[发明专利]基于微纳米纤维阵列的流体传感器及其测量方法

权利要求书

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；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。

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0.1<d/L<1。

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ΔL；

根据自由端的位移变化值ΔL计算得出流场速度                                               ，其中，E_fI_f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；C_D为阻力系数；ρ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，其包括以下步骤：

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A₁；

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/A₁；C_D为阻力系数；ρ为流体密度；A_total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； E_fI_f为微纳米纤维的弯曲刚度。