用激光器將激光入射到該懸臂結(jié)構(gòu)的表面，再利用該光 電探測(cè)器接收該激光器入射到該懸臂結(jié)構(gòu)的表面并被反射的光線，記錄激光在懸臂結(jié)構(gòu)表 面的入射位置，入射夾角α，以及第一次反射光斑的位置；將上述流體傳感器中的微納米 纖維陣列完全置于待測(cè)流場(chǎng)環(huán)境中，保持激光器發(fā)出激光的入射方向以及激光器與懸臂結(jié) 構(gòu)的相對(duì)位置不變，移動(dòng)光電探測(cè)器，以記錄第二次反射光斑的位置，得到第一次與第二次 反射光斑的位置偏移量△;根據(jù)該反射光斑的位置偏移量△，激光入射位置到固定端的 距離I 2，微納米纖維陣列的重心位置到固定端距離I1，光電探測(cè)器到懸臂結(jié)構(gòu)表面的垂直 投影點(diǎn)D，激光入射位置到投影點(diǎn)D的距離為I 3，以及激光入射夾角α計(jì)算得到流場(chǎng)速度
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種流體傳感器，其包括： 一懸臂結(jié)構(gòu)； 一微納米纖維陣列，該微納米纖維陣列設(shè)置于所述懸臂結(jié)構(gòu)的表面，所述微納米纖維 陣列包括多個(gè)微納米纖維，該多個(gè)微納米纖維的延伸方向基本一致且與所述懸臂結(jié)構(gòu)的表 面形成一夾角；以及 一探測(cè)裝置，所述探測(cè)裝置用于探測(cè)懸臂結(jié)構(gòu)的彎曲變形的程度。
2. 如權(quán)利要求1所述的流體傳感器，其特征在于，所述懸臂結(jié)構(gòu)具有一自由端，該微納 米纖維陣列設(shè)置于所述懸臂結(jié)構(gòu)的自由端的表面。
3. 如權(quán)利要求1所述的流體傳感器，其特征在于，所述懸臂結(jié)構(gòu)至少包括一對(duì)平行且 相對(duì)的表面，即第一表面和第二表面，該微納米纖維陣列設(shè)置于所述懸臂結(jié)構(gòu)的第一表面 或第二表面。
4. 如權(quán)利要求1所述的流體傳感器，其特征在于，所述微納米纖維陣列中的多根微納 米纖維相互間隔設(shè)置，每根所述微納米纖維的直徑d為20微米至100微米，每根所述微納 米纖維的長(zhǎng)徑比為10~1000。
5. 如權(quán)利要求3所述的流體傳感器，其特征在于，每根所述微納米纖維的延伸方向與 所述懸臂結(jié)構(gòu)的第一表面、第二表面的夾角為90度。
6. 如權(quán)利要求1所述的流體傳感器，其特征在于，所述微納米纖維陣列的高度為500微 米至10毫米。
7. 如權(quán)利要求1所述的流體傳感器，其特征在于，所述微納米纖維陣列中任意相鄰兩 根微納米纖維的距離L與單根微納米纖維的直徑d的比值，即微納米纖維陣列的排列密度 d/L 滿足 0. l〈d/L〈l。
8. 如權(quán)利要求1所述的流體傳感器，其特征在于，所述微納米纖維的材料為碳納米管、 碳纖維、光刻膠或聚二甲基硅氧烷。
9. 如權(quán)利要求1所述的流體傳感器，其特征在于，每根所述微納米纖維為一碳納米管 束，該碳納米管束包括多根平行排列的碳納米管，該多根平行排列的碳納米管通過(guò)范德華 力緊密聚集成束狀結(jié)構(gòu)。
10. 如權(quán)利要求1所述的流體傳感器，其特征在于，所述探測(cè)裝置進(jìn)一步包括一激光器 和一光電探測(cè)器位于所述懸臂結(jié)構(gòu)的同側(cè)，該激光器發(fā)出的激光入射到所述懸臂結(jié)構(gòu)的表 面，該光電探測(cè)器接收從該懸臂結(jié)構(gòu)表面反射的激光光線。
