基于微纳米纤维阵列的流体传感器及其测量方法.pdf

本发明涉及一种流体传感器，其包括：一悬臂结构；一微纳米纤维阵列，该微纳米纤维阵列设置于所述悬臂结构的表面，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且与所述悬臂结构的表面形成一夹角；以及一探测装置，所述探测装置用于探测悬臂结构的弯曲变形的程度。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。

权利要求书
1.  一种流体传感器，其包括：
一悬臂结构；
一微纳米纤维阵列，该微纳米纤维阵列设置于所述悬臂结构的表面，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且与所述悬臂结构的表面形成一夹角；以及
一探测装置，所述探测装置用于探测悬臂结构的弯曲变形的程度。

2.  如权利要求1所述的流体传感器，其特征在于，所述悬臂结构具有一自由端，该微纳米纤维阵列设置于所述悬臂结构的自由端的表面。

3.  如权利要求1所述的流体传感器，其特征在于，所述悬臂结构至少包括一对平行且相对的表面，即第一表面和第二表面，该微纳米纤维阵列设置于所述悬臂结构的第一表面或第二表面。

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。

5.  如权利要求3所述的流体传感器，其特征在于，每根所述微纳米纤维的延伸方向与所述悬臂结构的第一表面、第二表面的夹角为90度。

6.  如权利要求1所述的流体传感器，其特征在于，所述微纳米纤维阵列的高度为500微米至10毫米。

7.  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。

8.  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。

9.  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。

10.  如权利要求1所述的流体传感器，其特征在于，所述探测装置进一步包括一激光器和一光电探测器位于所述悬臂结构的同侧，该激光器发出的激光入射到所述悬臂结构的表面，该光电探测器接收从该悬臂结构表面反射的激光光线。

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，该流体传感器中的悬臂结构为一平板结构，所述悬臂结构的一端为固定端，另一端为自由端；
利用激光器将激光入射到该悬臂结构的表面，再利用该光电探测器接收该激光器入射到该悬臂结构的表面并被反射的光线，记录激光在悬臂结构表面的入射位置，入射夹角α，以及第一次反射光斑的位置；
将上述流体传感器中的微纳米纤维阵列完全置于待测流场环境中，保持激光器发出激光的入射方向以及激光器与悬臂结构的相对位置不变，移动光电探测器，以记录第二次反射光斑的位置，得到第一次与第二次反射光斑的位置偏移量Δ；
根据该反射光斑的位置偏移量Δ，激光入射位置到固定端的距离l2，微纳米纤维阵列的重心位置到固定端距离l1，光电探测器到悬臂结构表面的垂直投影点D，激光入射位置到投影点D的距离为l3，以及激光入射夹角α计算得到流场速度                                               ，其中，EI为悬臂结构的弯曲刚度；CD为阻力系数；ρ为流体密度；n为微纳米纤维的根数；h为微纳米纤维的高度；d为微纳米纤维的直径。

12.  如权利要求1所述的流体传感器，其特征在于，所述悬臂结构为一导电平板，所述流体传感器进一步包括另外一导电平板与所述悬臂结构组成一平板电容器，所述微纳米纤维阵列设置于所述悬臂结构远离该另一导电平板的表面，通过该悬臂结构弯曲变形引起的该平板电容器的电容值的变化来测量流体特性。

13.  一种采用如权利要求12所述的流体传感器测量流体特性的方法，其包括以下步骤：
将所述流体传感器置于静态环境中；
记录流体传感器置于静态环境中平板电容器的电容值C0；
将上述流体传感器中的微纳米纤维阵列完全置于待测流场中，记录所述平板电容器的电容值C1;
又有，C0= εal2/d0 （1）
力矩M= nCDρv2dh2/4 （2）
（3）
其中，ε为介电常数，a为所述悬臂结构的宽度， l2为所述悬臂结构的长度，d0为所述悬臂结构与另一导电平板的间距；EI为悬臂结构的弯曲刚度；CD为阻力系数；ρ为流体密度；n为微纳米纤维的根数；h为微纳米纤维的高度；d为微纳米纤维的直径；l1为微纳米纤维阵列的重心位置到固定端距离；
根据记录平板电容器的电容值C0、C1及公式（1）～（3），计算得到流场速度。

