發(fā)布時間：2020-06-18 12:00

【摘要】：流速測量是實(shí)現(xiàn)飛行器氣動控制的前提和基礎(chǔ),也是智能蒙皮傳感測量系統(tǒng)研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。本文以可用于變體飛行器流速測量的柔性熱式傳感器為研究對象,對熱式流速傳感器從結(jié)構(gòu)設(shè)計、理論建模與仿真、工藝優(yōu)化、測試系統(tǒng)設(shè)計和風(fēng)洞應(yīng)用驗(yàn)證等多個方面進(jìn)行了探究,主要研究工作和創(chuàng)新之處在于:(1)設(shè)計了一種集熱溫差和熱損耗檢測于一體的多功能柔性熱式流速傳感器,在結(jié)構(gòu)布局上采用熱損失型和熱溫差型測量原理相結(jié)合的方案,消除了熱式流速傳感器不同測量原理間的測量局限性,擴(kuò)大了傳感器測量量程,實(shí)現(xiàn)了傳感測量原理間的優(yōu)勢互補(bǔ)。(2)構(gòu)建了熱式流速傳感器熱特性機(jī)理模型和熱-流耦合仿真模型,結(jié)合傳感器結(jié)構(gòu)特點(diǎn),建立了基于熱式微傳感單元的熱特性物理模型,分析了傳感器幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)與靈敏度的關(guān)系,并借助有限元軟件構(gòu)建了熱-流耦合模型對傳感器進(jìn)行模擬仿真,確定了傳感器合理尺寸參數(shù)范圍。(3)優(yōu)化了熱式流速傳感器制作關(guān)鍵技術(shù)和工藝參數(shù),在合理選擇傳感器結(jié)構(gòu)材料的基礎(chǔ)上,探究了柔性傳感器制備過程中的基于電噴印的超薄通孔連接、退火增強(qiáng)和老化增強(qiáng)等關(guān)鍵工藝技術(shù),優(yōu)化了成膜過程中影響Ni膜電阻溫度系數(shù)(TCR)的磁控濺射參數(shù),提高了傳感器穩(wěn)定性、可靠性和靈敏度。(4)搭建了熱式流速傳感器測試系統(tǒng)并對傳感器進(jìn)行了風(fēng)洞應(yīng)用驗(yàn)證,根據(jù)傳感器測試原理設(shè)計了傳感器關(guān)鍵硬件電路,提出了一種基于三次樣條插值函數(shù)的流速流向解析算法,從而搭建傳感器硬、軟件測試平臺完成了對傳感器各項(xiàng)特征參數(shù)表征。并選取典型平板模型對傳感器流速和流向精度進(jìn)行了風(fēng)洞測試,驗(yàn)證了傳感器在流場測量中的可行性和實(shí)用性。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TP212
【圖文】：

批準(zhǔn)號：51635007； 校學(xué)術(shù)前沿團(tuán)隊(duì)：“華中科技大學(xué)—柔性電子制造前沿青年團(tuán)隊(duì)”，批準(zhǔn)號2017QYTD05。1.2 課題背景和意義智能蒙皮技術(shù)（smart skin technology，SST），又稱為靈巧蒙皮技術(shù)，概念最早985 年由美國空軍在預(yù)研下一代新的無人機(jī)時提出，它是指在保證目標(biāo)機(jī)翼原有蒙能的基礎(chǔ)上，通過使用新材料、置換新結(jié)構(gòu)、采用新傳感技術(shù)和制造方法實(shí)現(xiàn)蒙皮功能集成一體化和結(jié)構(gòu)部件智能化[1]。典型飛行器智能蒙皮如圖 1-1 所示，相比于的飛機(jī)蒙皮技術(shù)，智能蒙皮技術(shù)具有一系列優(yōu)點(diǎn)[2-7]：能對飛機(jī)飛行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時，一旦出現(xiàn)問題能及時預(yù)警；也能動態(tài)獲取外界環(huán)境參數(shù)，提高飛機(jī)的飛行性能和性；還能減小雷達(dá)捕獲面積，增加隱身性能等。因此，大力發(fā)展智能蒙皮技術(shù)，對我國航空工業(yè)的發(fā)展和提高國防實(shí)力具有重要的意義。

圖 1-2 (a) 硅電阻熱式傳感器[19]；(b) 熱溫差式流速流向傳感器原理圖[20]此外，Adamec 等使用 MEMS 工藝制備了一種自加熱空腔式硅微熱膜流速流向傳[21]。傳感器使用鎳（Ni）作為熱敏單元材料，Ni 電阻溫度系數(shù)（TCR）高，用于熱場合適應(yīng)性強(qiáng)。如圖 1-3（a）所示，傳感器呈對稱分布在 Si3N4薄膜空腔上，利用加熱單元的變化感知流速大小，同時辨別來流流體方向。Furjes 通過替換傳感器熱元材料為鉑（Pt），使用犧牲多孔硅工藝制備了熱溫差型流速流向傳感器[22]（圖 1b））。傳感器熱敏單元尺寸微小，通過梁懸置于空腔上方，與氣流運(yùn)動方向平行于采用空腔進(jìn)行熱傳導(dǎo)隔離，傳感器功耗低，能夠應(yīng)用于低流速的測量。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2719200