11. 一種采用如權(quán)利要求10所述的流體傳感器測(cè)量流體特性的方法，其包括以下步 驟： 將該流體傳感器置于靜態(tài)環(huán)境中，該流體傳感器中的懸臂結(jié)構(gòu)為一平板結(jié)構(gòu)，所述懸 臂結(jié)構(gòu)的一端為固定端，另一端為自由端； 利用激光器將激光入射到該懸臂結(jié)構(gòu)的表面，再利用該光電探測(cè)器接收該激光器入射 到該懸臂結(jié)構(gòu)的表面并被反射的光線，記錄激光在懸臂結(jié)構(gòu)表面的入射位置，入射夾角α， 以及第一次反射光斑的位置； 將上述流體傳感器中的微納米纖維陣列完全置于待測(cè)流場(chǎng)環(huán)境中，保持激光器發(fā)出激 光的入射方向以及激光器與懸臂結(jié)構(gòu)的相對(duì)位置不變，移動(dòng)光電探測(cè)器，以記錄第二次反 射光斑的位置，得到第一次與第二次反射光斑的位置偏移量Δ ; 根據(jù)該反射光斑的位置偏移量Δ，激光入射位置到固定端的距離I2，微納米纖 維陣列的重心位置到固定端距離I1，光電探測(cè)器到懸臂結(jié)構(gòu)表面的垂直投影點(diǎn)D， 激光入射位置到投影點(diǎn)D的距離為I 3，以及激光入射夾角α計(jì)算得到流場(chǎng)速度
3，其中，EI為懸臂結(jié)構(gòu)的彎曲剛度；C d為阻力系數(shù)；P為流體密度；η 為微納米纖維的根數(shù);h為微納米纖維的高度；d為微納米纖維的直徑。
12. 如權(quán)利要求1所述的流體傳感器，其特征在于，所述懸臂結(jié)構(gòu)為一導(dǎo)電平板，所述 流體傳感器進(jìn)一步包括另外一導(dǎo)電平板與所述懸臂結(jié)構(gòu)組成一平板電容器，所述微納米纖 維陣列設(shè)置于所述懸臂結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)離該另一導(dǎo)電平板的表面，通過(guò)該懸臂結(jié)構(gòu)彎曲變形引起的 該平板電容器的電容值的變化來(lái)測(cè)量流體特性。
13. -種采用如權(quán)利要求12所述的流體傳感器測(cè)量流體特性的方法，其包括以下步 驟： 將所述流體傳感器置于靜態(tài)環(huán)境中； 記錄流體傳感器置于靜態(tài)環(huán)境中平板電容器的電容值Q1; 將上述流體傳感器中的微納米纖維陣列完全置于待測(cè)流場(chǎng)中，記錄所述平板電容器的 電容值C1; 又有，C。= eal2/d。（1) 力矩 M= nCDP v2dh2/4 (2)
其中，ε為介電常數(shù)，a為所述懸臂結(jié)構(gòu)的寬度，I2為所述懸臂結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度，Cltl為所述 懸臂結(jié)構(gòu)與另一導(dǎo)電平板的間距；EI為懸臂結(jié)構(gòu)的彎曲剛度；Cd為阻力系數(shù)；P為流體密 度；η為微納米纖維的根數(shù);h為微納米纖維的高度；d為微納米纖維的直徑；I 1為微納米纖 維陣列的重心位置到固定端距離； 根據(jù)記錄平板電容器的電容值CpC1及公式（1)~（3)，計(jì)算得到流場(chǎng)速度 V=F^(C1-C0)o
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種流體傳感器，其包括：一懸臂結(jié)構(gòu)；一微納米纖維陣列，該微納米纖維陣列設(shè)置于所述懸臂結(jié)構(gòu)的表面，所述微納米纖維陣列包括多個(gè)微納米纖維，該多個(gè)微納米纖維的延伸方向基本一致且與所述懸臂結(jié)構(gòu)的表面形成一夾角；以及一探測(cè)裝置，所述探測(cè)裝置用于探測(cè)懸臂結(jié)構(gòu)的彎曲變形的程度。進(jìn)一步本發(fā)明涉及一種采用上述流體傳感器測(cè)量流體特性的方法。
【IPC分類(lèi)】B82Y40-00, G01D21-02, B82Y35-00
【公開(kāi)號(hào)】CN104729579
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410679341
【發(fā)明人】徐志平, 大西大, 萬(wàn)宇
【申請(qǐng)人】清華大學(xué), 羅姆株式會(huì)社
【公開(kāi)日】2015年6月24日
【申請(qǐng)日】2014年11月24日