基于微型传感器阵列的边界层分离点检测技术研究

论文摘要

边界层分离点检测是实现分离流主动控制的前提和基础,也是气动控制灵巧蒙皮系统研究的重点和难点。本文以边界层分离点检测技术为研究对象,对微型传感器阵列的设计与集成、阵列驱动电路、数据采集电路以及分离点判定算法进行研究。 1.对边界层分离特性进行研究,确定了边界层分离点的判定依据。估算边界层厚度,为测量器件的设计提供尺寸约束。在对两种分离点在线检测方法比较和分析的基础上,采用了基于热交换原理的微型热膜传感器作为系统的测量元件。 2.采用分立元件通过表面贴装工艺来实现柔性微型热膜传感器阵列的集成,并研究该传感器阵列中敏感元件、柔性衬底的设计及传感器的排布。对微型热膜传感器在恒流、恒温驱动方式下的动态响应特性进行分析,结果显示,两种驱动方式均可实现边界层分离点动态测量,且恒温驱动方式的响应频率较高。 3.设计微型热膜传感器阵列的恒流、恒温驱动电路,并根据电路结构的优势,采用基于集成稳压源的多路恒流源驱动电路。采用C5416 DSP与THS1206 ADC设计高速动态数据采集电路,并根据系统实时性要求,扩展了DSP最小系统。 4.根据边界层分离点判定依据,在常用统计量算法的基础上,提出了FFT功率谱估计和离散小波变换两种判定算法。采用上述三种算法对NACA0012翼型的风洞实验数据进行处理,确定了分离点的位置。根据分离点判定的精确性、实时性、稳定性和抗干扰性对三种算法进行评定,结果显示,离散小波变换算法综合性能最优。 采用分立式集成的柔性微型热膜传感器阵列对灵巧蒙皮边界层分离点进行在线测量,并由DSP高速数据采集系统对输出信号进行采集处理,根据离散小波变换算法判定分离点位置,分析结果表明,该系统满足灵巧蒙皮系统实时性、动态性的要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 插图
• 表格
• 第1章 绪论
• 1.1 灵巧蒙皮与MEMS
• 1.2 边界层分离的研究意义
• 1.3 国内外研究现状
• 1.4 论文的主要研究内容
• 第2章 边界层分离点检测
• 2.1 边界层分离特性
• 2.2 边界层分离判据
• 2.3 边界层厚度
• 2.3.1 边界层厚度定义
• 2.3.2 边界层位移厚度估算
• 2.4 边界层分离检测原理
• 2.4.1 表面压力分布法
• 2.4.2 热膜法
• 2.5 本章小结
• 第3章 微型热膜传感器阵列设计
• 3.1 集成式微型热膜传感器阵列
• 3.2 分立式微型热膜传感器阵列
• 3.2.1 微型热膜传感器设计与制作
• 3.2.2 柔性聚酰亚胺衬底设计与制作
• 3.2.3 传感器阵列排布及布线结构
• 3.2.4 微型传感器阵列集成工艺
• 3.3 传感器动态特性分析
• 3.3.1 恒流驱动方式
• 3.3.2 恒温驱动方式
• 3.4 本章小结
• 第4章 硬件系统设计
• 4.1 检测系统整体设计
• 4.2 传感器阵列驱动电路设计
• 4.2.1 恒流驱动电路设计
• 4.2.2 恒温驱动电路设计
• 4.3 滤波衰减电路设计
• 4.4 数据采集电路设计
• 4.5 DSP最小系统设计
• 4.5.1 电源电路设计
• 4.5.2 时钟电路设计
• 4.5.3 复位电路设计
• 4.5.4 存储器扩展电路设计
• 4.6 本章小结
• 第5章 分离点判定算法
• 5.1 风洞实验
• 5.2 统计量判定算法
• 5.3 FFT判定算法
• 5.3.1 FFT分离点判定
• 5.3.2 FFT运算量估计
• 5.4 小波变换判定算法
• 5.4.1 离散小波变换
• 5.4.2 信号奇异点分析
• 5.4.3 小波函数的选择
• 5.4.4 小波变换判定分离点
• 5.4.5 小波变换的DSP实现
• 5.5 三种判定算法比较
• 5.6 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.1.1 论文研究内容
• 6.1.2 论文创新点
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢
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• 西北工业大学 学位论文原创性声明