微流体传感器气动压力测量机理研究

The accurate and complete aerodynamic pressure distribution can be used to determine the position of the minimum pressure point on the surface of the aircraft, the position of the shock wave, and the separation of the airflow, which are very important for designing the aerodynamic shape with excellent performance. However, the traditional aerodynamic pressure measurement methods are complex, not easy to install, and is only suitable for single point measurement in wind tunnel experiment. The microfluidic sensor has the characteristics of light weight, small size, high sensitivity, and can measure the normal pressure of the structure. It brings new opportunities for the real-time monitoring of the aerodynamic pressure. The aim of this project is to reveal the sensing mechanism of microfluidic sensor, and create a new method for aerodynamic pressure measurement based on the microfluidic sensor. The properties of conductive liquid and flexible substrate material and its performance under different pressure and temperature will be studied, as well as the essential relation between the temperature & pressure and resistance of the microfluidic sensor. The mathematical model of the relationship between the resistance of microfluidic sensor and its surface pressure will be established. The optimization method for the design of micro-channel of microfluidic sensor, and the intelligent network layer technology of microfluidic sensor will be developed. All these work done in the project can provide theoretical basis and technical support for real-time monitoring the aerodynamic pressure distribution of aircraft structure in the wind tunnel experiment and service, shape design and adaptive flight.

准确、完整的飞行器表面气动压力分布可以用于确定最小压力点的位置、激波位置、气流是否分离等，对设计出性能优异的气动外形具有重要意义。然而传统气动压力测量方法复杂，不易安装，且只适用于风洞实验中单点气动压力测量。微流体传感器具有质量轻、体积小、检测灵敏度高、可以测量结构的法向压力等特点，为飞行器结构气动压力的实时监测带来新的机遇。项目以揭示微流体传感器的传感机理，创建基于微流体传感器的飞行器结构气动压力监测新方法为目标，研究导电液体和柔性基体材料的性能特征及其在不同压力与温度环境下性能变化，揭示微流体传感器电阻与压力、温度之间的本质联系，建立微流体传感器电阻与其表面压力之间关系的数学模型，发展微流体传感器微通道结构工艺设计优化方法，并探索微流体传感器的网络智能层技术，实现对飞行器结构在风洞实验与服役过程中气动压力分布的实时监测，为飞行器气动外形设计及“自适应”飞行提供理论基础和技术支撑。

准确、完整的飞行器表面气动压力分布可以用于确定最小压力点的位置、激波位置、气流 是否分离等，对设计出性能优异的气动外形具有重要意义。然而传统气动压力测量方法存在安装复杂、准确率低、计算量大等问题，且大多只适用于风洞实验中单点气动压力测量。微流体传感器具有质量轻、体积小、检测灵敏度高、可以测量结构的法向压力等特点，为飞行器结构气动压力的实时监测带来新的机遇。本项目以创建基于微流体传感器的飞行器结构表面气动压力监测新方法为目标，围绕微流体传感器的传感机理、传感材料的制备与分析、传感器结构设计与制备工艺、以及传感器的气动压力传感特性等方面进行了深入研究。提出了一类制作简单且经济的高灵敏度柔性电容传感器，发展了基于电纺离子纤维薄膜、基于PVA/KOH离子薄膜、基于 PVDF/CNTs 复合薄膜、基于多孔聚氨酯海绵和碳纳米管介电层、基于多孔PDMS/GO复合薄膜、以及基于PDMS表面半球微结构的多种柔性电容传感器，并研究了传感薄膜的厚度、传感薄膜的面积、温度、湿度对传感器性能的影响。设计了一种基于“主流道-分流道”结构的微流体柔性电阻传感器，研究了流道的截面形状对传感特性的影响，探究了不同导电液体的可行性，以及简洁、可靠的导电液体和微流道的封装工艺；同时开发了一种基于复合导电层的电阻压力传感器。利用密封罐、空压机和阻抗分析仪搭建了气动压力测试平台，选择基于PVA/KOH离子薄膜介电层的电容传感器，将柔性传感器/传感网络贴于结构表面测量结构表面的压力分布，验证其用于飞行器结构表面气动压力测量的可行性。探讨了结构健康监测系统在飞行器复合材料结构上得以有效应用的关键技术及其解决方案，并对飞行器复合材料SHM技术的发展趋势和方向进行了展望。本项目所发展的柔性微流体传感器为飞行器结构表面气动压力的监测提供了有效的技术手段，柔性传感器质量轻、体积小、灵敏度高、可适应于复杂非平整表面且不影响飞行器气动特性，是气动压力测量技术的发展趋势。