留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

水下MEMS壁面剪应力传感器标定不确定度分析研究

沈雪 田于逵 张璇 孙海浪 谢华 张楠

沈雪, 田于逵, 张璇, 等. 水下MEMS壁面剪应力传感器标定不确定度分析研究[J]. 实验流体力学, 2017, 31(3): 66-71. doi: 10.11729/syltlx20170019
引用本文: 沈雪, 田于逵, 张璇, 等. 水下MEMS壁面剪应力传感器标定不确定度分析研究[J]. 实验流体力学, 2017, 31(3): 66-71. doi: 10.11729/syltlx20170019
Shen Xue, Tian Yukui, Zhang Xuan, et al. Calibration and uncertainty analysis of MEMS wall shear stress sensor[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2017, 31(3): 66-71. doi: 10.11729/syltlx20170019
Citation: Shen Xue, Tian Yukui, Zhang Xuan, et al. Calibration and uncertainty analysis of MEMS wall shear stress sensor[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2017, 31(3): 66-71. doi: 10.11729/syltlx20170019

水下MEMS壁面剪应力传感器标定不确定度分析研究

doi: 10.11729/syltlx20170019
基金项目: 

国家重大科学仪器设备开发专项 2013YQ040911

详细信息
    作者简介:

    沈雪(1991-), 女, 江苏宜兴人, 助理工程师。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。E-mail:1273660770@qq.com

    通讯作者:

    田于逵, E-mail:tyk702@sina.com

  • 中图分类号: TV131;TH823

Calibration and uncertainty analysis of MEMS wall shear stress sensor

  • 摘要: 针对MEMS壁面剪应力传感器进行了标定及其不确定度分析工作。标定基于压力梯度法,使用扁平校验水槽作为主要的试验装置。测量不同壁面剪应力下的MEMS输出电压信号,通过最小二乘拟合可获得标定系数。反复进行壁面剪应力及电压测量,同时查找相关产品说明书获得壁面剪应力及标定系数的不确定度。试验结果表明,剪应力测量的相对扩展不确定度小于7%,且外流速度越大,剪应力测量的不确定度越小,因此扁平校验水槽能够提供较高精度的剪应力输入;电压测量的相对扩展不确定度小于7%,且外流速度越大,电压测量的不确定度越小,因此传感器能够可靠地用于流体壁面剪应力的测量;标定曲线具有合理的形态且拟合相关性较高,因此标定公式具有较好的可靠性。
  • 图  1  MEMS壁面剪应力传感器阵列示意图

    Figure  1.  MEMS wall shear stress sensor array diagram

    图  2  MEMS传感器安装示意图

    Figure  2.  MEMS sensor installation instruction

    图  3  盖板布置图

    Figure  3.  Diagram of coverplate

    图  4  测压孔分布图

    Figure  4.  Diagram of pressure taps

    图  5  2号热敏单元标定曲线

    Figure  5.  Calibration curve of No.2 sensor element

    图  6  5号热敏单元标定曲线

    Figure  6.  Calibration curve of No.5 sensor element

    图  7  6号热敏单元标定曲线

    Figure  7.  Calibration curve of No.6 sensor element

    图  8  7号热敏单元标定曲线

    Figure  8.  Calibration curve of No.7 sensor element

    表  1  4个敏感单元的电气参数

    Table  1.   Electric parameter of four sensing elements

    表  2  壁面剪应力的测量值及其扩展不确定度

    Table  2.   Measured values and their uncertainties of wall shear stress

    表  3  标定公式拟合结果

    Table  3.   Fitting results of calibration equation

  • [1] Xu Y, Lin Q, Lin G, et al. Micromachined thermal shear-stress sensor for underwater applications[J]. Microelectromechanical Systems, 2005, 14(5): 1023-1030. doi: 10.1109/JMEMS.2005.856644
    [2] Zuckerwar A, Michael A S. A rotary flow channel for shear stress sensor calibration[C]//24th AIAA Aerodynamic Measurement Technology and Ground Testing Conference, Portland, 28 June-1 July, 2004.
    [3] Bellhouse B J, Schultz D L. Determination of mean and dynamic skin friction, separation and transition in low-speed flow with a thin-film heated element[J]. Journal of Fluid Mechanics, 1966, 24: 379-400. doi: 10.1017/S0022112066000715
    [4] Khoo B C, Chew Y T, Lim C P, et al. The flow between a rotating and a stationary disc: application to near-wall hot-wire calibration[J]. Measurement Science & Technology, 1998, 9(4):650-658. https://www.researchgate.net/publication/231022521_The_flow_between_a_rotating_and_a_stationary_disc_Application_to_near-wall_hot-wire_calibration
    [5] Löfdahl L, Chernoray V, Haasl S, et al. Characteristics of a hot-wire microsensor for time-dependent wall shear stress measurements[J]. Experiments in Fluids, 2003, 35(3): 240-251. doi: 10.1007/s00348-003-0624-y
    [6] 项志杰, 马炳和, 邓进军, 等.浮动式剪应力微传感器的标定[J].微纳电子技术, 2014, (4):236-242. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-BDTQ201404006.htm

