线性输出的气体粘滞力式流量传感器

　　传统的靶式流量传感器利用流体作用于靶面上的冲击力完成流量测量.该类靶式流量计由检测和转换两个部分组成,检测部分的圆柱形靶面感受流体动压,再由气动式或电动式转换器件将流量信号转换为标准气信号或标准电信号,这类转换装置的输出气压或输出电压与流量间为平方关系.为解决输出信号与流量信号间为非线性关系这个矛盾,需对输出信号做开方处理,除计算机处理方法外,常采用电子式或机械式开方器来完成这种信号转换.本研究的目的在于通过流量传感器自身的结构解决靶式流量计非线性输出的矛盾,而不是将问题留到二次仪表上去解决.本文探索研究了利用流体粘滞力与流速间的线性关系得到线性输出的流量计的方法.

　　1　理论分析

　　在层流状态下,流体从两块平行平板中间流过时,流体对平板产生的粘滞力与流体流速间呈线性关系.通常这个力是很小的,但通过采用如压阻式压力传感器这种高灵敏度的测力器件,可以得到有线性输出特性的流量传感器.

　　考察空气在两块平行平板间的流动状况,由于所进行的是原理性试验,所以可以做一些比较大的简化假设.假设流动是不可压缩的恒定流动,并且空气在流过平板时是在层流状态,同时假定板足够宽以至于可以忽略边缘造成的影响[1～3].下面分析这种流动的流速分布及作用于平板上的力.对于恒定的不可压缩平面流动,建立如图1所示的坐标系,x轴取在两平板之间,流动沿x轴方向,流速分布可以表示为

　　平板上受的切应力按式τ=μdudy来计算(当y=±h2时),其大小为4μU/h,空气对平板产生的粘滞力F=τS=4μUS/h,S为平板侧面积.可以看出,在上边的假设条件约束下,粘滞力和最大流速间为线性关系,这就是本文有线性输出的靶式流量传感器的理论基础.本文所要做的是实现上述的流动,并且利用合适的测力传感器测量出粘滞力的大小,从而得到有线性输出的流量传感器.

　　2　压阻式微力传感器

　　由于气体对平板产生的粘滞力非常小,要想检测出这个力就必须采用微力传感器.本文研制了一种用于测量微力的压阻式微力传感器,其结构如图2所示,该传感器的力敏感元件是1个沿某晶向切割的N型硅片上扩散了4只P型电阻的硅杯,硅杯周边固定.在硅杯中心有一触杆,当有力作用于该触杆时,硅片发生机械变形,由于压阻效应而引起电阻值的相对变化[4].压阻式压力传感器的静态特性是指硅膜片上所受的压力与传感器输出的关系,我们利用压力计和电阻应变仪测出了传感器的静态特性,如图3所示.可以看到,输出与所受压力间为线性关系,且其重复性可达0.75%,能满足流量测量的要求.