说明书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
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：一悬臂结构；一微纳米纤维阵列，该微纳米纤维阵列设置于所述悬臂结构的表面，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且与所述悬臂结构的表面形成一夹角；以及一探测装置，所述探测装置用于探测悬臂结构的弯曲变形的程度。
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，该流体传感器中的悬臂结构为一平板结构，所述悬臂结构的一端为固定端，另一端为自由端；利用激光器将激光入射到该悬臂结构的表面，再利用该光电探测器接收该激光器入射到该悬臂结构的表面并被反射的光线，记录激光在悬臂结构表面的入射位置，入射夹角α，以及第一次反射光斑的位置；将上述流体传感器中的微纳米纤维阵列完全置于待测流场环境中，保持激光器发出激光的入射方向以及激光器与悬臂结构的相对位置不变，移动光电探测器，以记录第二次反射光斑的位置，得到第一次与第二次反射光斑的位置偏移量Δ；根据该反射光斑的位置偏移量Δ，激光入射位置到固定端的距离l2，微纳米纤维阵列的重心位置到固定端距离l1，光电探测器到悬臂结构表面的垂直投影点D，激光入射位置到投影点D的距离为l3，以及激光入射夹角α计算得到流场速度                                               ，其中，EI为悬臂结构的弯曲刚度；CD为阻力系数；ρ为流体密度；n为微纳米纤维的根数；h为微纳米纤维的高度；d为微纳米纤维的直径。
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：将所述流体传感器置于静态环境中；记录流体传感器置于静态环境中平板电容器的电容值C0，有C0= εal2/d0，其中，ε为介电常数，a为所述悬臂结构的宽度， l2为所述悬臂结构的长度，d0为所述悬臂结构与另一导电平板的间距；将上述流体传感器中的微纳米纤维阵列完全置于待测流场中，记录所述平板电容器的电容值C1，有，其中，力矩M= nCDρv2dh2/4，EI为悬臂结构的弯曲刚度；CD为阻力系数；ρ为流体密度；n为微纳米纤维的根数；h为微纳米纤维的高度；d为微纳米纤维的直径；l1为微纳米纤维阵列的重心位置到固定端距离。根据记录平板电容器置于静态环境时的电容值C0和流场环境中的电容值C1，得到计算得到流场速度。
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。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为本发明第一实施例提供的流体传感器的结构示意图。
图4为本发明第一实施例提供的流体传感器测量流体的原理图。
图5为本发明第二实施例提供的流体传感器的结构示意图。
主要元件符号说明
流体传感器 100，200，300 悬臂结构 101 第一表面 1011 第二表面 1012 微纳米纤维阵列 102 探测装置 105 激光器 103 光电探测器 104 平板电容器 301 导电平板 106
如下具体实施例将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明提供的流体传感器作进一步说明。为了便于理解流体传感器的结构，以下先介绍利用微纳米纤维阵列测量流体性质的工作原理。
将一端固定、另一端为自由端的微纳米纤维阵列完全浸入流体中，所述流体可为气体、液体中的一种，由于流体与微纳米纤维阵列直接接触且相互作用，该微纳米纤维阵列在流场作用下发生弯曲变形，该过程可以简化为悬臂结构在均布载荷作用下发生弯曲。根据流体力学理论，均布载荷
q = CDρv2d/2
其中，CD为阻力系数，是雷诺数Re=ρvd/μ的函数，ρ为流体密度，v为来流速度，d为微纳米纤维的直径，μ为动力粘度。
在该载荷q作用下，微纳米纤维的自由端挠度w = qh4/8EI，其中h为微纳米纤维阵列高度，EI为微纳米纤维阵列的弯曲刚度。当流速发生1微米每秒的变化时，微纳米纤维自由端挠度的变化为
Δw = ΔvCDρdh4/8EI
