本发明专利技术公开了一种柔性二维壁面剪应力传感器及其制备方法，所述传感器包括：柔性衬底；测力单元，所述测力单元设于所述柔性衬底上；被配置为通过检测其在流场中的温度变化量得到二维壁面剪应力的大小；测向单元，所述测向单元位于所述柔性衬底上，环设于所述测力单元外围；被配置为对所述测向单元与所述测力单元预设正方向的夹角、所述测向单元在所述流场中的温度变化量进行运算，得到所述二维壁面剪应力与所述测力单元预设正方向的夹角，所述夹角用于表示所述二维壁面剪应力的方向，实现了壁面剪应力大小及其方向的高精度测量。面剪应力大小及其方向的高精度测量。面剪应力大小及其方向的高精度测量。
【技术实现步骤摘要】
一种柔性二维壁面剪应力传感器及其制备方法
[0001]本专利技术属于流体测量
，特别是涉及一种柔性二维壁面剪应力传感器及其制备方法。
技术介绍
[0002]流体壁面剪应力是流体流经物体表面时，由于粘性作用在壁面产生的切向应力，是研究航空飞行器、水下航行器流场边界层结构及其发展、分析流动机理的基础，对飞行器、航行器的气动、水动设计及优化有重要支撑作用。
[0003]飞行器、航行器的外流场具有非均匀、非定常的复杂三维特性，且飞行器、航行器的边界层极易被干扰破坏，如何对飞行器、航行器的边界层的剪应力进行高动态高精度测量一直是学术研究与工程探索的难点。现有较成熟的壁面剪应力测量装置有普雷斯顿管、斯坦顿管、摩阻天平、底层隔板式、电容式、压阻应变式等MEMS微传感器等，但是这些装置在测量过程中会对流场造成破坏，且不具备二维壁面剪应力测量能力，无法对横向湍涡进行精细化测量，难以适用于流动机理分析；壁面剪应力测量方法有油膜法、红外热成像等，但是上述测量方法不具备准确定量测量能力，难以实现高精度、高动态响应的测量需求。近年来，柔性壁面剪应力微传感器在测量飞行器、航行器的边界层的剪应力中发展迅猛，但是无法精确测量流动方向，且突出的引线会对流场造成一定程度的影响，因此目前尚未应用在湍流精细化测量及涡场结构时空演化等领域。
技术实现思路
[0004]基于此，本专利技术提供了一种柔性二维壁面剪应力传感器及其制备方法，解决了现有柔性壁面剪应力微传感器无法精确测量剪应力及流动方向的问题，进一步解决了测量过程中柔性壁面剪应力微传感器影响流场的问题。
[0005]本专利技术提供的一种柔性二维壁面剪应力传感器，所述传感器包括：
[0006]柔性衬底；
[0007]测力单元，所述测力单元设于所述柔性衬底上；被配置为通过检测其在流场中的温度变化量得到二维壁面剪应力大小；
[0008]测向单元，所述测向单元位于所述柔性衬底上，环设于所述测力单元外围；被配置为对所述测向单元与所述测力单元预设正方向的夹角、所述测向单元在所述流场中的温度变化量进行运算，得到所述二维壁面剪应力与所述测力单元预设正方向的夹角，所述夹角用于表示所述二维壁面剪应力的方向。
[0009]进一步地，所述测向单元具体被配置为：
[0010]基于所述测向单元相较于零流速状态下的温度变化量、所述测向单元与所述测力单元预设正方向的夹角，计算所述计算二维壁面剪应力与所述测力单元预设正方向的夹角为θ
c
，且
[0011][0012]其中，ΔT
i
表示第i个所述测向单元相较于零流速状态下的温度变化量，λ
i
表示第i个所述测向单元与所述测力单元预设正方向的夹角，n表示所述测向单元的数量。
[0013]进一步地，所述测力单元为环状热敏电阻，所述测向单元为圆弧形热敏电阻，所述圆弧形热敏电阻环设于所述环状热敏电阻外围。
[0014]进一步地，所述传感器还包括：
[0015]测力引线单元，设于所述柔性衬底上，相接于所述测力单元上，所述测力引线单元用于引出所述测力单元上的信号；
[0016]测向引线单元，设于所述柔性衬底上，相接于所述测向单元上，测向引线单元用于引出所述测向单元上的信号。
[0017]进一步地，所述传感器还包括：
[0018]柔性绝缘层，所述柔性绝缘层设于所述测力引线单元、所述测向引线单元与所述测力单元、所述测向单元中间，所述柔性绝缘层将所述测力引线单元、所述测向引线单元与所述测力单元、所述测向单元隔开；
[0019]所述柔性绝缘层上设有斜坡通孔，所述斜坡通孔将所述测力引线单元与所述测力单元连通，所述斜坡通孔使所述测向引线单元与所述测向单元连通。
[0020]进一步地，所述测向单元包括第一测向单元、第二测向单元、第三测向单元和第四测向单元，所述第一测向单元、所述第二测向单元、所述第三测向单元和所述第四测向单元均匀分布在所述测力单元外围，且所述第一测向单元、所述第二测向单元、所述第三测向单元和所述第四测向单元到所述测力单元中心的距离均相等。
[0021]进一步地，所述测力单元包括：
[0022]第一环状热敏电阻和第二环状热敏电阻，所述第二环状热敏电阻位于所述第一环状热敏电阻之内，所述第一环状热敏电阻和第一环状热敏电阻为并联结构。
[0023]进一步地，所述第一环状热敏电阻的半径小于平均旋涡半径。
