一種高精度傳感器校驗(yàn)裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及流體實(shí)驗(yàn)傳感器校驗(yàn)裝置，更具體地說(shuō)，涉及一種用于水下表面剪應(yīng) 力傳感器如MEMS(微機(jī)電系統(tǒng)）傳感器標(biāo)定與基準(zhǔn)檢驗(yàn)的校驗(yàn)裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 對(duì)水下物體表面剪應(yīng)力的測(cè)量能為很多流體力學(xué)問(wèn)題的研宄提供非常有價(jià)值的 信息，比如湍流轉(zhuǎn)捩、流動(dòng)分離、摩擦阻力和表面流態(tài)分布等。而在使用傳感器測(cè)量表面剪 應(yīng)力之前，首先需要對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定。
[0003] 現(xiàn)有的表面剪應(yīng)力傳感器標(biāo)定方法幾乎都是針對(duì)空氣中測(cè)量剪應(yīng)力的MEMS傳感 器，如2005年《第一屆近代實(shí)驗(yàn)空氣動(dòng)力學(xué)會(huì)議論文集》260-264頁(yè)"基于MEMS天平的摩 擦應(yīng)力直接測(cè)量試驗(yàn)技術(shù)研宄"一文中介紹了中國(guó)空氣動(dòng)力研宄與發(fā)展中心研制的一種單 晶硅材料梳狀浮動(dòng)元件式電容MEMS剪應(yīng)力天平及其校準(zhǔn)系統(tǒng)，該靜態(tài)性能Stokes層流校 準(zhǔn)技術(shù)是通過(guò)在層流管內(nèi)建立穩(wěn)定的層流流動(dòng)，由天平輸出的電壓值與壓力測(cè)量得到的剪 應(yīng)力值比較得到MEMS剪應(yīng)力天平的靜態(tài)性能校準(zhǔn)結(jié)果。
[0004] 目前，針對(duì)水中剪應(yīng)力測(cè)量的傳感器標(biāo)定裝置的報(bào)道相對(duì)較少，如2005年 《JOURNALOFMICROELECTROMECHANIACALSYSTEMS》第14卷第5期在1023-1030頁(yè) "MicromachinedThermalShear-StressSensorforUnderwaterApplications"一文中 介紹了用于剪應(yīng)力標(biāo)定的微型水槽校驗(yàn)裝置，該微型水槽是由一塊固定在電路板上的傳感 器芯片和一塊微通道芯片組合而成，由于水槽壁面的剪應(yīng)力與水流量有對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)調(diào) 節(jié)進(jìn)入微水槽的水流量來(lái)改變輸出的剪應(yīng)力值，并與傳感器的相對(duì)電壓值比較，實(shí)現(xiàn)對(duì)剪 應(yīng)力的標(biāo)定，但該微型校驗(yàn)裝置量程?。ī朹6pa)，只適用于層流標(biāo)定。
[0005] 2014年《實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)》第28卷第2期在39-44頁(yè)"柔性熱膜剪應(yīng)力傳感器水下 測(cè)量溫度修正"一文中介紹了與以上同類型的小高寬比矩形水槽校驗(yàn)裝置，也是通過(guò)節(jié)流 閥控制流量，實(shí)現(xiàn)剪應(yīng)力的連續(xù)輸出，最終實(shí)現(xiàn)剪應(yīng)力的標(biāo)定。其不足仍然是只能在完全發(fā) 展的層流區(qū)域內(nèi)進(jìn)行測(cè)量，雷諾數(shù)較低（小于2000)，校驗(yàn)剪應(yīng)力的量程不超過(guò)10pa，水下 測(cè)量校驗(yàn)應(yīng)用范圍較窄。
