留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

微小通道沿程压力测量方法研究

王昊利 汪兵

王昊利, 汪兵. 微小通道沿程压力测量方法研究[J]. 机械工程学报, 2017, 31(6): 56-61. doi: 10.11729/syltlx20170050
引用本文: 王昊利, 汪兵. 微小通道沿程压力测量方法研究[J]. 机械工程学报, 2017, 31(6): 56-61. doi: 10.11729/syltlx20170050
Wang Haoli, Wang Bing. Research of the measurement method for the pressure distribution along the micro/mini-channel[J]. JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING, 2017, 31(6): 56-61. doi: 10.11729/syltlx20170050
Citation: Wang Haoli, Wang Bing. Research of the measurement method for the pressure distribution along the micro/mini-channel[J]. JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING, 2017, 31(6): 56-61. doi: 10.11729/syltlx20170050

微小通道沿程压力测量方法研究

doi: 10.11729/syltlx20170050
基金项目: 

国家自然科学基金 11472261

国家自然科学基金 11172287

金陵科技学院高层次人才启动项 2016

详细信息
    作者简介:

    王昊利(1972-), 男, 山西芮城人, 博士, 教授。研究方向:微纳尺度流动可视化实验技术。通信地址:江苏南京江宁区弘景大道99号金陵科技学院机电工程学院(211169)。E-mail:whl@cjlu.edu.cn

    通讯作者:

    王昊利, E-mail: whl@cjlu.edu

  • 中图分类号: O352

Research of the measurement method for the pressure distribution along the micro/mini-channel

  • 摘要: 设计并搭建了一套微小通道沿程压力的测量系统,包括PMMA通道和压力方腔、微应变传感器及多通道应变仪等。利用注射泵的推进方法提供微通道静压,采用FCO510型高精度微差压计的测量值作为标准压力,通过多通道应变仪测量微通道方腔中各个应变片的应变值,从而建立标准压力和应变之间的标定函数。分别对3种微压芯片在80、70、60及50mL/min等4种不同流量下的压力分布进行了测量,压力分布具有良好的线性规律。不确定度分析表明压力误差的相对扩展不确定度范围为0.15%~6.82%,测量结果的有效性和可靠性较高。

     

  • 图  测压系统

    Figure  1.  Pressure measurement system

    图  微压芯片

    Figure  2.  Pressure chip

    图  标定系统

    Figure  3.  Calibration system

    图  标定曲线和函数.(a)~(c)对应3种通道的情况

    Figure  4.  Calibration curves and functions. (a)~(c) for three kinds of channels, respectively

    图  沿程压力测量值结果.(a)~(c)对应3种通道的情况

    Figure  5.  Measurement results of pressures along the channels.(a)~(c) for three kinds of channels, respectively

    图  测量不确定度评定流程图[12]

    Figure  6.  Flow chart of uncertainty evaluation[12]

    表  1  DH3818N-2型应变仪参数

    Table  1.   Strain instrument parameters of DH3818N-2

    参数 技术指标
    测量通道数 20
    适用应变片电阻值 50~10000Ω
    应变片灵敏度系数 1.0~3.0自动修正
    采样速率 2Hz/通道
    测量应变范围 ±30000με
    系统示值误差 不大于0.5%
    最高分辨率 0.5με
    下载: 导出CSV

    表  2  3组微压芯片尺寸参数

    Table  2.   Scales of three kinds of pressure chip

    芯片 芯片尺寸/mm 通道尺寸/mm 方腔尺寸/mm
    Type1 80×30×4 68×2.5×1 4×1.5×1
    Type2 80×30×4 68×1.5×1 3×1.5×1
    Type3 80×30×4 58×1×0.5 2×1×0.5
    下载: 导出CSV

    表  3  2种型号应变片的主要参数

    Table  3.   The main parameters of two strain gauges

    参数 KFG-1 KFG-5
    基底尺寸/mm 4.8×2.4 9.4×2.8
    敏感栅长/mm 1 5
    电阻值/Ω 120.4±0.4 119.6±0.4
    灵敏度系数/% 2.13±1 2.09±1
    下载: 导出CSV

    表  4  第1组所有测点压力测量不确定度评定结果

    Table  4.   Uncertainty evaluation results of all pressure measurement points of type 1 channel

    测点距离
    /mm
    测量不确定度/%
    流量
    80mL/min
    流量
    70mL/min
    流量
    60mL/min
    流量
    50mL/min
    5 2.16 0.45 0.96 2.71
    10 0.68 1.87 1.03 0.83
    15 1.32 0.52 0.26 0.75
    20 1.51 2.98 2.57 1.24
    25 2.94 3.01 3.81 3.08
    30 1.27 1.34 1.89 1.39
    35 3.84 3.73 2.75 3.79
    40 2.11 1.29 0.94 2.13
    45 3.76 2.84 3.76 3.88
    50 4.18 5.17 6.13 1.91
    55 3.97 3.26 2.32 5.46
    60 6.53 6.02 4.75 5.73
    下载: 导出CSV

    表  5  第2组不同测点压力测量不确定度评定结果

    Table  5.   Uncertainty evaluation results of all pressure measurement points of type 2 channel

    测点距离
    /mm
    测量不确定度/%
    流量
    80mL/min
    流量
    70mL/min
    流量
    60mL/min
    流量
    50mL/min
    5 2.05 2.49 2.08 2.17
    10 1.62 1.86 1.07 2.38
    15 1.96 0.36 2.43 0.29
    20 0.77 1.03 1.75 1.04
    25 0.84 2.68 2.16 3.18
    35 1.04 1.39 1.18 0.36
    40 3.27 3.12 2.94 3.77
    45 2.83 1.18 1.36 1.64
    50 4.65 3.42 6.76 6.73
    55 3.29 2.07 1.61 5.41
    60 6.73 5.26 6.82 4.95
    下载: 导出CSV