[0024]进一步地，所述第二环状热敏电阻包括：
[0025]第一子环状热敏电阻，所述第一子环状热敏电阻位于所述第一环状热敏电阻之内，所述第一子环状热敏电阻和第二环状热敏电阻一端并联；
[0026]第二子环状热敏电阻，所述第二子环状热敏电阻位于所述第一子环状热敏电阻之内，所述第一子环状热敏电阻与所述第二子环状热敏电阻串联；
[0027]第三子环状热敏电阻，所述第三子环状热敏电阻位于所述第二子环状热敏电阻之内，所述第二子环状热敏电阻与所述第三子环状热敏电阻串联；
[0028]及第四子环状热敏电阻，所述第四子环状热敏电阻位于所述第三子环状热敏电阻之内，所述第三子环状热敏电阻与所述第四子环状热敏电阻一端串联，所述第四子环状热敏电阻另一端与所述第一环状热敏电阻另一端并联。
[0029]本专利技术还提供了一种柔性二维壁面剪应力传感器的制备方法，所述方法包括：
[0030]在载体上制备柔性衬底层；
[0031]在所述柔性衬底层上制备引线层，所述引线层包括测力引线单元和测向引线单元；
[0032]在所述引线层上设置柔性绝缘层，所述柔性绝缘层与所述柔性衬底层紧密粘接，将所述引线层覆盖在所述柔性绝缘层与所述柔性衬底层之间；
[0033]在所述柔性绝缘层上通过湿法刻蚀制备斜坡通孔；
[0034]在所述柔性绝缘层上制备测力单元和测向单元，所述测力单元通过所述斜坡通与所述测力引线单元相连接，所述测向单元通过所述斜坡通与所述测向引线单元相连接；
[0035]通过阶梯升温将所述柔性绝缘层亚胺化，形成聚酰亚胺薄膜。
[0036]本专利技术提供的一种柔性二维壁面剪应力传感器，通过检测测力单元的温度变化得到二维壁面剪应力的大小；通过在测力单元周围排布测向单元，通过检测测向单元温度变化和测向单元与测力单元预设正方向的夹角，得到二维壁面剪应力的方向，实现了壁面剪应力大小及其方向的高精度测量。
附图说明
[0037]为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0038]图1为本专利技术实施例提供的一种柔性二维壁面剪应力传感器的结构示意图；
[0039]图2为本专利技术实施例提供的一种测力单元和测向单元的结构示意图；
[0040]图3为本专利技术实施例提供的柔性本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种柔性二维壁面剪应力传感器，其特征在于，所述传感器包括：柔性衬底；测力单元，所述测力单元设于所述柔性衬底上；被配置为通过检测其在流场中的温度变化量得到二维壁面剪应力的大小；测向单元，所述测向单元位于所述柔性衬底上，环设于所述测力单元外围；被配置为对所述测向单元与所述测力单元预设正方向的夹角、所述测向单元在所述流场中的温度变化量进行运算，得到所述二维壁面剪应力与所述测力单元预设正方向的夹角，所述夹角用于表示所述二维壁面剪应力的方向。2.根据权利要求1所述的柔性二维壁面剪应力传感器，其特征在于，所述测向单元具体被配置为：基于所述测向单元相较于零流速状态下的温度变化量、所述测向单元与所述测力单元预设正方向的夹角，计算所述计算二维壁面剪应力与所述测力单元预设正方向的夹角为θ
c
，且其中，ΔT
i
表示第i个所述测向单元相较于零流速状态下的温度变化量，λ
i
表示第i个所述测向单元与所述测力单元预设正方向的夹角，n表示所述测向单元的数量。3.根据权利要求1所述的柔性二维壁面剪应力传感器，其特征在于，所述测力单元为环状热敏电阻，所述测向单元为圆弧形热敏电阻，所述圆弧形热敏电阻环设于所述环状热敏电阻外围。4.根据权利要求1所述的柔性二维壁面剪应力传感器，其特征在于，所述传感器还包括：测力引线单元，设于所述柔性衬底上，相接于所述测力单元上，所述测力引线单元用于引出所述测力单元上的信号；测向引线单元，设于所述柔性衬底上，相接于所述测向单元上，测向引线单元用于引出所述测向单元上的信号。5.根据权利要求4所述的柔性二维壁面剪应力传感器，其特征在于，所述传感器还包括：柔性绝缘层，所述柔性绝缘层设于所述测力引线单元、所述测向引线单元与所述测力单元、所述测向单元中间，所述柔性绝缘层将所述测力引线单元、所述测向引线单元与所述测力单元、所述测向单元隔开；所述柔性绝缘层上设有斜坡通孔，所述斜坡通孔将所述测力引线单元与所述测力单元连通，所述斜坡通孔使所述测向引线单元与所述测向单元连通。6.根据权利要求1
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5任一项所述的柔性二维壁面剪应力...
【专利技术属性】
技术研发人员：马炳和，庞鹏，罗剑，裴光耀，赵珂藜，刘赟哲，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：
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