常温常压下的空气中，ρ = 1.204 kg/m3，μ = 1.983×10-5 kg/m·s，对于直径d = 30 μm的碳纳米管束，取CD为来流速度v = 5 m/s时的值3.14，微纳米纤维的弯曲刚度EI大约在10-13量级。如果微纳米纤维的高度h达到厘米级，Δw将在微米量级，可以实现准确的测量。因此，基于微纳米纤维阵列的流体传感器可以实现微米每秒的测量精度，以用于要求更加精细环境的流场测量。
请参阅图1，本发明提供一种流体传感器100，该流体传感器100主要包括：一悬臂结构101，一微纳米纤维阵列102，以及一探测装置105。所述微纳米纤维阵列102设置于所述悬臂结构101的表面，所述微纳米纤维阵列102包括多个微纳米纤维，该微纳米纤维的延伸方向基本一致且与所述悬臂结构101的表面形成一夹角δ。所述探测装置105用于探测悬臂结构的弯曲变形的程度。
所述悬臂结构101的材料在满足一定载荷条件下可以发生弯曲变形但又具有足够刚度，以支撑所述微纳米纤维阵列102。优选地，所述悬臂结构101的材料的杨氏模量E为100GPa≦E≦1000GPa。所述悬臂结构101的形状、尺寸、导电性能根据测试环境而定。具体地，所述悬臂结构101的一端为固定端，另一端为自由端。优选地，所述微纳米纤维阵列102设置于所述悬臂结构101的自由端表面。进一步，所述悬臂结构101至少包括一对平行且相对的表面，即第一表面1011和第二表面1012。所述微纳米纤维阵列102设置于所述悬臂结构101的第一表面1011或第二表面1012上。
所述微纳米纤维阵列102包括多根微纳米纤维，进一步，所述微纳米纤维阵列102中的多根微纳米纤维相互间隔设置。请参阅图2，所述微纳米纤维阵列102的排列方式可为矩形阵列、六边形阵列、圆形阵列等，也可呈其他几何形状。该微纳米纤维阵列102中任意相邻两根微纳米纤维的距离定义为L，单根微纳米纤维的直径为d，则阵列的排列密度d/L满足0.1<d/L<1，以优化传感器测量性能，保持传感器具有较高的测量精度。本实施例中，所述微纳米纤维阵列为六边形阵列。
所述微纳米纤维的材料可为碳纳米管、碳纤维、光刻胶、PDMS(聚二甲基硅氧烷)等。所述碳纳米管可为单壁碳纳米管及多壁碳纳米管中的一种或多种。所述单壁碳纳米管的直径为0.5纳米至5纳米，所述多壁碳纳米管的直径为1.5纳米至50纳米。所述微纳米纤维阵列102中微纳米纤维的延伸方向基本一致，且与所述悬臂结构101的第一表面1011、第二表面1012形成一夹角δ。可以理解，由于微纳米纤维阵列制备工艺或其他外界因素的影响，所述微纳米纤维阵列102中微纳米纤维的延伸方向并非绝对一致，可存在一定的误差，但该误差并不影响微纳米纤维阵列的整体结构。所述夹角δ为0o<δ≦90o。优选地，所述夹角δ为90o，即所述微纳米纤维的延伸方向垂直于所述悬臂结构101的第一表面1011、第二表面1012，这是由于微纳米纤维垂直于第一表面1011、第二表面1012时，流体传感器的信号强度更好。本实施例中，所述每根微纳米纤维为一碳纳米管束，所述碳纳米管束包括多根平行排列的碳纳米管，进一步，所述碳纳米管束是由该多根平行排列的碳纳米管通过范德华力紧密聚集成的束状结构，且每根碳纳米管的长度接近所述碳纳米管束的高度。所述多个平行排列的碳纳米管的延伸方向基本相同，且垂直于所述悬臂结构101的第一表面1011、第二表面1012。
所述微纳米纤维阵列102中每根微纳米纤维的直径d为20微米至100微米，所述微纳米纤维阵列102的高度为500微米至10毫米，所述每根微纳米纤维的长径比为10～1000。优选地，所述每根微纳米纤维的直径d为30微米至60微米，所述每根微纳米纤维的长径比为20～100。这是由于微纳米纤维的长径比越大，在相同流速作用下，能够对微小的流动产生的变形越明显，测量精度越高；但长径比过高时，微纳米纤维阵列的结构稳定性下降。
所述探测装置105用于探测所述悬臂结构101弯曲变形的程度。所述悬臂结构101的弯曲变形是由于位于悬臂结构101表面的微纳米纤维阵列102与待测流体直接接触，待测流体带动微纳米纤维阵列102自由端的弯曲，继而引起悬臂结构101的弯曲变形。所述探测装置105可用于监测由于悬臂结构的弯曲变形而引起的光线位置变化，比如探测装置105可由一激光器103和一光电探测器104组成，该激光器103发出的激光入射到所述悬臂结构的表面，该光电探测器104接收从该悬臂结构表面反射的激光光线。所述探测装置105也可用于监测由于悬臂结构的弯曲变形而引起的电学参数的变化，比如所述悬臂结构101可与另一导电平板组成一平板电容器并接入电路中，通过测量由于所述悬臂结构101的弯曲变形引起的平板电容器的电容变化来完成监测。
以下将分别介绍本发明提供的流体传感器的几种具体实施例。
实施例1