    Xiang Z J, Ma B H, Deng J J, et al. Calibration of floating-element micro wall shear stress sensor[J]. Micro-nano-electronic Technology, 2014, (4):236-242. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-BDTQ201404006.htm
    [7] Padmanabhan A. Silicon micromachined sensors and sensor arrays for shear-stress measurements in aerodynamic flows[R]. Aerospace Computational Design Laboratory, Dept of Aeronautics & Astronautics, Massachusetts Institute of Technology, 1997.
    [8] De Luca A, Haneef I, Coull J, et al. High sensitivity single thermopile SOI CMOS MEMS thermal wall shear stress sensor[J]. IEEE Xplore, 2015: 1. https://www.researchgate.net/publication/278406935_High_Sensitivity_Single_Thermopile_SOI_CMOS_MEMS_Thermal_Wall_Shear_Stress_Sensor
    [9] 黄欢, 孙海浪, 田于逵, 等. 水下MEMS剪应力标定试验压力监测方案设计[C]. 全国水动力学学术会议暨全国水动力学研讨会, 青岛: 2014.

    Huang H, Sun H L, Tian Y K, et al. Pressure monitor project design of under water MEMS shear stress cabibration test[C]. Proceedings of National Congress on Hydrodynamics & National Conference on Hydrodynamics, Qingdao: 2014.
    [10] 田于逵, 谢华, 黄欢, 等. MEMS壁面剪应力传感器阵列水下标定实验研究[J].实验流体力学, 2015, 29(2): 8-12, 25. http://www.syltlx.com/CN/abstract/abstract10819.shtml

    Tian Y K, Xie H, Huang H, et al. Calibration research of MEMS shear stress sensor array[J]. Experimental Fluid Mechanics, 2015, 29(2): 8-12, 25. http://www.syltlx.com/CN/abstract/abstract10819.shtml
    [11] Tian Y K, Xie H, Huang H, et al. Calibration of MEMS wall shear-stress-sensors array for underwater applications[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2015: 8-12.
    [12] 李晓莹, 李雁冰, 马炳和, 等.微型热膜传感器的水下壁面剪应力标定研究[J].传感器与微系统, 2014, 33(10):11-13. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-CGQJ201410004.htm

    Li X Y, Li Y B, Ma B H, et al. Under water wall shear stress calibration reserch of micro thermal sensor[J]. Transducer and Microsystem Technologies, 2014, 33(10):11-13. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-CGQJ201410004.htm
    [13] 国家质量监督检验检疫总局. JJF1059-1999测量不确定度评定与表示[S]. 北京: 中国计量出版社, 1999. http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_gyjl200602015.aspx

    JJF1059-1999. Evaluation and expression of measurement uncertainties[S]. Beijing: State Administration for Quality Supervision and Inspection and Quarantine, 1999. http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_gyjl200602015.aspx
    [14] 钱绍圣.测量不确定度[M].北京:清华大学出版社, 2002.

    Qian S S. Measurement uncertainty[M]. Beijing: Tinghua University Press, 2002.
    [15] 林洪桦.测量误差与不确定度评估[M].北京:机械工业出版社, 2010.

    Lin H Y. Measurement error and uncertainty evaluation[M]. Beijing: China Machine Press, 2010.
    [16] 范影乐. MATLAB仿真应用详解[M].北京:人民邮电出版社, 2001.

    Fan Y L. MATLAB simulation and application examples[M]. Beijing: Posts and Telecom Press, 2001.
  • 加载中
图(8) / 表(3)
计量
  • 文章访问数:  215
  • HTML全文浏览量:  94
  • PDF下载量:  6
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2016-12-15
  • 修回日期:  2017-05-22
  • 刊出日期:  2017-06-25

目录

    /

    返回文章
    返回

    重要公告

    www.syltlx.com是《实验流体力学》期刊唯一官方网站,其他皆为仿冒。请注意识别。

    《实验流体力学》期刊不收取任何费用。如有组织或个人以我刊名义向作者、读者收取费用,皆为假冒。

    相关真实信息均印刷于《实验流体力学》纸刊。如有任何疑问,请先行致电编辑部咨询并确认,以避免损失。编辑部电话0816-2463376,2463374,2463373。

    请广大读者、作者相互转告,广为宣传!

    感谢大家对《实验流体力学》的支持与厚爱,欢迎继续关注我刊!


    《实验流体力学》编辑部

    2021年8月13日