[0006] 傳感器的標(biāo)定決定了其測(cè)量的精度和數(shù)據(jù)可信度，是應(yīng)用該傳感器進(jìn)行測(cè)量的前 提。傳統(tǒng)的表面剪應(yīng)力傳感器標(biāo)定裝置多應(yīng)用于風(fēng)洞空氣剪應(yīng)力測(cè)量的校驗(yàn)，標(biāo)定較復(fù)雜， 使用不方便。而目前報(bào)道的水下表面剪應(yīng)力傳感器標(biāo)定裝置僅可用于層流測(cè)量標(biāo)定，量程 較小，應(yīng)用范圍窄。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 為了克服目前常見(jiàn)水下表面剪應(yīng)力傳感器標(biāo)定裝置僅可用于層流測(cè)量標(biāo)定，量程 較小，應(yīng)用范圍窄等缺點(diǎn)，以達(dá)到方便快捷并準(zhǔn)確地校驗(yàn)水下表面剪應(yīng)力傳感器的目的，本 發(fā)明提供了一種高精度傳感器校驗(yàn)裝置，用以對(duì)微型表面剪應(yīng)力傳感器進(jìn)行標(biāo)定。
[0008] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0009] -種高精度傳感器校驗(yàn)裝置，為水平放置的循環(huán)管路結(jié)構(gòu)，包括一個(gè)進(jìn)水箱和一 個(gè)出水箱，進(jìn)水箱和出水箱之間以一個(gè)試驗(yàn)通道和一個(gè)回流通道相連通；
[0010] 試驗(yàn)通道包括順序連接的穩(wěn)定段、收縮段、校驗(yàn)傳感器實(shí)驗(yàn)段、過(guò)渡段及伸縮管； 在穩(wěn)定段中設(shè)有整流裝置；穩(wěn)定段與進(jìn)水箱連通，伸縮管與出水箱連通；校驗(yàn)傳感器實(shí)驗(yàn) 段是由上壁板和下壁板合成的長(zhǎng)扁平槽道，在下壁板中心線上沿流向等距離間隔布置有靜 壓測(cè)壓孔，在上壁板上開(kāi)設(shè)有模型安裝孔；待標(biāo)定的表面剪應(yīng)力傳感器安裝于上壁板，壓力 測(cè)量系統(tǒng)、流速測(cè)量裝置安裝于下壁板；
[0011] 回流通道包括由轉(zhuǎn)角矩形彎管、出水方圓過(guò)渡管、上下彎管、水泵出水彎管及進(jìn)水 方圓過(guò)渡管連通而成的回流管路；在回流管路的上下彎管與水泵出水彎管之間安裝有離心 水泵，在回流管路的水泵出水彎管與進(jìn)水方圓過(guò)渡管之間安裝有調(diào)壓閥和電磁流量計(jì)；在 轉(zhuǎn)角矩形彎管中設(shè)有圓弧形的導(dǎo)流片。
[0012] 其進(jìn)一步的技術(shù)方案為：所述表面剪應(yīng)力傳感器包括MEMS熱膜式剪應(yīng)力傳感器。
[0013] 其進(jìn)一步的技術(shù)方案為：所述壓力測(cè)量系統(tǒng)是連接靜壓測(cè)壓孔的微差壓變送器及 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。
[0014] 其進(jìn)一步的技術(shù)方案為：所述流速測(cè)量裝置為高精度激光多普勒測(cè)速儀。
[0015] 本發(fā)明的有益技術(shù)效果是：
[0016] 一、由于本發(fā)明采用的是小型平板模型實(shí)驗(yàn)機(jī)理，因此可以方便快捷地對(duì)MEMS水 下表面剪應(yīng)力傳感器進(jìn)行標(biāo)定。
[0017] 二、本發(fā)明采用激光多普勒測(cè)速儀、電磁電磁流量計(jì)、調(diào)壓閥和離心水泵可以對(duì)流 場(chǎng)進(jìn)行精密測(cè)量和控制，確保穩(wěn)定的流態(tài)環(huán)境。
[0018] 三、本發(fā)明對(duì)剪應(yīng)力傳感器的測(cè)量校驗(yàn)量程大，精度高，可用于層流和湍流的測(cè)量 校驗(yàn)，應(yīng)用范圍廣。
