[發明專利]一種基于恒流驅動的熱膜剪應力傳感器的溫度補償方法

有效

• 申請號: 202011023737.7
• 申請日: 2020-09-25
• 公開（公告）號: CN112146812B
• 公開（公告）日: 2022-04-19
• 發明（設計）人: 畢珍;袁平秋;常瑩;嚴宇超
• 申請（專利權）人: 西北工業大學太倉長三角研究院
• 主分類號: G01L25/00
• 分類號: G01L25/00
• 代理公司: 西安嘉思特知識產權代理事務所(普通合伙) 61230
• 代理人: 劉長春

本發明公開了一種基于恒流驅動的熱膜剪應力傳感器的溫度補償方法，包括：根據傳感器中熱敏電阻的溫度與阻值的線性關系表達式，將流體溫度變換為等效熱敏電阻，構建流體溫度的表達式，并利用該線性關系表達式重新構建工作電阻的表達式和溫度差的表達式；將得到的表達式以及輸出電壓與工作電阻的關系式代入剪應力和熱功率公式，得到初始的溫度補償模型；對該模型做形式變換，得到輸出電壓與流體壁面剪應力的關系的溫度補償模型，并根據該溫度補償模型對熱膜剪應力傳感器的輸出電壓做溫度補償；本發明實現了基于恒流驅動模式下的熱膜剪應力傳感器的溫度補償，可以在較大范圍內補償輸出電壓因溫度變化而引起的誤差，使得傳感器誤差較小。

技術領域

本發明屬于剪應力傳感器的溫度補償技術領域，具體涉及一種基于恒流驅動的熱膜剪應力傳感器的溫度補償方法。

背景技術

各種水陸空航行器在高速運行過程中的摩擦阻力占總阻力的50％-80％，摩擦阻力與航行器的速度、能耗、運載力、機動性都有著密不可分的關系。流體壁面剪應力是精確表達摩擦阻力，描述流體邊界層流動狀態的重要參量。流體壁面剪應力是指當流體流經壁面時，由于流體存在的粘性作用在壁面所產生的切向應力。目前，壁面剪應力的測量對大飛機減阻，水下潛艇降噪起著重要的作用，故精確測量壁面剪應力有著重大理論和工程意義。

熱膜剪應力傳感器是一種典型的用來測量的壁面剪應力的熱敏傳感器。該傳感器通過在襯底上沉積一個熱阻元件，基于熱傳導原理即可實現對流動壁面剪切應力的測量。其驅動模式一般分為恒溫驅動和恒流驅動兩種，與恒溫驅動方式相比，恒流驅動方式的電路系統更加簡單穩定，所以在壁面剪應力測量中，恒流模式簡單易用，采用商用的恒流電源就可以驅動。

熱膜剪應力傳感器的輸出信號由壁面剪切應力和流體溫度耦合而成。在沒有溫度補償的情況下，熱膜剪應力傳感器很難準確測量壁面剪應力。在測量壁面剪切應力時，流體溫度的變化會對測量結果造成較大的誤差。一般來說，流體溫度0.5℃的變化會導致2％的測量誤差，所以建立有效的溫度補償模型對實現壁面剪應力的高精度測量有重要意義。

現有技術中，已經提出了不少基于恒溫驅動模式下的溫度補償模型實現熱膜剪應力傳感器溫度補償的方法；然而，目前基于恒流驅動模式下的熱膜剪應力傳感器的溫度補償尚沒有切實可用的方案；這是因為基于恒流驅動的熱膜剪應力傳感器工作時，流體溫度的變化會影響工作電阻散熱，使其阻值發生偏差，從而影響傳感器的輸出電壓。

發明內容

為了實現基于恒流驅動模式下的熱膜剪應力傳感器的溫度補償，本發明提供了一種基于恒流驅動的熱膜剪應力傳感器的溫度補償方法。

本發明要解決的技術問題通過以下技術方案實現：

一種基于恒流驅動的熱膜剪應力傳感器的溫度補償方法，包括：

步驟一：根據傳感器中熱敏電阻的溫度與阻值的線性關系表達式，將流體溫度T_f變換為等效熱敏電阻R_f，構建流體溫度T_f的表達式，并利用所述線性關系表達式重新構建傳感器的工作電阻R_w的表達式和溫度差ΔT₀的表達式；其中，所述溫度差ΔT₀為工作電阻R_w的工作溫度T_w與流體溫度T_f的差值；

步驟二：將步驟一得到的表達式以及輸出電壓與工作電阻R_w的關系式代入剪應力和熱功率公式，得到初始的溫度補償模型；

步驟三：對初始的溫度補償模型做形式變換，得到最終的溫度補償模型，并根據最終的溫度補償模型對熱膜剪應力傳感器的輸出電壓做溫度補償；其中，最終的溫度補償模型為所述輸出電壓與流體壁面剪應力的關系模型，且最終的溫度補償模型的模型參數為對流體溫度T_f非敏感的參數。

優選地，所述傳感器是基于熱耗散原理對流體壁面剪應力進行測量的傳感器，且所述傳感器的驅動模式為恒流驅動模式。