專利名稱：諧波探測技術用于微槽道局部對流換熱系數測定的方法
技術領域：
本發明涉及測量技術領域，是一種利用諧波微型傳感器技術測量微 槽道內部微流動換熱系數的方法，特別是應用于微型燃氣輪機、微機電加
工(MEMS)以及基于微槽強化換熱的設備內部微槽道流體的流動換熱系數 測量的方法。
背景技術：
由于具有體積小和性能可靠等優點，微型燃氣輪機在軍用和微型飛行 器等領域具有重要的應用價值。目前微型燃氣輪機正處于樣機的研發階 段，內部的軸承和葉片以及燃氣流通通道的尺度小于幾百微米。其中燃氣 流通通道內部氣體的局部流動換熱特性對于系統的可靠運行十分重要。
目前對于微米、納米尺度材料熱參數或熱電參數的測量， 一般采用激 光閃光法，空間測量精度一般大于l微米。改進的激光閃光法可以測量l 微米厚度薄膜的熱擴散率，無法測量微小空間或微量液體流動換熱特性參 數。諧波探測方法利用高頻交流信號加熱被測物體，采用諧波探測原理和 微弱信號測量技術，可以有效測量上述微米、納米材料的熱電輸運過程的特性參數。
由于溫度、流量等測量手段的限制，絕大部分狹小空間局部換熱性能 的研究通過測量微小通道的進出口參數,只能從整體上預測是增強還是惡 化傳熱過程，諧波測試釆用的微型傳感器的特點-尺度小，相對溫度改變小， 受熱輻射的影響小,在微尺度傳熱規律研究和物質相變過程的研究中有巨 大應用潛力.
分析該測量方法特點發現，該方法可實現液體內部的熱量傳遞，微型 傳感器通過微弱交流信號加熱介質，由微型傳感器的諧波得到溫度波動信 號。利用交流鎖相放大技術可以克服熱電偶測溫很難得到高精度快速信號 響應的問題。采用很小的時間常數就可以快速探測到穩定的諧波，包含與 流體熱參數有關的豐富信息。在頻域內，通過調節加熱頻率可以控制熱作 用深度，進而探測近壁面處的流動換熱特性。
發明內容
本發明的目的是解決目前微尺度流動換熱領域微通道內局部流動換 熱系數以及局部溫度分布描述困難等的技術缺陷，提供一種諧波探測技術 (諧波微型傳感器技術)用于微槽道局部對流換熱系數測定的方法，此方 法利用埋設在微通道底部的一系列微型傳感器，通過改變交流加熱頻率控
制熱波作用深度，可用于微型燃氣輪機、微機電加工(MEMS)以及基于
微槽強化換熱的設備內部微槽道流體的流動換熱系數以及局部溫度的測
本發明的技術方案一種諧波探測技術用于微槽道局部對流換熱系數測定的方法，可用于 微型燃氣輪機、微機電加工以及基于微槽強化換熱的設備內部微槽道流體 流動換熱系數以及局部溫度的測量；該方法利用埋設在微槽道底部的一系 列微型傳感器，采用交流電對微型傳感器電加熱，通過改變交流加熱頻率 控制熱波作用深度，利用鎖相放大技術快速而準確的測試微型傳感器因交 流加熱作用產生的三次諧波；該方法的步驟為①將復數個微型傳感器采
用化學沉積工藝固定在微槽道底部；②在微型傳感器表面沉積絕緣膜；③ 將每一個微型傳感器兩端的兩組引線， 一組與電源連接，另一組與諧波測 試系統的一運算放大器連接，測試不同頻率下微型傳感器兩端的諧波；④ 標定微型傳感器電阻溫度系數；⑤測量微槽道內不同位置微型傳感器的頻 響特性；⑥根據微型傳感器的電阻溫度特性曲線確定微型傳感器的溫度； ⑦根據測試原理擬合流體的對流換熱系數；上述步驟適用的溫度范圍為 常溫 1600。C，壓力范圍為常壓 5MPa。
所述的諧波探測技術用于微槽道局部對流換熱系數測定的方法，其所 述①步中，在微槽道底部埋設的微型傳感器陣列沿流體流動方向排列，以 同時測量不同位置的對流換熱性能。
所述的諧波探測技術用于微槽道局部對流換熱系數測定的方法，其所 述微型傳感器采用周期交流電加熱。
所述的諧波探測技術用于微槽道局部對流換熱系數測定的方法，其所 述②步中，微型傳感器表面沉積絕緣層的厚度為25(K300nm，絕緣層的厚 度小于300nm時，忽略絕緣層自身的溫度變化。
