柔性智能蒙皮热式流速传感器的设计和应用研究

发布时间：2020-06-18 12:00

【摘要】：流速测量是实现飞行器气动控制的前提和基础,也是智能蒙皮传感测量系统研究的重点和难点。本文以可用于变体飞行器流速测量的柔性热式传感器为研究对象,对热式流速传感器从结构设计、理论建模与仿真、工艺优化、测试系统设计和风洞应用验证等多个方面进行了探究,主要研究工作和创新之处在于:(1)设计了一种集热温差和热损耗检测于一体的多功能柔性热式流速传感器,在结构布局上采用热损失型和热温差型测量原理相结合的方案,消除了热式流速传感器不同测量原理间的测量局限性,扩大了传感器测量量程,实现了传感测量原理间的优势互补。(2)构建了热式流速传感器热特性机理模型和热-流耦合仿真模型,结合传感器结构特点,建立了基于热式微传感单元的热特性物理模型,分析了传感器几何结构参数与灵敏度的关系,并借助有限元软件构建了热-流耦合模型对传感器进行模拟仿真,确定了传感器合理尺寸参数范围。(3)优化了热式流速传感器制作关键技术和工艺参数,在合理选择传感器结构材料的基础上,探究了柔性传感器制备过程中的基于电喷印的超薄通孔连接、退火增强和老化增强等关键工艺技术,优化了成膜过程中影响Ni膜电阻温度系数(TCR)的磁控溅射参数,提高了传感器稳定性、可靠性和灵敏度。(4)搭建了热式流速传感器测试系统并对传感器进行了风洞应用验证,根据传感器测试原理设计了传感器关键硬件电路,提出了一种基于三次样条插值函数的流速流向解析算法,从而搭建传感器硬、软件测试平台完成了对传感器各项特征参数表征。并选取典型平板模型对传感器流速和流向精度进行了风洞测试,验证了传感器在流场测量中的可行性和实用性。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP212
【图文】：

智能蒙皮,技术概念,飞行器

批准号：51635007；校学术前沿团队：“华中科技大学—柔性电子制造前沿青年团队”，批准号2017QYTD05。1.2 课题背景和意义智能蒙皮技术（smart skin technology，SST），又称为灵巧蒙皮技术，概念最早985 年由美国空军在预研下一代新的无人机时提出，它是指在保证目标机翼原有蒙能的基础上，通过使用新材料、置换新结构、采用新传感技术和制造方法实现蒙皮功能集成一体化和结构部件智能化[1]。典型飞行器智能蒙皮如图 1-1 所示，相比于的飞机蒙皮技术，智能蒙皮技术具有一系列优点[2-7]：能对飞机飞行状态进行实时，一旦出现问题能及时预警；也能动态获取外界环境参数，提高飞机的飞行性能和性；还能减小雷达捕获面积，增加隐身性能等。因此，大力发展智能蒙皮技术，对我国航空工业的发展和提高国防实力具有重要的意义。

对称分布,热式传感器,硅电阻

图 1-2 (a) 硅电阻热式传感器[19]；(b) 热温差式流速流向传感器原理图[20]此外，Adamec 等使用 MEMS 工艺制备了一种自加热空腔式硅微热膜流速流向传[21]。传感器使用镍（Ni）作为热敏单元材料，Ni 电阻温度系数（TCR）高，用于热场合适应性强。如图 1-3（a）所示，传感器呈对称分布在 Si3N4薄膜空腔上，利用加热单元的变化感知流速大小，同时辨别来流流体方向。Furjes 通过替换传感器热元材料为铂（Pt），使用牺牲多孔硅工艺制备了热温差型流速流向传感器[22]（图 1b））。传感器热敏单元尺寸微小，通过梁悬置于空腔上方，与气流运动方向平行于采用空腔进行热传导隔离，传感器功耗低，能够应用于低流速的测量。

【参考文献】