CN108955956A - 基于柔性微梁的摩擦阻力测量***及方法 - Google Patents

基于柔性微梁的摩擦阻力测量***及方法 Download PDF

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李宏源
吕鹏宇
袁辉靖
李锡英
杜增智
程杨洋
相耀磊
刘焕
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Abstract

一种基于柔性微梁的摩擦阻力测量***，包括介质平台，其内部充斥有流体介质，该介质平台的底部设置有开孔，开孔的内部放置有待测样品，流体介质流经待测样品；测量模块，位于所述待测样品下方，测量模块包括柔性微梁和浮板，柔性微梁支撑浮板，待测样品固定在浮板上，由于该待测样品表面在流体介质中受到流体摩擦阻力，使待测样品和微梁产生沿流向的位移，该测量模块用于测量该位移；数据处理模块，显示所述位移，并根据所述位移确定所述摩擦阻力。本发明根据待测样品和微梁产生沿流向的位移，能够测量得到待测样品所受到的摩擦阻力，具有高灵敏度、高动态响应、受外界温度和压力干扰较小、容易标定、测量精度高等优点。

Description

基于柔性微梁的摩擦阻力测量***及方法
技术领域
本发明涉及近壁面摩擦阻力测量***，尤其涉及一种基于柔性微梁的摩擦阻力测量***及方法。
背景技术
在流体介质中，例如水流场中近壁面摩擦阻力占到总阻力的70％左右，因此，水下运动物体减阻、空化等特性，是水动力学、流体工程学以及生物流体力学等领域关注的重要问题，近壁面摩擦阻力的原位精准测量对研究水动力学特性、减阻机理等具有重要的意义。近年来，流场近壁面摩擦阻力测量技术受到世界各国的广泛关注，美国DARPA设立专门课题对原位摩擦阻力测量装置进行开发，我国也于2013年对近壁面摩擦阻力测量研究做出专门支持。虽然国内外学者已经提出了多种流场近壁面摩擦阻力测量方法，然而目前的减阻测量方法仍存在很多缺点，主要集中在：(1)测量元件对测量表面性质要求高，难以用于复杂形貌表面的测量；(2)测量***抗干扰性差，难以排除当地温度和压力漂移引起的误差；(3)测量单元刚性结构易破坏、测量范围有限等。
目前，研究者多采用基于MEMS的壁面剪应力传感器，主要包括两种类型：一种是热敏式壁面剪应力微传感器，另一种是浮动式壁面剪应力微传感器。基于MEMS的热敏式壁面剪应力传感器属于间接测量方式，受温度的影响较大，流体温度的变化容易对结果产生误差，而且流场温度的均匀性不容易控制。总之，热敏式壁面剪应力传感器受到多个环节的影响，其测量精度有限，且标定比较复杂。
基于MEMS的直接测量式传感器一般具有可受力产生位移的浮动单元。剪应力作用于浮动单元，使其产生与剪应力大小成比例的位移，并转换为可测电信号。然而，由于基于MEMS的浮动式壁面剪应力传感器的标定过程中需要在浮动单元上施加集中力，将其等效为剪应力的作用，浮动单元的微小尺寸限制了集中力的加载，大大降低了测量精度，而且，MEMS加工的刚性硅基微结构容易发生脆性断裂，限制了测量范围。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的在于提供一种基于柔性微梁的摩擦阻力测量***及方法，以解决上述的至少一项技术问题。
(二)技术方案
本发明实施例的一方面，提供了一种基于柔性微梁的摩擦阻力测量***，包括：
介质平台，其内部充斥有流体介质，该介质平台的底部设置有开孔，所述开孔的内部放置有待测样品，所述流体介质流经待测样品；
测量模块，位于所述待测样品下方，所述测量模块包括柔性微梁和浮板，该柔性微梁支撑浮板，待测样品固定在浮板上，由于该待测样品表面在流体介质中受到流体摩擦阻力，使待测样品和微梁产生沿流向的位移，该测量模块用于测量该位移；
数据处理模块，用于显示所述位移，并根据所述位移确定所述摩擦阻力。
在本发明的一些实施例中，所述介质平台包括重力式循环水洞。
在本发明的一些实施例中，所述重力式循环水洞的实验段底部设置有至少一个开孔，每个开孔内设置有一个待测样品和一个测量模块，所述测量模块包括一微梁测力单元和一光学测位移单元，其中，
