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MEMS热膜式壁面剪应力传感器微弱信号检测

孙海浪 田于逵 金磊 张璇 谢华

孙海浪, 田于逵, 金磊, 等. MEMS热膜式壁面剪应力传感器微弱信号检测[J]. 实验流体力学, 2017, 31(2): 39-43. doi: 10.11729/syltlx20170016
引用本文: 孙海浪, 田于逵, 金磊, 等. MEMS热膜式壁面剪应力传感器微弱信号检测[J]. 实验流体力学, 2017, 31(2): 39-43. doi: 10.11729/syltlx20170016
Sun Hailang, Tian Yukui, Jin Lei, et al. Weak signal detection of MEMS hot-film wall shear stress sensors[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2017, 31(2): 39-43. doi: 10.11729/syltlx20170016
Citation: Sun Hailang, Tian Yukui, Jin Lei, et al. Weak signal detection of MEMS hot-film wall shear stress sensors[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2017, 31(2): 39-43. doi: 10.11729/syltlx20170016

MEMS热膜式壁面剪应力传感器微弱信号检测

doi: 10.11729/syltlx20170016
基金项目: 

国家重大科学仪器设备开发专项 2013YQ04091107

详细信息
    通讯作者:

    孙海浪 (1987-), 男, 江苏淮安人, 工程师。研究方向:实验流体力学。通信地址:江苏省无锡市滨湖区山水东路222号 (214082)。E-mail:sun.hl@163.com

  • 中图分类号: TP212

Weak signal detection of MEMS hot-film wall shear stress sensors

  • 摘要: MEMS热膜式壁面剪应力传感器的输出信号是带有基础电压的微弱电压信号,无法通过放大器直接放大的方法实现高精度测量。文章提出在输出信号放大前增加信号平衡环节,在保留有效信号的前提下减小基础电压,再通过放大的方法实现其高精度测量,有效解决了MEMS热膜式壁面剪应力传感器微弱信号检测的难题。文章介绍了MEMS热膜式壁面剪应力传感器微弱信号检测的技术方案、关键技术、测试检验及试验应用实例。
  • 图  1  热膜式壁面剪应力传感器敏感原理图

    Figure  1.  Schematic diagram of hot-film WSS sensors

    图  2  MEMS热膜式壁面剪应力传感器阵列

    Figure  2.  MEMS hot-film WSS sensor array

    图  3  热膜式传感器阵列数据采集框图 (加平衡环节)

    Figure  3.  Data acquisition diagram of hot-film sensor array (with the OBS)

    图  4  平衡环节工作原理图

    Figure  4.  Schematic diagram of the OBS

    图  5  平衡环节软件流程图

    Figure  5.  Software diagram of the OBS

    图  6  平板壁面剪应力测量值与估算值比较

    Figure  6.  Compare between measured and calculated results of the flat plate

    表  1  平衡环节技术要求

    Table  1.   Technical requirements of the OBS

    序号 技术指标 参数
    1 平衡电压范围 0.5~1.5V
    2 平衡精度 ≤1mV
    3 综合漂移 ≤0.03%·(h·℃-1)
    4 输入阻抗 ≥10MΩ
    5 输出阻抗 ≤1kΩ
    6 输出噪声 ≤10μV (p-p)
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    表  2  干电池作初始基础电压各通道的平衡情况

    Table  2.   Output-balancing signal of a dry battery basic voltage

    通道 平衡后电压/mV 输出噪声/(μV (p-p))
    1 0.416 6
    2 0.030 6
    3 0.031 7
    4 0.680 6
    5 0.029 7
    6 0.552 6
    7 0.024 6
    8 0.025 7
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    表  3  平衡环节各项技术指标检验

    Table  3.   Specification test of the OBS

    技术指标 检验情况或结果 结论
    平衡范围 输入0.5~1.5V,间隔0.2V 满足要求
    平衡精度 每通道进行3次平衡测试 满足要求
    综合漂移 平衡后采集1h,漂移<20μV 满足要求
    输入阻抗 26 MΩ 满足要求
    输出阻抗 230Ω 满足要求
    输出噪声 ≤7μV (p-p) 满足要求
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    表  4  平板表面MEMS壁面剪应力测量结果

    Table  4.   Results of MEMS WSS measurement on a flat plate

    来流流速V/(m·s-1) 输出电压变化量ΔU/mV 壁面剪应力τw/Pa 经验估算τw/Pa 相对差别/%
    0.201 39.515 0.032 0.034 4.2
    0.251 43.784 0.050 0.048 4.1
    0.299 50.298 0.106 —— ——
    0.347 55.320 0.182 —— ——
    0.395 60.795 0.334 —— ——
    0.451 63.480 0.459 0.472 2.9
    0.495 65.280 0.531 0.558 4.8
    0.553 66.670 0.677 0.682 0.7
    0.597 67.802 0.764 0.783 2.5
    0.643 68.660 0.871 0.894 2.7
    0.699 69.706 1.041 1.040 0.1
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2016-12-15
  • 修回日期:  2017-02-24
  • 刊出日期:  2017-04-25

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    2021年8月13日