基于柔性微梁的摩擦阻力测量系统技术方案

一种基于柔性微梁的摩擦阻力测量系统，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。本实用新型专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
基于柔性微梁的摩擦阻力测量系统
本技术涉及近壁面摩擦阻力测量系统，尤其涉及一种基于柔性微梁的摩擦阻力测量系统。
技术介绍
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)测量系统抗干扰性差，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。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本技术的目的在于提供一种基于柔性微梁的摩擦阻力测量系统，以解决上述的至少一项技术问题。(二)技术方案本技术实施例提供了一种基于柔性微梁的摩擦阻力测量系统，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。在本技术的一些实施例中，所述介质平台包括重力式循环水洞。在本技术的一些实施例中，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。在本技术的一些实施例中，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。在本技术的一些实施例中，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。在本技术的一些实施例中，E的范围为625KPa～2GPa。在本技术的一些实施例中，该柔性微梁为3D打印得到的微梁。在本技术的一些实施例中，所述柔性微梁与所述光学测位移单元之间留有空隙。在本技术的一些实施例中，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。(三)有益效果本技术的基于柔性微梁的摩擦阻力测量系统，相较于现有技术，至少具有以下优点：(1)本技术通过设计柔性微梁，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)本技术的柔性微梁，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)本技术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)本技术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系统(PIV)与本技术相结合，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)本技术具有环境适应性强、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为本技术一具体实施例的基于柔性微梁的摩擦阻力测量系统的结构示意图；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，本技术提供了一种基于柔性微梁的摩擦阻力测量系统及方法，本技术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。为使本技术的目的、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，对本技术进一步详细说明。本技术实施例的一方面，提供了一种基于柔性微梁的摩擦阻力测量系统，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，并根据所述位移确本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于柔性微梁的摩擦阻力测量系统，其特征在于，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。

【技术特征摘要】
1.一种基于柔性微梁的摩擦阻力测量系统，其特征在于，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所述的系统，其特征在于，所述介质平台包括重力式循环水洞。3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：段慧玲，李宏源，吕鹏宇，袁辉靖，李锡英，杜增智，程杨洋，相耀磊，刘焕，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：新型
国别省市：北京,11