所述的諧波探測技術用于微槽道局部對流換熱系數測定的方法，其所述微型傳感器的寬度在1 100pm范圍內，厚度在100 300nm范圍內，單 個微型傳感器總長度在l~2mm范圍內，微型傳感器的電阻在2 100Q范 圍內；以在低頻下直接測量由于流體的對流換熱引起的微型傳感器溫度的 變化，而不必考慮微型傳感器自身熱容的影響。
所述的諧波探測技術用于微槽道局部對流換熱系數測定的方法，其所 述微槽道寬度為5 1000pm，深度小于2000pm。
所述的諧波探測技術用于微槽道局部對流換熱系數測定的方法，其所 述諧波探測系統采用了一個電流源對交流電壓信號實現功率放大。
微型傳感器的寬度在l~100pm范圍內，表面絕緣層的厚度在 250~300nm范圍內，可以在低頻下直接測量由于流體的對流換熱引起的微 型傳感器溫度的變化，而不必考慮微型傳感器自身熱容的影響。
絕緣層的厚度小于300nm，可以忽略絕緣層自身的溫度變化。
在微槽道底部埋設的微型傳感器陣列沿流體流動方向排列，可以同時 測量不同位置的對流換熱性能。
與熱電偶接觸式測溫或紅外、PIV等非接觸測量方法相比，本發明能 在很大程度上解決目前微通道內部流體的局部換熱系數以及局部溫度難 于準確測量的問題，可以在比較大的溫度范圍內(-10K 1000K)快速而 準確探測微通道內不同位置不同微型傳感器的諧波，保證微通道內部流體 的局部換熱系數以及局部溫度測量的準確性。
圖1是本發明的諧波微型傳感器的位置和結構示意圖；圖2是實現該方法的諧波測試系統原理圖。
具體實施例方式
見圖1，在微槽道1的底部布置一定尺度和形狀的帶有絕緣層3的微 型傳感器2陣列，采用交流電流加熱，同時作為溫度傳感器，然后根據微 型傳感器2的頻響特性與溫度變化的關系同時確定微槽道1內局部對流換
熱系數。因焦耳效應產生的熱量將以2co的頻率對微型傳感器2加熱，增 加的微型傳感器電阻與交流電流共同作用產生頻率為3o)的電壓諧波，包
含與微槽道1內氣體或液體對流換熱性能有關的豐富信息。利用本發明提 出的理論模型和數據處理方法可以確定微槽道1內部不同位置流體的換熱 性能。
上述微型傳感器1的寬度在l~100^im范圍內，厚度在100 300nm范 圍內，表面絕緣層3的厚度在250 300nm范圍內，微型傳感器2總長度在 1 2mm范圍內。微型傳感器2的電阻在2 100Q范圍內。
見圖2，諧波測試系統包括微型傳感器、可調電阻、兩個運算放大器、 鎖相放大器、微機控制與數據采集系統和電流源，各部件按常規電連接。
本發明方法適用的微槽道1寬度為5 1000prn;微槽道1深度小于 2000^im。；本發明方法適用的溫度范圍為常溫 160(TC，壓力范圍為 常壓 5MPa。
測試開始前，調節串聯的可調電阻接近或略微大于測量過程中微型傳 感器可能達到的最大電阻。為了防止微型傳感器有比較明顯的溫升，調節 鎖相放大器的輸出電壓，使得可調電阻兩端的電壓接近10mV，微調可調電阻，通過鎖相放大器的差動輸入監測，使得電橋平衡，可調電阻的阻值 就等于微型傳感器的冷態電阻。在頻率30Hz附近，采用交流電壓表或示 波器測量兩個單增益運算放大器的輸出電壓，以檢査是否出現直流漂移。 在測量給定溫度和某一頻率下微型傳感器兩端的諧波時，應適當選擇合理
的基波電壓，使得微型傳感器兩端的諧波接近基波的1/500-1/1000。
權利要求