该微梁测力单元包括：所述柔性微梁和浮板；
该光学测位移单元包括：光学编码器和标尺，其中，所述标尺用于接收光学编码器发射的激光并将所述激光反射至所述光学编码器；所述光学编码器接收反射的激光并产生与位移相关的正交差分信号。
在本发明的一些实施例中，所述数据处理模块包括与所述光学编码器相连接的数据采集卡以及上位机，其中，该上位机用于发送指令至数据采集卡，数据采集卡接收指令对所述正交差分信号进行采样，得到并输出采样后的脉冲信号至上位机进行处理，从而得到数字信号形式的位移，并将所述位移进行数据存储。
在本发明的一些实施例中，所述上位机还用于计算并显示摩擦阻力，所述摩擦阻力满足公式F＝4Edtw3/L3，
其中，L为柔性微梁的长度，w为柔性微梁的宽度，t为柔性微梁的高度，E为柔性微梁的弹性模量，d为所述位移。
在本发明的一些实施例中，E的范围为625KPa～2GPa。
在本发明的一些实施例中，该柔性微梁为3D打印得到的微梁。
在本发明的一些实施例中，所述柔性微梁与所述光学测位移单元之间留有空隙。
在本发明的一些实施例中，其中：
所述光学编码器的输出频率范围为0.225MHz～7.2MHz；和/或
所述数据采集卡的输入频率不大于2MHz。
本发明实施例的另一方面，还提供了一种基于柔性微梁的摩擦阻力测量方法，应用于以上任一所述的基于柔性微梁的摩擦阻力测量***。
(三)有益效果
本发明的基于柔性微梁的摩擦阻力测量***及方法，相较于现有技术，至少具有以下优点：
(1)本发明通过设计柔性微梁，优化和整合3D打印的配方、工艺，打印出不同弹性模量的微梁结构，制备符合设计目标的原型器件，使其具有高灵敏度、高动态响应的特点，大大提高微梁结构的摩擦阻力测量范围；
(2)本发明的柔性微梁，与传统的刚性微梁传感器相比，柔性微梁测力单元不容易发生断裂破坏，更容易反映出摩擦阻力，大大提高了可行性；
(3)本发明可以直接精确地测量出复杂功能表面近壁区的流动摩擦阻力，具有受外界温度、压力干扰较小，容易标定，测量精度高，测量范围广等特点，可以解决传统实验方法只能测量光滑表面的难题，填补近壁面摩擦阻力精准测量技术的空白；
(4)本发明可以解决研究人员精准测量复杂形貌表面近壁面摩擦阻力的技术难题，提供准确评估复杂形貌表面减阻性能的测试平台。同时，还能将粒子图像测速***(PIV)与本发明相结合，分析复杂结构功能表面边界层内精细流场，从而全面揭示复杂形貌表面的流动减阻机理。
(5)本发明具有环境适应性强、鲁棒性好、测量精度高、不易破坏等优点，部署灵活、可满足对不同复杂形貌表面进行原位阻力测量的需求。
附图说明
图1为本发明一具体实施例的基于柔性微梁的摩擦阻力测量***的结构示意图；
图2为图1中重力式循环水洞的具体示意图；
图3为图1中微梁测力单元的具体示意图；
图4为图1中数据处理模块的具体示意图。
[符号说明]
1、介质平台 2、微梁测力单元
3、光学测位移单元 4、数据处理模块
5、左开孔 6、右开孔
7、浮板 8、柔性微梁
9、围板 10、待测样品
11、胶水 12、样品台
13、螺栓 14、标尺
15、玻璃片 16、光学编码器
17、上位机 18、数据采集卡
19、光学编码器接头 20、数据转接线接头
21、转接插座
具体实施方式
现有技术大多采用基于MEMS的壁面剪应力传感器，存在测量精度有限，标定比较复杂，限制测量范围的缺陷，有鉴于此，本发明提供了一种基于柔性微梁的摩擦阻力测量***及方法，本发明根据待测样品和微梁产生沿流向的位移，能够测量得到待测样品所受到的摩擦阻力，具有高灵敏度、高动态响应、受外界温度和压力干扰较小、容易标定、测量精度高等优点，同时可以解决传统摩擦阻力测量方法只能测量光滑表面的难题，满足对不同复杂形貌表面的待测样品进行原位阻力测量的需求。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明实施例的一方面，提供了一种基于柔性微梁的摩擦阻力测量***，包括：
介质平台1，其内部充斥有流体介质，该介质平台1的底部设置有开孔，所述开孔的内部放置有待测样品10，所述流体介质流经待测样品10；
