[发明专利]一种恒温式热膜剪应力微传感器闭环反馈控制系统

说明书

本发明公开了一种恒温式热膜剪应力微传感器闭环反馈控制系统的设计，属于传感器测量仪器领域。本发明所采用的技术方案包括：一种热膜剪应力微传感器闭环反馈控制系统的硬件电路设计、算法设计。硬件电路由固定电阻1、柔性热膜剪应力微传感器4、模拟运算放大器6、仪表运算放大器7、模拟乘法器8、微控制器9、低噪声放大器10组成。算法设计包括阈值的设定、积分环节的设计和比例环节的设计。本发明提出的恒温式热膜剪应力微传感器闭环反馈控制系统，通过四线制测量传感器电阻值的设计形式，大幅降低了热膜剪应力微传感器的引线电阻所造成的测量误差，降低了热膜剪应力微传感器在实际应用过程中的标定难度；同时，通过微控制器9中算法的动态实时调节，避免了传统设计方案由于流场流速发生大范围变化时进入自激状态而无法正常工作的问题。

一、技术领域

本发明涉及一种恒温式热膜剪应力微传感器闭环反馈控制系统，属于传感器测量仪器领域。

二、背景技术

在飞机、舰船等航行器运行过程中，航行器所受到的摩擦阻力占总阻力50％-80％，摩擦阻力影响了航行器的速度、能耗、运载力、机动性等。流体壁面剪应力作为精确表达摩擦阻力，描述流体边界层流动状态的重要参量，其有效测试对飞行器/航行器设计和实验能力的提升有重大意义。

作为流体流动测量技术的重要传感器件之一的柔性热膜式剪应力微传感器，具有高时间/空间分辨率、可贴附、高灵敏度和阵列化等特点，具有十分广阔的应用前景。根据其驱动类型不同，热膜微传感器测量系统可分为三类：恒流驱动式、恒压驱动式和恒温驱动式。由于恒温驱动式测量系统的响应速度相比其他驱动式测量系统要快的多，热线/热膜传感器多数采用恒温驱动模式。

热膜剪应力微传感器工作的物理基础是热转换。由热平衡原理可知，传感器中敏感单元在电流激励作用下所产生的热量等于敏感单元在表面流体流动作用下所耗散的热量。在恒温驱动模式下，热膜剪应力微传感器需要保持恒定的工作温度，即恒定阻值的状态。参阅图1，反馈控制过程如下：当流体壁面剪应力τ增大时，热膜剪应力微传感器中的热敏单元表面温度降低，实际阻值R_S下降，传感器两端的电压E_S减小，即电桥两桥臂电压差ΔE增大，经过控制算法调节后，使得E_b增大，随即使通过传感器的电流I_s增大，从而达到加热传感器，使传感器阻值R_S提高的目的；反之，当流体壁面剪应力τ减小时，热膜剪应力微传感器中的热敏单元表面温度上升，实际阻值R_S增大，传感器两端的电压E_S增大，即电桥两桥臂电压差ΔE减小，经过控制算法调节后，使得E_b减小，随即使通过传感器的电流I_s减小，从而达到使传感器阻值R_S下降的目的。

目前，恒温式热线/热膜剪应力微传感器测量系统多数以复杂的纯模拟电路设计为主。原理图参阅图2，传统恒温式热膜剪应力微传感器闭环反馈控制电路由固定电阻1、2，可调电阻3和柔性热膜剪应力微传感器4构成惠斯通电桥，并将电桥A、B两点接入单向高增益放大器5，输出端与惠斯通电桥构成闭环反馈控制回路，从而实现传感器恒温的工作状态。这种设计及调试方法具有测量精度低、调节参量多、调试过程复杂、大流速变化范围内线路稳定性差和升级换代成本高等缺点。

三、发明内容

为了克服传统设计方案调试过程复杂、电阻测量精度较低等缺陷，本发明提供了一种恒温式热膜剪应力微传感器闭环反馈控制系统的设计。

本发明所提出的恒温式热膜剪应力微传感器闭环反馈控制系统设计主要包括硬件和软件部分；