[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

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。

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。

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；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。

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；三、通过在微纳米纤维中引入结构缺陷，可扩展微纳米纤维的工作流速范围，同时可进一步增大结构的稳定性，提高传感器的灵敏度。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为本发明提供的微纳米纤维引入缺陷的结构示意图。

图4为本发明第一实施例提供的流体传感器的结构示意图。

图5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6为本发明第二实施例提供的流体传感器的结构示意图。

图7为本发明第二实施例提供的流体传感器测量流体的原理图。

主要元件符号说明