1、 一種諧波探測技術用于微槽道局部對流換熱系數測定的方法，可用于微型燃氣輪機、微機電加工以及基于微槽強化換熱的設備內部微槽道流體流動換熱系數以及局部溫度的測量；其特征在于，該方法利用埋設在微槽道底部的一系列微型傳感器，采用交流電對微型傳感器電加熱，通過改變交流加熱頻率控制熱波作用深度，利用鎖相放大技術快速而準確的測試微型傳感器因交流加熱作用產生的三次諧波；該方法的步驟為①將復數個微型傳感器采用化學沉積工藝固定在微槽道底部；②在微型傳感器表面沉積絕緣膜；③將每一個微型傳感器兩端的兩組引線，一組與電源連接，另一組與諧波測試系統的一運算放大器連接，測試不同頻率下微型傳感器兩端的諧波；④標定微型傳感器電阻溫度系數；⑤測量微槽道內不同位置微型傳感器的頻響特性；⑥根據微型傳感器的電阻溫度特性曲線確定微型傳感器的溫度；⑦根據測試原理擬合流體的對流換熱系數；上述步驟適用的溫度范圍為常溫～1600℃，壓力范圍為常壓～5MPa。
2、 根據權利要求1所述的諧波探測技術用于微槽道局部對流換熱系 數測定的方法，其特征在于，所述①步中，在微槽道底部埋設的微型傳感 器陣列沿流體流動方向排列，以同時測量不同位置的對流換熱性能。
3、 根據權利要求1所述的諧波探測技術用于微槽道局部對流換熱系 數測定的方法，其特征在于，所述微型傳感器采用周期交流電加熱。
4、 根據權利要求1所述的諧波探測技術用于微槽道局部對流換熱系 數測定的方法，其特征在于，所述②步中，微型傳感器表面沉積絕緣層的厚度為250~300nm，絕緣層的厚度小于300nrn時，忽略絕緣層自身的溫度 變化。
5、 根據權利要求1所述的諧波探測技術用于微槽道局部對流換熱系 數測定的方法，其特征在于，測試開始前，調節串聯的可調電阻接近或略 微大于測量過程中微型傳感器可能達到的最大電阻；調節鎖相放大器的輸 出電壓，使得可調電阻兩端的電壓接近10mV;微調可調電阻，通過鎖相 放大器的差動輸入監測，使得電橋平衡，可調電阻的阻值就等于微型傳感 器的冷態電阻；在頻率30Hz附近，采用交流電壓表或示波器測量兩個單 增益運算放大器的輸出電壓，以檢查是否出現直流漂移；在測量給定溫度 和某一頻率下微型傳感器兩端的諧波時，應適當選擇合理的基波電壓，使 得微型傳感器兩端的諧波接近基波的1/500-1/1000。
6、 根據權利要求l、 2、或3所述的諧波探測技術用于微槽道局部對 流換熱系數測定的方法，其特征在于，所述微型傳感器的寬度在l~100|im 范圍內，厚度在100-300 nm范圍內，單個微型傳感器總長度在1 2mm范 圍內，微型傳感器的電阻在2 100Q范圍內；以在低頻下直接測量由于流 體的對流換熱引起的微型傳感器溫度的變化，而不必考慮微型傳感器自身 熱容的影響。
7、 根據權利要求1所述的諧波探測技術用于微槽道局部對流換熱系 數測定的方法，其特征在于，所述微槽道寬度為5 100(Him，深度小于 2000pm。
8、 根據權利要求1所述的諧波探測技術用于微槽道局部對流換熱系 數測定的方法，其特征在于，所述諧波探測系統采用了一個電流源對交流電壓信號實現功率放大。
全文摘要
本發明探測技術用于微槽道局部對流換熱系數測定的方法，涉及測量技術，是利用信號頻域特性進行微通道內流動換熱系數和溫度測量。在微槽道的底部布置一定尺度和形狀并帶有絕緣層的微型傳感器陣列，采用交流電流加熱，同時作為溫度傳感器，然后根據微型傳感器的頻響特性與溫度變化的關系確定微槽內局部對流換熱系數和溫度。因焦耳效應產生的熱量將以2ω的頻率對微型傳感器加熱。增加的微型傳感器電阻與交流電流共同作用產生頻率為3ω的電壓諧波，包含與微槽內流體對流換熱性能有關的信息。用鎖相放大技術測量諧波的幅值和相位。本發明提出的理論模型和數據處理方法，可以確定微槽道內部不同位置的流動換熱性能和溫度。
文檔編號G01N25/18GK101285786SQ20071006532
公開日2008年10月15日 申請日期2007年4月11日 優先權日2007年4月11日
發明者唐大偉, 王照亮, 鄭興華 申請人:中國科學院工程熱物理研究所