请参阅图3，本发明第一实施例提供一种流体传感器200，该流体传感器200主要包括一悬臂结构101，一微纳米纤维阵列102，一激光器103，及一光电探测器104。所述悬臂结构101为平板结构，定义具有最大表面积的相对的两表面分别为第一表面1011以及第二表面1012。所述悬臂结构101的一端固定，与固定端相对的另一端为自由端。所述微纳米纤维阵列102设置于所述悬臂结构101的第一表面1011或第二表面1012上，且所述微纳米纤维阵列102中的微纳米纤维的延伸方向基本一致且与第一表面形成一夹角δ。所述激光器103与悬臂结构101间隔设置，且所述激光器103发出的激光入射到所述悬臂结构101的第一表面1011或者第二表面1012上。所述光电探测器104与该激光器103、悬臂结构101间隔设置，且所述激光器103入射到所述悬臂结构101的第一表面1011或者第二表面1012的光经反射后被所述光电探测器104接收。
具体地，本实施例中，所述悬臂结构101为一端固定，另一端为自由端的硅薄片，所述硅薄片的长为20mm，宽为5mm，高为0.6mm。所述微纳米纤维阵列102设置在所述悬臂结构101的第一表面1011上，且所述微纳米纤维阵列中微纳米纤维的延伸方向垂直于该第一表面1011。当所述激光器103入射到所述悬臂结构101设置有微纳米纤维阵列102的表面时，所述微纳米纤维阵列102不会全部覆盖所述悬臂结构101的表面，以避免反射光线被微纳米纤维阵列遮挡，影响测量精度；当所述激光器103入射到所述悬臂结构101的未设置微纳米纤维阵列102的表面时，所述微纳米纤维阵列102可全部覆盖所述悬臂结构101的另一表面。
所述激光器103、光电探测器104与所述悬臂结构101间隔设置。所述激光器103用于将激光入射至该悬臂结构101的第一表面1011或第二表面1012上，所述激光入射位置确保入射光和反射光不被微纳米纤维阵列102阻挡即可。所述光电探测器104用于接收入射激光经反射后的反射光线。将表面设置有微纳米纤维阵列102的悬臂结构101置于流场环境中，微纳米纤维在流体作用下会发生变形，继而带动悬臂结构发生弯曲。所述光电探测器104用于监测由于悬臂结构101的弯曲变形引起的反射光线发生偏转的变化，进而通过测量反射光线发生偏转的变化值来实现测量流体特性的目的。本实施例中，所述激光器103将激光入射至所述悬臂结构101的第一表面1011上。
请一并参阅图3及图4，采用本发明提供的上述流体传感器200可用于测量流体特性，具体方法包括以下步骤：
步骤S10，将流体传感器200置于静态环境中，启动激光器103、光电探测器104，并记录激光入射到悬臂结构101第一表面1011的位置，激光入射角度α，以及第一次反射光斑的位置。
设所述激光器103发出的激光在悬臂结构上的入射位置点O到固定端的距离为l2，激光入射光线与悬臂结构的夹角为α。所述微纳米纤维阵列102（取重心位置）水平方向到固定端的距离为l1。设所述光电探测器104在悬臂结构101第一表面上的垂直投影点为D，所述激光入射位置到投影点D的距离为l3，则光电探测器104测得光斑到悬臂结构101的垂直距离为l3。
步骤S11，将所述流体传感器200中的微纳米纤维阵列102完全置于待测流场环境中，保持激光器103发出激光的入射方向以及激光器103、光电探测器104与悬臂结构101的相对位置不变，通过光电探测器104，记录第二次反射光斑的位置，并得到第一次与第二次反射光斑的位置偏移量Δ。
步骤S12，根据光斑位置偏移量Δ，激光入射位置到固定端的距离l2，微纳米纤维阵列的重心位置到固定端距离l1，光电探测器到悬臂结构表面的垂直投影点D，激光入射位置到投影点D的距离为l3，以及激光入射夹角α计算得出流场速度ν。
所述微纳米纤维阵列102在流体中会与流体相互作用而产生变形，假设微纳米纤维阵列102在流场中所述的力为均布载荷q，则所述微纳米纤维阵列102在与悬臂结构101接触的根部连接处会对悬臂结构101施加一力矩M， M=nqh2/2，其中h为微纳米纤维的高度，n为微纳米纤维的根数。
根据材料力学理论，在力矩M的作用下，在激光入射位置x= l2处，悬臂结构101的挠度w(l2)和转角θ(l2)满足：
，
为了增大输出信号，提高测量精度，一般取l2 > l1。其中，EI为悬臂结构101的弯曲刚度。
悬臂结构101产生的挠度和转角均会引起激光的反射光发生偏转，从而使得光电探测器104上的光斑产生偏移。但对偏移量产生的影响而言，悬臂结构101的转角影响占主导地位，而由悬臂结构101的挠度引起的光斑偏移可以忽略不计。则光斑的偏移量Δ满足