[0019] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)將在下面【具體實(shí)施方式】部分的描述中給出，部分將從下面的描述中 變得明顯，或通過(guò)本發(fā)明的實(shí)踐了解到。
【附圖說(shuō)明】
[0020] 圖1是本發(fā)明的主視圖。
[0021] 圖2是本發(fā)明的俯視圖。
[0022] 圖3是校驗(yàn)傳感器實(shí)驗(yàn)段的主視圖。
[0023] 圖4是校驗(yàn)傳感器實(shí)驗(yàn)段的俯視圖。
[0024] 圖5是本發(fā)明的電氣控制回路圖。
[0025] 圖6是本發(fā)明的變頻器驅(qū)動(dòng)原理圖。
[0026] 附圖標(biāo)記說(shuō)明：1、進(jìn)水箱；2、穩(wěn)定段；3、收縮段；4、校驗(yàn)傳感器實(shí)驗(yàn)段；5、過(guò)渡段； 6、伸縮管；7、出水箱；8、轉(zhuǎn)角矩形彎管；9、出水方圓過(guò)渡管；10、上下彎管；11、離心水泵； 12、水泵出水彎管；13、調(diào)壓閥；14、電磁流量計(jì)；15、進(jìn)水方圓過(guò)渡管；16、靜壓測(cè)壓孔；17、 模型安裝孔。
【具體實(shí)施方式】
[0027] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】做進(jìn)一步說(shuō)明。
[0028] 本發(fā)明的高精度傳感器校驗(yàn)裝置，包括機(jī)械結(jié)構(gòu)模塊和電氣系統(tǒng)模塊。
[0029] 1)機(jī)械結(jié)構(gòu)模塊：
[0030] 如圖1和圖2所示，機(jī)械結(jié)構(gòu)模塊為水平放置的循環(huán)管路結(jié)構(gòu)，循環(huán)管路內(nèi)的介質(zhì) 是水流，并包含有調(diào)節(jié)循環(huán)管路內(nèi)流體轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定發(fā)展的湍流的設(shè)備和監(jiān)控流體流動(dòng)參數(shù) 的設(shè)備。具體來(lái)說(shuō)，在圖1和圖2的實(shí)施例中，包括一個(gè)進(jìn)水箱1和一個(gè)出水箱7,進(jìn)水箱1 和出水箱7之間以一個(gè)試驗(yàn)通道和一個(gè)回流通道兩個(gè)通道相連通。
[0031] 試驗(yàn)通道可分為順序連接的穩(wěn)定段2-收縮段3-校驗(yàn)傳感器實(shí)驗(yàn)段4一過(guò)渡段5 四個(gè)部分，以及過(guò)渡段5尾端的伸縮管6。其中在穩(wěn)定段2中設(shè)有整流裝置，可使上游來(lái)的 水流速度分布更加均勻。伸縮管6可使更換校驗(yàn)傳感器實(shí)驗(yàn)段4更方便，且能保證實(shí)驗(yàn)段 的水密性。
[0032] 如圖3和圖4所示，校驗(yàn)傳感器實(shí)驗(yàn)段4為一長(zhǎng)扁平槽道，由上壁板4-1和下壁板 4-2組成。在下壁板4-2中心線上沿流向等距離間隔布置一系列間距為0.lm的靜壓測(cè)壓孔 16,用以測(cè)量水槽內(nèi)靜壓力沿流向的分布并判斷水槽內(nèi)的流動(dòng)形態(tài)。在上壁板4-1開(kāi)設(shè)模 型安裝孔17,以方便模型的安裝。
[0033] 根據(jù)摩擦剪應(yīng)力測(cè)量方法（壁面摩擦法），當(dāng)水槽的長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于水槽高度時(shí)，摩擦 剪應(yīng)力可通過(guò)壓差來(lái)求得。公式如下所示
