CN101769935A

CN101769935A - 一种基于一维纳米材料的热线式流速传感器及测试系统

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Publication number: CN101769935A
Application number: CN200910076074A
Authority: CN
Inventors: 周兆英; 杨兴; 王鼎渠; 刘小丽
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2009-01-05
Filing date: 2009-01-05
Publication date: 2010-07-07
Anticipated expiration: 2029-01-05
Also published as: CN101769935B

Abstract

本发明涉及一种基于一维纳米材料的热线式流速传感器，包括热敏感元件、支撑体和基底，热敏感元件设置在支撑体的顶部；热敏感元件为单根纳米材料、由2根以上纳米材料组成的阵列或一束，或由N根一维纳米材料构成的薄膜组成。还提供利用本发明的纳米材料热线式流速传感器制作的测量系统，纳米材料热线式流速传感器安装在微调节架上，通过微调节架调节热线式流速传感器中的热敏感元件与流体流速之间的角度。流速引起热敏感元件的变化经恒流式(或恒温式)信号处理电路放大处理后由电压表或监视器显示。该纳米材料热线式传感器所组成的流速测量系统，可实现0.001-50m/s的流速测量。该系统具有传感器尺寸小、灵敏度高、响应速度快、功耗低和长寿命等特点。

Description

一种基于一维纳米材料的热线式流速传感器及测试系统

技术领域

本发明涉及一种热线式流速传感器，特别是涉及一种基于一维纳米材料的微型热线式流速传感器及其利用该一维纳米材料的微型热线式流速传感器测试的系统。

背景技术

热线式流速测量是利用热平衡原理，通过测量热量的传递，来求得流体流动速度。即利用被加热物体的冷却率和流体流速之间的关系，通过测量被加热物体的温度来得到流速值。热线式流速测量方法的空间和时间分辨率高、通频带宽、背景噪音低、价格相对便宜、信号连续、能够准确地对流场进行频谱分析，适合于各种流场，特别是在低速流和低湍流场研究中显示了较大的优越性。因此，热线式流速测量方法至今仍是湍流和流动测量的经典仪器和得力工具。

传统的热线式流速传感器的结构模型可以参考文献[1]：Chen J，Liu C.Development and Characterization of Surface Micromachined，Out-of-Plane Hot-Wire Anemometer J Microelectromech S，2003，12：979-988所介绍，如图1所示：传统的热线式流速传感器由热线、支撑体、基底三部分组成；其中热线通常由钨丝、铂丝或镀铂钨丝来制作。典型热线直径为0.5微米-10微米，长度为1毫米-3毫米。如果将支撑体之间的金属线换成金属薄膜，便成了热膜式流速传感器。

热线式流速传感器的基本原理可用King公式描述：

I_{w}^{2} R_{w} = (X + {YU}^{n}) (T_{w} - T_{f}) - - - (1)

式中，I_w为加热电流(A)，R_w为热线温度为T_w时热线的电阻(Ω)；T_w是热线温度(℃)，T_f是流体温度(℃)，U流体流过热线的速度。X、Y是由热线的尺寸、流体物性和流动条件决定的系数，对于给定的热线流量传感器和给定的被测流体，可以认为它们为常数。

令R_f为温度为T_f时热线的电阻(Ω)，β是热线材料在T_f时的电阻温度系数，则有下面的关系：

R_w＝R_f[1+β(T_w-T_f)] (2)

由(1)、(2)两式可得热线的静态方程式：

\frac{I_{w}^{2} R_{w} R_{f}}{R_{w} - R_{f}} = (X + Y \sqrt{U}) - - - (3)

该式表明，在热平衡状态下，热线的加热电流I_w，热线的电阻R_w、R_f和流体的平均速度U之间存在着确定的关系。

现代科技的发展对热线式流速测量提出了越来越高的要求，除了要求高灵敏度和高的动态响应速度，还需尽量减小探头尺寸以减小对流场的影响，以及高强度的探头材料以提高寿命和耐用性等。

根据热线式流速传感器的工作原理，要提高热线式流速传感器的灵敏度和响应速度，一方面应尽量减小热线(膜)的尺寸；另一方面应尽量提高热线的表面积与长径比。

近年来，碳纳米管、纳米线等一维纳米材料的出现为进一步提高热线式流速传感器的性能提供了新的思路。例如，碳纳米管、纳米线等一维纳米材料具有超小的尺寸、超高的表面体积比、较高的电阻温度系数，这些特点都有利于提高热线式流速传感器的灵敏度。同时，纳米材料具有超高的强度使其能承受较高流速冲击并具有较高的寿命和耐用性。因此，利用一维纳米材料作为敏感元件将会有效地提高热线式流速传感器的性能和耐用性。