因此，得到

所以，根据光电探测器104上光斑的偏移量，即可实现对流体特性的测量。
实施例2
请参阅图5，本发明第二实施例提供一种流体传感器300，该流体传感器300主要包括：一悬臂结构101，一微纳米纤维阵列102，一导电平板106。该悬臂结构101为一导电平板结构，该悬臂结构101与导电平板106组成一平板电容器301。所述微纳米纤维阵列102设置于所述悬臂结构101远离该另一导电平板106的表面，且所述微纳米纤维阵列102中微纳米纤维的延伸方向与该悬臂结构的表面形成一夹角δ。使用时，可将所述流体传感器300置于一闭合电路（未标示）中，以测量所述平板电容器301的电容变化。
本发明第二实施例提供的微纳米纤维阵列102与第一实施例提供的微纳米纤维阵列102基本相同，其区别在于：该第二实施例中，所述微纳米纤维阵列设置于一平板电容器301中悬臂结构101的表面上，该平板电容器301用于监测由于悬臂结构的弯曲变形引起的电容值的变化。将该流体传感器300置于流场环境中时，所述微纳米纤维阵列102在流体的作用下会带动悬臂结构101产生弯曲变形，使得悬臂结构101与导电平板106之间的距离发生改变，继而使得平板电容器301的电容值发生改变，通过电容的变化量，并结合流场与微纳米纤维阵列102的相互作用和微纳米纤维对悬臂结构101的载荷传递，从而实现测量流体特性的目的。
本发明提供一种利用上述流体传感器300测量流体特性的方法，主要包括以下步骤：
步骤S20，将流体传感器300置于静态环境中，并记录所述平板电容器301的电容值C0。
由于所述流体传感器300是置于静态环境中，所述悬臂结构101未发生弯曲，则该平板电容器301的电容为C0 = εal2/d0 （1）
其中，ε为介电常数，a为所述悬臂结构101的宽度， l2为所述悬臂结构101的长度，d0为所述悬臂结构101与另一导电平板106的间距。
步骤S21，将所述流体传感器300中的微纳米纤维阵列102完全置于待测流场中，记录所述平板电容器301的电容值C1。
假设微纳米纤维在流场中所受的力为均布载荷q，则所述微纳米纤维在与悬臂结构101接触的根部连接处会对上平板施加一力矩M，则M= nqh2/2，其中h为微纳米纤维的高度，n为微纳米纤维的根数。而q = CDρv2d/2，所以，M= nCDρv2dh2/4 （2）
根据材料力学理论，在力矩M的作用下，该悬臂结构101的挠度曲线方程为：

其中，EI为悬臂结构101的弯曲刚度，l1为所述微纳米纤维阵列102（取重心位置）水平方向到固定端的距离。
当该悬臂结构101在力矩M的作用下发生弯曲时，电容器的电容值变为C1，则有，
（3）
步骤S22，根据记录平板电容器301的电容值C0、C1及公式（1）～（3），计算得出流场速度v。
力矩M是流速v的函数，则电容的变化量

其中，F是流速v的函数，由于ΔC是v的单调函数，所以，F的反函数F-1存在，则有：

即，

所以，根据电容器的电容变化值，即可实现对流体特性的测量。
本发明提供的流体传感器具有以下优点：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；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。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内作其它变化，当然这些依据本发明精神所作的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。