测量模块，位于所述待测样品下方，所述测量模块包括柔性微梁8和浮板7，该柔性微梁8支撑浮板7，待测样品10固定在浮板7上，由于该待测样品10的表面在流体介质中受到流体摩擦阻力，使待测样品10和柔性微梁8产生沿流向的位移，该测量模块用于测量该位移；
数据处理模块4，用于显示所述位移，并根据所述位移确定摩擦阻力。
其中，该柔性微梁8可以通过3D打印得到或者通过其他具体柔性性质的材料制备得到，其形状以及制备方法本发明不作限制。需要注意的是，柔性微梁8的弹性模量E的范围优选为625KPa～2GPa，由此，柔性微梁8的位移能够更容易精确测量。
本发明中的流体介质可以为水、空气等。在本发明的一些实施例中，该介质平台1可以基于重力式循环水洞或者其他的介质平台。接着，就以重力式循环水洞为一具体实施例，并结合图1进行说明。
图2为图1中重力式循环水洞的具体示意图，如图2所示，在本发明实施例中，所述重力式循环水洞的实验段底部设置有两个左右对称的开孔，即左开孔5和右开孔6。实际上，开孔的个数和位置不受限制，每个开孔内设置有一个待测样品10和一个测量模块。其中，每个开孔内的待测样品10的粗糙度可以部分相同，这样能够检测出样品大小或者形状与摩擦阻力之间的关系；每个开孔内的待测样品10的粗糙度可以各不相同，同时其大小和形状维持一致，这样能够检测出样品的粗糙度与摩擦阻力之间的关系。在本发明实施例中，该待测样品10可以为表面不光滑的复杂形貌，可以为表面光滑的简单形貌，本发明均可测量其所受到的摩擦阻力。
图3为图1中微梁测力单元的具体示意图，如图3所示，测量模块包括两个单元：微梁测力单元2和光学测位移单元3。待测样品10通过胶水11与样品台12相连接；样品台12靠螺栓13固定在微梁测力单元2上。为了保证微梁8不与光学测位移单元3有接触，中间留有空隙，从而防止微梁8与光学测位移单元3接触后产生摩擦力，影响流体介质对柔性微梁8的摩擦阻力的测量。
其中，微梁测力单元2包括：4个柔性微梁8；与柔性微梁8和待测样品10相连接的浮板7。其中。该微梁测力单元2还包括围板9，用于固定柔性微梁8和浮板7，其中，围板9和浮板7都为刚性材料，这二者的弹性模量也可以为2GPa。还需说明的是，柔性微梁8的数目可以为4个，在其他实施例中可以为其他数目，可以根据实际情况进行选择其数目从而确定微梁测力单元2的布置方式。
在重力式循环水洞的水流的摩擦阻力F的流动剪切下，待测样品10会产生位移，由于浮板7与所述待测样品10相连接，因此，浮板7也会产生位移，导致柔性微梁8的顶端也产生了位移。
为了方便地测量柔性微梁8的位移，该光学测位移单元3包括光学编码器16和标尺14(其精确度可达78nm)。具体地，光学编码器16发射激光，与光学编码器16相对的标尺14接收激光并将所述激光反射回光学编码器16。当光学编码器16接收反射激光时，还会产生与位移相关的正交差分信号，之后对正交差分信号进行处理即可得到位移的大小。
其中，光学编码器16的最大输出频率范围优选为0.225MHz～7.2MHz，这样能够与数据采集卡的速度匹配，从而准确地测量位移。
该光学测位移单元3还可以包括位于光学编码器16和标尺14之间的玻璃片15，能够防止水进入玻璃片15下面的方腔，同时还能透光，有利于精确地测量位移。
图4为图1中数据处理模块的具体示意图，如图4所示，为了方便后续对正交差分信号进行处理，数据处理模块4包括与所述光学编码器16相连接的数据采集卡18；以及上位机17。光学编码器接头19用于连接光学编码器16和转接插座21，数据转接线接头20用于连接数据采集卡18和转接插座21。光学编码器接头19和数据转接线接头20都固定在转接插座21上面。一般来说，数据采集卡18的输入频率不大于2MHz，避免采集的脉冲不准确，发射漏采集的情况。
数据采集卡18，接收上位机17发送的指令，根据该指令对光学编码器16输出的正交差分信号进行采样，得到并输出采样后的脉冲信号(包括脉冲数量)输出至上位机17。上位机17对脉冲信号进行处理，得到数字信号形式的位移，并将该位移进行数据存储，由此，确定柔性微梁8的位移。
在得到位移之后，上位机17还需根据位移计算摩擦阻力。假设待测样品10在摩擦阻力F的剪切下发生位移为d，每一根柔性微梁8的长度为L，宽度w，高度为t，弹性模量为E。那么，浮板7的位移(柔性微梁8结构顶端的位移)也为d。则单根柔性微梁的惯性矩I：