[0034]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種高精度傳感器校驗(yàn)裝置，其特征在于：為水平放置的循環(huán)管路結(jié)構(gòu)，包括一個(gè) 進(jìn)水箱⑴和一個(gè)出水箱（7)，進(jìn)水箱⑴和出水箱（7)之間以一個(gè)試驗(yàn)通道和一個(gè)回流通 道相連通； 試驗(yàn)通道包括順序連接的穩(wěn)定段（2)、收縮段（3)、校驗(yàn)傳感器實(shí)驗(yàn)段（4)、過(guò)渡段（5) 及伸縮管（6);在穩(wěn)定段（2)中設(shè)有整流裝置；穩(wěn)定段（2)與進(jìn)水箱（1)連通，伸縮管（6)與 出水箱（7)連通；校驗(yàn)傳感器實(shí)驗(yàn)段（4)是由上壁板（4-1)和下壁板（4-2)合成的長(zhǎng)扁平 槽道，在下壁板（4-2)中心線上沿流向等距離間隔布置有靜壓測(cè)壓孔（16)，在上壁板（4-1) 上開(kāi)設(shè)有模型安裝孔（17);待標(biāo)定的表面剪應(yīng)力傳感器安裝于上壁板（4-1)，壓力測(cè)量系 統(tǒng)、流速測(cè)量裝置安裝于下壁板（4-2); 回流通道包括由轉(zhuǎn)角矩形彎管（8)、出水方圓過(guò)渡管（9)、上下彎管（10)、水泵出水彎 管（12)及進(jìn)水方圓過(guò)渡管（15)連通而成的回流管路；在回流管路的上下彎管（10)與水泵 出水彎管（12)之間安裝有離心水泵（11)，在回流管路的水泵出水彎管（12)與進(jìn)水方圓過(guò) 渡管（15)之間安裝有調(diào)壓閥（13)和電磁流量計(jì)（14);在轉(zhuǎn)角矩形彎管（8)中設(shè)有圓弧形 的導(dǎo)流片。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度傳感器校驗(yàn)裝置，其特征在于：所述表面剪應(yīng)力傳感 器包括MEMS熱膜式剪應(yīng)力傳感器。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度傳感器校驗(yàn)裝置，其特征在于：所述壓力測(cè)量系統(tǒng)是 連接靜壓測(cè)壓孔（16)的微差壓變送器及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度傳感器校驗(yàn)裝置，其特征在于：所述流速測(cè)量裝置為 高精度激光多普勒測(cè)速儀。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種高精度傳感器校驗(yàn)裝置，用于水下表面剪應(yīng)力傳感器的標(biāo)定與基準(zhǔn)檢驗(yàn)。裝置結(jié)構(gòu)包括進(jìn)水箱、出水箱及兩者之間的試驗(yàn)通道和回流通道；試驗(yàn)通道包括穩(wěn)定段、收縮段、校驗(yàn)傳感器實(shí)驗(yàn)段、過(guò)渡段及伸縮管；校驗(yàn)傳感器實(shí)驗(yàn)段包括上壁板和下壁板，下壁板中心線上布置有靜壓測(cè)壓孔，上壁板上開(kāi)設(shè)有模型安裝孔；回流通道由轉(zhuǎn)角矩形彎管、出水方圓過(guò)渡管、上下彎管、水泵出水彎管及進(jìn)水方圓過(guò)渡管連通而成；在回流管路上安裝有離心水泵、調(diào)壓閥和電磁流量計(jì)。本發(fā)明可達(dá)到較高雷諾數(shù)，層流/湍流條件均適用，可實(shí)現(xiàn)方便快捷并準(zhǔn)確校驗(yàn)水下表面應(yīng)力傳感器的目的。
【IPC分類】G01L27-00
【公開(kāi)號(hào)】CN104819806
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510218766
【發(fā)明人】田于逵, 謝華, 李明政, 孫海浪, 宋長(zhǎng)友, 朱建良
【申請(qǐng)人】中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七○二研究所
【公開(kāi)日】2015年8月5日
【申請(qǐng)日】2015年4月30日