    表  6  第3组不同测点压力测量不确定度评定结果

    Table  6.   Uncertainty evaluation results of all pressure measurement points of type 3 channel

    测点距离/mm 测量不确定度/%
    流量
    80mL/min
    流量
    70mL/min
    流量
    60mL/min
    流量
    50mL/min
    5 1.84 2.67 1.06 1.05
    10 1.03 1.85 0.15 1.13
    15 0.96 0.33 1.04 0.98
    20 0.31 1.27 0.51 1.02
    25 1.26 2.64 1.46 1.39
    30 0.28 0.58 1.52 2.04
    35 1.13 1.35 0.27 2.18
    40 4.84 5.62 4.89 4.96
    45 5.16 4.17 5.63 0.83
    50 0.72 3.43 6.12 4.64
    下载: 导出CSV
  • [1] 杨梅, 于炜, 张莹, 等.梁-膜结构微压传感器研制[J].实验流体力学, 2010, 24(2):74-76. http://www.syltlx.com/CN/abstract/abstract9809.shtml

    Yang M, Yu W, Zhang Y, et al. Development of a beam-membrane structure micro-pressure sensor[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2010, 24(2):74-76. http://www.syltlx.com/CN/abstract/abstract9809.shtml
    [2] 常莹, 马炳和, 邓进军, 等.基于微型压力传感器阵列的翼面压力分布直接测量系统[J].实验流体力学, 2008, 22(3):89-93. http://www.syltlx.com/CN/abstract/abstract9658.shtml

    Chang Y, Ma B H, Deng J J, et al. Direct measurement system of pressure distribution on airfoil surface using micro pressure sensor array[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2008, 22(3):89-93. http://www.syltlx.com/CN/abstract/abstract9658.shtml
    [3] Pong K C, Ho C M, Liu J Q, et al. Non-linear pressure distribution in uniform microchannels[C]. American Society of Mechanical Engineers, Fluids Engineering Division (Publication) FED, 1994, 197:51-56. https://www.researchgate.net/publication/284035378_Non-linear_pressure_distribution_in_uniform_microchannels
    [4] Ko H S, Liu C W, Gau C, et al. Flow characteristics in a microchannel system integrated with arrays of micro-pressure sensors using a polymer material[J]. Journal of Micromechanics and Microengineering, 2008, 18(7):75016. doi: 10.1088/0960-1317/18/7/075016
    [5] Wang L, Ding T, Wang P. Thin flexible pressure sensor array based on carbon black/silicone rubber nanocomposite[J]. IEEE Sensors Journal, 2009, 9(9):1130-1135. doi: 10.1109/JSEN.2009.2026467
    [6] Li H, Luo C X, Ji H, et al. Micro-pressure sensor made of conductive PDMS for microfluidic applications[J]. Microelectronic Engineering, 2010, 87(5-8):1266-1269. doi: 10.1016/j.mee.2009.11.005
    [7] Foland S, Liu K, Macfarlane D, et al. High-sensitivity microfluidic pressure sensor using a membrane-embedded resonant optical grating[J]. Sensor, 2011:101-104. http://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/6127285
    [8] Jung T, Yang S. Highly stable liquid metal-based pressure sensor integrated with a microfluidic channel[J]. Sensors, 2014, 15(5):11823-11829. http://www.mdpi.com/1424-8220/15/5/11823/html
    [9] Tsai C H D, Nakamura T, Kaneko M. An on-chip, electricity-free and single-layer pressure sensor for microfluidic applications[C]. International Conference on Intelligent Robots and Systems, IEEE, 2015. http://ieeexplore.ieee.org/xpl/articleDetails.jsp?arnumber=7353369
    [10] Yeo J C, Yu J, Zhao M K, et al. Wearable pressure sensors based on flexible microfluidics[J]. Lab on a Chip, 2016, 16(17):3244-3250. doi: 10.1039/C6LC00579A
    [11] Song S H, Gillies G T, Begley M R, et al. Inductively coupled microfluidic pressure meter for monitoring of cerebrospinal fluid shunt function[J]. Journal of Medical Engineering and Technology, 2012, 36(3):156-162. doi: 10.3109/03091902.2011.645943
    [12] Wu C Y, Liao W H, Tung Y C. A seamlessly integrated microfluidic pressure sensor based on an ionic liquid electrofluidic circuit[C]. International Conference on Micro Electro Mechanical Systems. 2011:1087-1090. http://ieeexplore.ieee.org/xpls/abs_all.jsp?arnumber=5734618
    [13] 张有康, 甘蓉.压力传感器测量中不确定度的评定[J].中国测试技术, 2005, 31(6):25-26. http://kns.cnki.net/KCMS/detail/detail.aspx?filename=sycs200506006&dbname=CJFD&dbcode=CJFQ

    Zhang Y K, Gan R. Evaluation of strain gauge measurement uncertainty of pressure transducer[J]. China Measurement Technology, 2005, 31(6):25-26. http://kns.cnki.net/KCMS/detail/detail.aspx?filename=sycs200506006&dbname=CJFD&dbcode=CJFQ
  • 加载中
图(6) / 表(6)
计量
  • 文章访问数:  242
  • HTML全文浏览量:  100
  • PDF下载量:  0
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2017-04-25
  • 修回日期:  2017-06-21

目录

    /

    返回文章
    返回