发明内容

本发明的目的是为了满足现代科技的需要，使热线式流速传感器既具有高灵敏度和高动态响应速度，还需尽量减小探头尺寸以减小对流场的影响；从而提供一种利用一维纳米材料高表面体积比、高电阻温度系数、高强度和低功耗的特点，将其作为热线式流速传感器中的敏感元件，制作的基于一维纳米材料热线式流速传感器。该基于一维纳米材料热线式流速传感器具有高灵敏度和高响应速度、超小尺寸、高耐用性等特点。

本发明的另一目的是为了提供一种利用该一维纳米材料的微型热线式流速传感器制作的流速传感器测试的系统。

本发明的目的是这样实现的：

本发明提供的纳米材料热线式流速传感器(参考图2)，包括热敏感元件(热线1)、支撑体、和固定支撑体的基底，其中，所述的热敏感元件设置在所述的支撑体的顶部；其特征在于：所述的热敏感元件为单根纳米材料、一束一维纳米材料、由2根以上纳米材料组成的阵列或由N根一维纳米材料构成的薄膜。

在上述的技术方案中，所述的单根纳米材料的直径为1nm-1mm，长度范围：1nm-1cm。

在上述的技术方案中，所述的N为100根以上。

在上述的技术方案中，所述的由2根以上纳米材料组成的阵列为两根或两根以上的纳米材料平行排列构成，阵列中纳米材料之间的间距范围：1nm-1mm。

在上述的技术方案中，所述的由2根以上纳米材料组成的一束，可由单根纳米材料平行紧密排列或绞成股状组成。

在上述的技术方案中，所述的由N根一维纳米材料构成的薄膜状，其中薄膜的厚度以达到1nm-1mm为宜。

在上述的技术方案中，还包括在支撑体和热敏感元件的表面包裹或涂敷绝缘层，使支撑体和纳米材料与被测介质绝缘。所述的绝缘层的材料包括石英、玻璃、三氧化二铝、各种陶瓷、环氧树脂等，其绝缘层的厚度从10埃到100微米。

本发明提供的一维纳米材料热线式流速传感测试系统(参考图3)，包括一维纳米材料热线式流速传感器、信号处理电路、微调节架、电压表或监视器、计算机、电源和电缆；其特征在于，一维纳米材料热线式流速传感器安装在微调节架上，热敏感元件与信号处理电路和电压表或监视器显示电连接；通过微调节架调节热线式流速传感器中的热敏感元件与流体流速之间的角度；流速引起热敏感元件的变化经信号处理电路放大处理后由电压表或监视器显示，也可以通过计算机采集数据后通过屏幕显示。

在上述的技术方案中，所述的信号处理电路可以是恒流源电路，其电流输出范围为1皮安-1安培，可根据实际需要进行调整；

在上述的技术方案中，所述的信号处理电路可以是恒温电路，其功能是通过调整热敏感元件的电流使其在不同流速下都保持在恒定的温度下工作；

在上述的技术方案中，所述的微调节架可实现x方向、y方向、z方向以及绕x轴、y轴、z轴六个自由度的运动的调节架。

本发明的优点在于：

本发明利用一维纳米材料作为敏感元件(热线1)实现流速的测量，由于一维纳米材料具有高表面体积比、高电阻温度系数、超小的尺寸、高强度等优点，因此该种热线式流速传感器具有高灵敏度、高响应速度、寿命长等优点。

本发明提供的一维纳米材料热线式流速传感器达到如下主要技术指标：热敏感元件可由单根、阵列、一束或薄膜状一维纳米材料构成。若采用单根或一束结构，单根或一束纳米材料的直径为1nm-1mm，长度范围：1nm-1cm，一束纳米材料可由单根纳米材料平行紧密排列或绞成股状组成；若采用薄膜结构，则薄膜的厚度范围：1nm-1mm；若采用阵列形式，则阵列由两根或两根以上的纳米材料平行排列构成，阵列中纳米材料之间的间距范围：1nm-1mm。

信号处理电路采用恒温或恒流电路，其电流输出范围为1皮安-1安培，并可根据实际需要进行调整；微调节架在x，y，z方向的定位精度，可达0.1微米-100微米，绕x轴、y轴、z轴的转动定位精度：0.01°-1°。

