基于微纳米纤维阵列的流体传感器及其测量方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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】
[0004] 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。
[0005] -种流体传感器，其包括：一基体；一微纳米纤维阵列，所述微纳米纤维阵列设置 于所述基体的表面上，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 伸方向基本一致并与该基体的表面垂直，所述微纳米纤维阵列的一端固定于所述基体的表 面，另一端为自由端；以及一探测装置，所述探测装置用于探测由于所述微纳米纤维阵列自 由端的弯曲变形的程度。
[0006] 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；利用该图像传感器记录所述微纳米纤维阵 列自由端的位置；将所述流体传感器中微纳米纤维阵列完全置于待测流场中，该 图像传感器记录所述微纳米纤维阵列自由端的位置，得到两次微纳米纤维阵列 自由端的位置的变化值AL ;根据自由端的位移变化值AL计算得出流场速度
【主权项】
1. 一种流体传感器，其包括； 一基体； 一微纳米纤维阵列，所述微纳米纤维阵列设置于所述基体的表面，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并与该基体的表面垂直， 所述微纳米纤维阵列的一端固定于所述基体的表面，另一端为自由端；W及 一探测装置，所述探测装置用于探测由于所述微纳米纤维阵列自由端的弯曲变形的程 度。
2. 如权利要求1所述的流体传感器，其特征在于，所述微纳米纤维阵列中的多根微纳 米纤维相互间隔设置，每根所述微纳米纤维的直径d为20微米至100微米，每根所述微纳 米纤维的长径比为10~1000。
3. 如权利要求2所述的流体传感器，其特征在于，所述微纳米纤维阵列中的每根微纳 米纤维均引入了结构缺陷，每根微纳米纤维上的所述结构缺陷到基体表面的距离基本一 致，且小于所述微纳米纤维高度的二分之一。
4. 如权利要求1所述的流体传感器，其特征在于，所述微纳米纤维阵列的高度为500微 米至10毫米。
5. 如权利要求1所述的流体传感器，其特征在于，所述微纳米纤维阵列中任意相邻两 根微纳米纤维的距离L与单根微纳米纤维的直径d的比值，即微纳米纤维阵列的排列密度 d/L满足 0.Kd/L<l。
6. 如权利要求1所述的流体传感器，其特征在于，所述微纳米纤维的材料为碳纳米管、 碳纤维、光刻胶或聚二甲基硅氧烷。
7. 如权利要求1所述的流体传感器，其特征在于，每根所述微纳米纤维为一碳纳米管 束，该碳纳米管束包括多根平行排列的碳纳米管，该多根平行排列的碳纳米管通过范德华 力紧密聚集成束状结构。
8. 如权利要求1所述的流体传感器，其特征在于，所述探测装置为一图像传感器，该图 像传感器位于所述微纳米纤维的延伸方向上。
9. 一种采用如权利要求8所述的流体传感器测量流体特性的方法，其包括W下步骤： 将该流体传感器置于静态环境中； 利用该图像传感器记录所述微纳米纤维阵列自由端的位置； 将所述流体传感器中微纳米纤维阵列完全置于待测流场中，该图像传感器记录所述微 纳米纤维阵列自由端的位置，得到两次微纳米纤维阵列自由端的位置的变化值AL; 根据自由端的位移变化值AL计算得出流场速度
痒中，Efif为微纳米 纤维的弯曲刚度；d为微纳米纤维的直径；h为微纳米纤维的高度；Cd为阻力系数；P为流 体密度。
10. 如权利要求1所述的流体传感器，其特征在于，所述基体为透明基体，所述探测装 置进一步包括一激光器和一光电探测器分别位于所述基体相对的两侧，所述激光器发出的 激光沿微纳米纤维的延伸方向贯穿所述基体及微纳米纤维阵列，所述光电探测器接收该激 光光线。
11. 一种采用如权利要求10所述的流体传感器测量流体特性的方法，其包括W下步 骤： 将该流体传感器置于静态环境中； 激光器发出激光入射所述微纳米纤维阵列，记录激光透过微纳米纤维阵列后的光照面 积Ai; 将所述流体传感器中微纳米纤维阵列完全置于待测流场环境中，记录激光透过微纳米 纤维阵列后的光照面积A2; 根据微纳米纤维阵列变形前后激光透过面积的比值，计算得出流场速度
，其中，k=A2/Ai;C。为阻力系数；P为流体密度；AtMd为激光总 照射面积；n为微纳米纤维的根数；d为微纳米纤维的直径；h为微纳米纤维的高度；Efif为 微纳米纤维的弯曲刚度。
【专利摘要】本发明涉及一种流体传感器，其包括：一基体；一微纳米纤维阵列，所述微纳米纤维阵列设置于所述基体的表面上，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并与该基体的表面垂直，所述微纳米纤维阵列的一端固定于所述基体的表面，另一端为自由端；以及一探测装置，所述探测装置用于探测由于所述微纳米纤维阵列自由端的弯曲变形的程度。进一步本发明涉及一种采用上述流体传感器测量流体特性的方法。
【IPC分类】B82Y35-00, B82Y40-00, G01D21-02
【公开号】CN104792355
【申请号】CN201410681379
【发明人】徐志平, 大西大, 万宇
【申请人】清华大学, 罗姆株式会社
【公开日】2015年7月22日
【申请日】2014年11月24日