[发明专利]一种电容式壁面剪应力传感器探头的全解析模型建模方法

说明书

本发明公开了一种电容式壁面剪应力传感器探头的全解析模型建模方法，使用的电容式壁面剪应力传感器探头，包括弹性梁(1)、浮动单元(2)、基底(3)、可动梳齿(4)、固定梳齿(5)、限位结构(6)和绝缘基底(7)，建模方法包括在电容式壁面剪应力传感器探头上施加剪应力，针对电容式壁面剪应力传感器的量程、固有频率、分辨率和非线性度进行全解析模型构建的步骤。本发明通过建立电容式壁面剪应力传感器探头的全解析模型，明确了传感器探头结构参数与传感器性能指标之间的关系，使设计人员可以根据用户对传感器性能的要求来确定合适的结构参数，能够更有针对性地获取传感器设计最优方案。

技术领域

本发明属于传感器技术领域,涉及一种具有浮动单元的电容式壁面剪应力微型传感器的全解析模型建模方法。

背景技术

流体壁面剪应力(wall shear stress)又被称作为摩阻应力，其有效测量是精确掌握摩擦阻力的基础；同时，作为基本流动力学参量之一，其精确测量为判断边界层分离、转捩等流动状态等提供了重要参考依据，对于飞行器、发动机、航行器等设计优化以及减阻降噪有重要指导意义。

微传感器为流体壁面剪应力测量提供了重要手段。目前测量流体壁面剪应力的方法有直接法和间接法两种。由于间接法测量剪应力的过程受到影响因素较多，因此测量精度不高；直接法测量剪应力的传感器探头一般具有弹性梁和浮动单元等结构，其中浮动单元在剪应力作用下产生微小的线性位移，该位移大小可以直接反映被测剪应力值。直接法测量剪应力的受环境等影响较小，可能达到较高的测量精度。

直接法测量剪应力的传感器包括电容式、压阻式和光学式等，其中电容式剪应力传感器探头结构工艺简单、稳定性好，具有检测分辨率和灵敏度高等优点，应用前景广阔。电容式壁面剪应力传感器的测量原理是通过梳齿结构组成梳齿电容器，在剪应力的作用下，可动梳齿随浮动单元一起运动，使得相邻梳齿间距发生变化，由此引起梳齿电容值改变。通过检测电路可以将电容值的改变量转化为电压信号输出，该输出结果能够直接反映剪应力的大小。

1988年，Schmidt等人首先对电容式剪应力传感器进行研究，给出了传感器探头的设计原理和标定方法，并对其进行了测试。但是文中没有给出传感器探头具体结构的设计过程，也没有深入系统地分析性能指标与传感器探头特定结构尺寸的具体关系。

2011年，Vijay Chandrasekharan等人对电容式剪应力传感器探头的结构进行了更为详细的设计。由于考虑因素繁多，他们的设计过程非常复杂，很难系统地掌握传感器探头结构与传感器性能指标之间的相互关系。因此设计人员往往通过经验或者是试错的方法来确定传感器探头最终的设计结果。一方面对于设计人员专业知识和经验要求很高，另一方面也降低了传感器设计效率。

发明内容

针对上述问题，本发明建立了电容式壁面剪应力传感器探头的全解析模型，该解析模型明确了传感器探头结构参数与传感器性能指标之间的关系，使传感器探头的设计思路更加清晰，同时设计人员可以根据用户对传感器性能的要求来确定合适的结构参数，能够更有针对性地获取最优方案，提高了设计的效率。

考虑到现有技术的上述问题，根据本发明公开的一个方面，本发明采用以下技术方案：