本发明提供的利用本发明制作的一维纳米材料热线式传感器所组成的流速测量系统，可实现0.001-50m/s的流速测量。该系统不仅具有传感器尺寸小、灵敏度高、响应速度快、功耗低、长寿命等特点，并且一维纳米材料热线(膜)具有较高的强度，可对较高的流速进行测试。该项技术可应用于流速、流量、流场的测试和分析等领域。

附图说明

图1是文献[1]给出的传统的热线式流速传感器的结构原理图

图2(a)-图2(d)是本发明提出的一维纳米材料热线式流速传感器示意图

图3是本发明提出的一维纳米材料热线式流速传感系统组成示意图

图面说明：

1、金属丝(热线) 2、支撑体； 3、基底；

4、单根一维纳米材料 5、一维纳米材料阵列；6、一束一维纳米材料；

7、一维纳米材料薄膜；8、微调节架； 9、信号处理电路；

10、计算机；

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例进一步详细说明。

实施例1

参考图2(a)，制作基于单根一维纳米材料热线式流速传感器。

本实施例采用的单根一维纳米材料4为碳纳米管或纳米线，该碳纳米管或纳米线的直径，例如为1nm、100nm、500nm-1mm，长度范围：1nm、100nm、1000nm-1cm，用该碳纳米管、纳米线作为热敏感元件均可以。基底3采用常规绝缘材料制作的；支撑体2由2根导电材料制作的(本专业技术人员公知的导电材料)，2根支撑体的间距为10纳米到10毫米；该支撑体2的底部固定在基底3上，2根支撑体2的顶部固定单根一维纳米材料4，即用单根一维纳米材料4代替已有技术中的金属丝1(热线)。将一根或一束碳纳米管、纳米线等一维纳米材料固定的方式，是采用焊接、粘接或键合的方法固定于支撑体的端部，这些都是本专业技术人员可以胜任的。这种传感器结构主要用于气体流速的一维、二维或三维测量，也可以测量绝缘的液体。

实施例2

参考图2(c)，制作有一维纳米材料一束热线式流速传感器。

具体组成同实施例1，只是热敏感元件采用一束一维纳米材料6，该一束一维纳米材料6是由2根，6根或者16根直径为1nm、100nm、500nm-1mm，长度范围：1nm、100nm、1000nm-1cm的碳纳米管、或纳米线组成一束，并且将2根，6根或者16根碳纳米管或纳米线平行紧密排列而成，或将碳纳米管或纳米线绞成一股而组成；再固定在2根支撑体2的顶部，2根支撑体2的另一端固定在绝缘的基底3上。制作2根支撑体的导电材料，例如金属铜制作的支撑体，支撑体的间距100纳米。

实施例3

参考图2(b)，制作阵列式一维纳米材料热线式流速传感器。

具体组成同实施例1，只是热敏感元件采用一维纳米材料阵列5，该一维纳米材料阵列5是由4、6或8根的碳纳米管、碳纳米线平行排列构成，阵列中碳纳米管、碳纳米线之间的间距范围：1nm-1mm之间均可以。在绝缘(本专业技术人员常规使用的塑料材料)的基底上制作2根由导电材料制作的支撑体2，支撑体的间距5毫米。将碳纳米管、碳纳米线阵列采用焊接、粘接或键合的方法固定于支撑体的端部。这种传感器结构主要用于气体流速的一维、二维或三维测量，也可以测量绝缘的液体。

实施例4

参考图2(d)，制作薄膜式一维纳米材料热线式流速传感器。

具体组成同实施例1，只是热敏感元件采用一维纳米材料薄膜7，该一维纳米材料薄膜7是由60根或100根的碳纳米管做成厚度1nm-1mm的薄膜；。在绝缘的基底3上制作2根由导电材料制作的支撑体，支撑体2的间距10纳米或10毫米。将厚度1nm-1mm的碳纳米管、纳米线薄膜7采用焊接、粘接或键合的方法固定于支撑体2的端部。这种传感结构主要用于气体流速的一维、二维或三维测量，也可以测量绝缘的液体。

实施例5

参考图1，参考图2(a)-(d)，制作薄膜式一维纳米材料热线式流速传感器，其结构同实施例1-4，只是具有以下的区别：

在实施例1、2、3和4的基础上在支撑体和纳米材料的表面包裹或涂敷绝缘层，使支撑体和纳米材料与被测介质绝缘。绝缘层的材料可以是石英、玻璃、三氧化二铝、各种陶瓷或环氧树脂等均可以，其绝缘层的厚度可以从10埃到100微米之间均可以。这种传感结构不仅可用于气体流速的测量，也可用于液体流速的测量。