I＝tw3/12
在摩擦阻力F的作用下，浮板7两侧的对应位置的两根柔性微梁8发生反对称变形，浮板7同侧的两根柔性微梁8发生对称变形，每根柔性微梁承受F/4的作用力。对于一根柔性微梁而言，一侧为固定端，另一侧承受F/4的流动剪切力，同时存在弯矩M来满足转角为0的条件，根据转角为0列方程计算可得，M＝FL/8，在F/4和M的共同作用下，可以计算出每根柔性微梁端部的位移也就是浮板7的位移d＝FL3/(48EI)，由此可得F＝4Edtw3/L3。
在此之后，为了使用户能够直观地得到摩擦阻力，上位机17还可以显示摩擦阻力，例如文档格式或者屏幕显示，本发明不作限制。
本发明实施例的另一方面，还提供了一种基于柔性微梁的摩擦阻力测量方法，应用于前述的基于柔性微梁的摩擦阻力测量***。
综上，本发明的基于柔性微梁的摩擦阻力测量***及方法，根据待测样品和微梁产生沿流向的位移，能够测量得到待测样品所受到的摩擦阻力，具有高灵敏度、高动态响应、受外界温度和压力干扰较小、容易标定、测量精度高等优点，可以解决传统摩擦阻力测量方法只能测量光滑表面的难题，满足对不同复杂形貌表面的待测样品进行原位阻力测量的需求。
除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本发明的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到“约”的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。
再者，“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于柔性微梁的摩擦阻力测量***，包括：
介质平台，其内部充斥有流体介质，该介质平台的底部设置有开孔，所述开孔的内部放置有待测样品，所述流体介质流经待测样品；
测量模块，位于所述待测样品下方，所述测量模块包括柔性微梁和浮板，该柔性微梁支撑浮板，待测样品固定在浮板上，由于该待测样品表面在流体介质中受到流体摩擦阻力，使待测样品和微梁产生沿流向的位移，该测量模块用于测量该位移；
数据处理模块，用于显示所述位移，并根据所述位移确定所述摩擦阻力。
2.根据权利要求1所述的***，其中，所述介质平台包括重力式循环水洞。
3.根据权利要求2所述的***，其中，所述重力式循环水洞的实验段底部设置有至少一个开孔，每个开孔内设置有一个待测样品和一个测量模块，所述测量模块包括一微梁测力单元和一光学测位移单元，其中，
该微梁测力单元包括：所述柔性微梁和浮板；
该光学测位移单元包括：光学编码器和标尺，其中，所述标尺用于接收光学编码器发射的激光并将所述激光反射至所述光学编码器；所述光学编码器接收反射的激光并产生与位移相关的正交差分信号。
4.根据权利要求3所述的***，其中，所述数据处理模块包括与所述光学编码器相连接的数据采集卡以及上位机，其中，该上位机用于发送指令至数据采集卡，数据采集卡接收指令对所述正交差分信号进行采样，得到并输出采样后的脉冲信号至上位机进行处理，从而得到数字信号形式的位移，并将所述位移进行数据存储。
5.根据权利要求4所述的***，其中，所述上位机还用于计算并显示摩擦阻力，所述摩擦阻力满足公式F＝4Edtw3/L3，
其中，L为柔性微梁的长度，w为柔性微梁的宽度，t为柔性微梁的高度，E为柔性微梁的弹性模量，d为所述位移。
6.根据权利要求5所述的***，其中，E的范围为625KPa～2GPa。
7.根据权利要求1所述的***，其中，该柔性微梁为3D打印得到的微梁。
8.根据权利要求3所述的***，其中，所述柔性微梁与所述光学测位移单元之间留有空隙。
9.根据权利要求4所述的***，其中：
所述光学编码器的输出频率范围为0.225MHz～7.2MHz；和/或
所述数据采集卡的输入频率不大于2MHz。
10.一种基于柔性微梁的摩擦阻力测量方法，应用于如权利要求1至9中任一所述的基于柔性微梁的摩擦阻力测量***。
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