[外观设计]基于微纳米纤维阵列的流体传感器及其测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种流体传感器，特别涉及一种基于微纳米纤维阵列的流体传感器及其测量方法。

背景技术

流场状态（包括速度大小与方向，流体粘性、密度等特性等）的测量在许多领域中都有着极其重要的价值，这些测量的数据也为进行更深层次、有价值的分析提供了基础。

现有技术中流体传感器的测量精度只能达到1毫米每秒，对于一些精密测量来说，这一精度仍有待提高。另外，现有的流体传感器的尺寸只能达到分米级别，对于一些更加精细环境的流场测量，这种大尺寸级别更是限制了其使用范围。

发明内容

有鉴于此，确有必要提供一种能够对流体特性进行超高精度测量、尺寸更小的流体传感器及其测量方法。

一种流体传感器，其包括：一悬臂结构；一微纳米纤维阵列，该微纳米纤维阵列设置于所述悬臂结构的表面，所述微纳米纤维阵列包括多个微纳米纤维，该多个微纳米纤维的延伸方向基本一致且与所述悬臂结构的表面形成一夹角；以及一探测装置，所述探测装置用于探测悬臂结构的弯曲变形的程度。

一种采用如上所述的流体传感器测量流体特性的方法，其包括以下步骤：将该流体传感器置于静态环境中，该流体传感器中的悬臂结构为一平板结构，所述悬臂结构的一端为固定端，另一端为自由端；利用激光器将激光入射到该悬臂结构的表面，再利用该光电探测器接收该激光器入射到该悬臂结构的表面并被反射的光线，记录激光在悬臂结构表面的入射位置，入射夹角α，以及第一次反射光斑的位置；将上述流体传感器中的微纳米纤维阵列完全置于待测流场环境中，保持激光器发出激光的入射方向以及激光器与悬臂结构的相对位置不变，移动光电探测器，以记录第二次反射光斑的位置，得到第一次与第二次反射光斑的位置偏移量Δ；根据该反射光斑的位置偏移量Δ，激光入射位置到固定端的距离l₂，微纳米纤维阵列的重心位置到固定端距离l₁，光电探测器到悬臂结构表面的垂直投影点D，激光入射位置到投影点D的距离为l₃，以及激光入射夹角α计算得到流场速度                                               ，其中，EI为悬臂结构的弯曲刚度；C_D为阻力系数；ρ为流体密度；n为微纳米纤维的根数；h为微纳米纤维的高度；d为微纳米纤维的直径。

一种采用如上所述的流体传感器测量流体特性的方法，其包括以下步骤：将所述流体传感器置于静态环境中；记录流体传感器置于静态环境中平板电容器的电容值C₀，有C₀= εal₂/d₀，其中，ε为介电常数，a为所述悬臂结构的宽度， l₂为所述悬臂结构的长度，d₀为所述悬臂结构与另一导电平板的间距；将上述流体传感器中的微纳米纤维阵列完全置于待测流场中，记录所述平板电容器的电容值C₁，有，其中，力矩M= nC_Dρv²dh²/4，EI为悬臂结构的弯曲刚度；C_D为阻力系数；ρ为流体密度；n为微纳米纤维的根数；h为微纳米纤维的高度；d为微纳米纤维的直径；l₁为微纳米纤维阵列的重心位置到固定端距离。根据记录平板电容器置于静态环境时的电容值C₀和流场环境中的电容值C₁，得到计算得到流场速度。

与现有技术相比较，本发明提供的流体传感器具有以下优点：一、微纳米纤维具有极高的长径比，可以实现微米每秒的测量精度，可用于要求更加精细环境的流场测量；二、微纳米纤维可以具有极好的力学性质和极佳的弹性回复能力，可以提供快速的变形响应，在保证增大检测信号的同时，避免大变形下材料失效以及设备损坏。因此，该流体传感器具有测量精度高、尺寸小的特点。同时，该流体传感器的测量方法简单易操作、灵敏度高。

附图说明

图1为本发明提供的流体传感器的结构示意图。

图2为本发明提供的微纳米阵列的排列方式结构图。

图3为本发明第一实施例提供的流体传感器的结构示意图。

图4为本发明第一实施例提供的流体传感器测量流体的原理图。

图5为本发明第二实施例提供的流体传感器的结构示意图。

主要元件符号说明