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 說，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：一基體；一微納米纖維陣列，所述微納米纖維陣列設(shè)置 于所述基體的表面上，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 伸方向基本一致并與該基體的表面垂直，所述微納米纖維陣列的一端固定于所述基體的表 面，另一端為自由端；以及一探測(cè)裝置，所述探測(cè)裝置用于探測(cè)由于所述微納米纖維陣列自 由端的彎曲變形的程度。
[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；利用該圖像傳感器記錄所述微納米纖維陣 列自由端的位置；將所述流體傳感器中微納米纖維陣列完全置于待測(cè)流場(chǎng)中，該 圖像傳感器記錄所述微納米纖維陣列自由端的位置，得到兩次微納米纖維陣列 自由端的位置的變化值A(chǔ)L ;根據(jù)自由端的位移變化值A(chǔ)L計(jì)算得出流場(chǎng)速度
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種流體傳感器，其包括； 一基體； 一微納米纖維陣列，所述微納米纖維陣列設(shè)置于所述基體的表面，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并與該基體的表面垂直， 所述微納米纖維陣列的一端固定于所述基體的表面，另一端為自由端；W及 一探測(cè)裝置，所述探測(cè)裝置用于探測(cè)由于所述微納米纖維陣列自由端的彎曲變形的程 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。
3. 如權(quán)利要求2所述的流體傳感器，其特征在于，所述微納米纖維陣列中的每根微納 米纖維均引入了結(jié)構(gòu)缺陷，每根微納米纖維上的所述結(jié)構(gòu)缺陷到基體表面的距離基本一 致，且小于所述微納米纖維高度的二分之一。
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的高度為500微 米至10毫米。
5. 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.Kd/L<l。
6. 如權(quán)利要求1所述的流體傳感器，其特征在于，所述微納米纖維的材料為碳納米管、 碳纖維、光刻膠或聚二甲基硅氧烷。
7. 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范德華 力緊密聚集成束狀結(jié)構(gòu)。
8. 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)裝置為一圖像傳感器，該圖 像傳感器位于所述微納米纖維的延伸方向上。
9. 一種采用如權(quán)利要求8所述的流體傳感器測(cè)量流體特性的方法，其包括W下步驟： 將該流體傳感器置于靜態(tài)環(huán)境中； 利用該圖像傳感器記錄所述微納米纖維陣列自由端的位置； 將所述流體傳感器中微納米纖維陣列完全置于待測(cè)流場(chǎng)中，該圖像傳感器記錄所述微 納米纖維陣列自由端的位置，得到兩次微納米纖維陣列自由端的位置的變化值A(chǔ)L; 根據(jù)自由端的位移變化值A(chǔ)L計(jì)算得出流場(chǎng)速度
癢中，Efif為微納米 纖維的彎曲剛度；d為微納米纖維的直徑；h為微納米纖維的高度；Cd為阻力系數(shù)；P為流 體密度。
10. 如權(quán)利要求1所述的流體傳感器，其特征在于，所述基體為透明基體，所述探測(cè)裝 置進(jìn)一步包括一激光器和一光電探測(cè)器分別位于所述基體相對(duì)的兩側(cè)，所述激光器發(fā)出的 激光沿微納米纖維的延伸方向貫穿所述基體及微納米纖維陣列，所述光電探測(cè)器接收該激 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W下步 驟： 將該流體傳感器置于靜態(tài)環(huán)境中； 激光器發(fā)出激光入射所述微納米纖維陣列，記錄激光透過微納米纖維陣列后的光照面 積Ai; 將所述流體傳感器中微納米纖維陣列完全置于待測(cè)流場(chǎng)環(huán)境中，記錄激光透過微納米 纖維陣列后的光照面積A2; 根據(jù)微納米纖維陣列變形前后激光透過面積的比值，計(jì)算得出流場(chǎng)速度
，其中，k=A2/Ai;C。為阻力系數(shù)；P為流體密度；AtMd為激光總 照射面積；n為微納米纖維的根數(shù)；d為微納米纖維的直徑；h為微納米纖維的高度；Efif為 微納米纖維的彎曲剛度。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種流體傳感器，其包括：一基體；一微納米纖維陣列，所述微納米纖維陣列設(shè)置于所述基體的表面上，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并與該基體的表面垂直，所述微納米纖維陣列的一端固定于所述基體的表面，另一端為自由端；以及一探測(cè)裝置，所述探測(cè)裝置用于探測(cè)由于所述微納米纖維陣列自由端的彎曲變形的程度。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】B82Y35-00, B82Y40-00, G01D21-02
【公開號(hào)】CN104792355
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410681379
【發(fā)明人】徐志平, 大西大, 萬宇
【申請(qǐng)人】清華大學(xué), 羅姆株式會(huì)社
【公開日】2015年7月22日
【申請(qǐng)日】2014年11月24日