实施例6

参考图3，利用实施例1、2、3、4和5所提供的本发明一维纳米材料热线式流速传感器，来制作流速传感器测量系统，具体结构如下：

本实施例的流速传感器测量系统，可以采用实施例1、2、3、4和5制作的任何一种一维纳米材料热线式流速传感器；将图2(a)-(d)任何一种一维纳米材料热线式流速传感器安装在微调节架8上，热敏感元件与信号处理电路和电压表或监视器实现电连接；通过微调节架调节热线式流速传感器中的热敏感元件与流体流速之间的角度；流速引起热敏感元件的变化经信号处理电路9放大处理后由电压表或监视器显示。还可以包括一计算机10，通过计算机10采集数据后通过屏幕显示。

其中，所述的信号处理电路可以是恒流源电路，其电流输出范围为1皮安-1安培，可根据实际需要进行调整；或者是恒温电路，其功能是通过调整热敏感元件的电流使其在不同流速下都保持在恒定的温度下工作；

其中，所述的微调节架可以采用光学试验中使用的精密光学调节架或其他的能够实现六个自由度的运动的机械调节架9；即能实现x方向、y方向、z方向以及绕x轴、y轴、z轴六个自由度的运动的调节架都可以。

应该注意到并理解，在不脱离后附的权利要求所要求的本发明的精神和范围的情况下，能够对上述详细描述的本发明做出各种修改和改进。因此，要求保护的技术方案的范围不受所给出的任何特定示范教导的限制。

Claims

1.一种基于纳米材料的热线式流速传感器，包括热敏感元件、支撑体和固定支撑体的基底，其中，所述的热敏感元件设置在所述的支撑体的顶部；其特征在于：所述的热敏感元件为单根纳米材料、一束一维纳米材料、由2根以上纳米材料组成的阵列或由N根一维纳米材料构成的薄膜。

2.按权利要求1所述的纳米材料的热线式流速传感器，其特征在于，所述的阵列是由纳米材料平行排列构成，阵列中纳米材料之间的间距范围：1nm-1mm。

3.按权利要求1所述的纳米材料的热线式流速传感器，其特征在于，所述的一束一维纳米材料是由单根纳米材料平行紧密排列或绞成股状组成。

4.按权利要求1所述的纳米材料的热线式流速传感器，其特征在于，所述的由N根一维纳米材料构成的薄膜状，其中，N为所使用的一维纳米材料的根数，以达到薄膜厚度在1nm-1mm为准。

5.按权利要求1、2、3或4所述的纳米材料的热线式流速传感器，其特征在于，所述的单根纳米材料为碳纳米管或纳米线，所述的碳纳米管或纳米线的直径为1nm-1mm，长度范围：1nm-1cm。

6.按权利要求1所述的纳米材料的热线式流速传感器，其特征在于，还包括在支撑体和热敏感元件的表面包裹或涂敷绝缘层；所述的绝缘层的材料为石英、玻璃、三氧化二铝、各种陶瓷或环氧树脂，其绝缘层的厚度从10埃到100微米。

7.一种一维纳米材料热线式流速传感测试系统，包括纳米材料热线式流速传感器、信号处理电路、微调节架、电压表或监视器、电源和电缆；其特征在于，纳米材料热线式流速传感器安装在微调节架上，热敏感元件通过电缆与信号处理电路和电压表或监视器电连接；通过微调节架调节热线式流速传感器中的热敏感元件与流体流速之间的角度，流速引起热敏感元件的变化经信号处理电路放大处理后由电压表或监视器显示；

所述的纳米材料的热线式流速传感器为热敏感元件设置在支撑体的顶部，支撑体的另一端固定在基底上；所述的热敏感元件为单根纳米材料、一束一维纳米材料、由2根以上纳米材料组成的阵列或由N根一维纳米材料构成的薄膜。

8.按权利要求7所述的一维纳米材料热线式流速传感测试系统，其特征在于，还包括计算机，所述的计算机分别与信号处理电路和监视器电连接，通过计算机采集数据后通过屏幕显示。

9.按权利要求7所述的一维纳米材料热线式流速传感测试系统，其特征在于，所述的信号处理电路是恒流源电路，其电流输出范围为1皮安-1安培；或者是恒温电路。

10.按权利要求7所述的一维纳米材料热线式流速传感测试系统，其特征在于，所述的微调节架是一种实现x方向、y方向、z方向，以及绕x轴、y轴、z轴六个自由度的运动的调节架。