应变式呼气流量传感器的有限元模型与动态特性

　　1　引言

　　应变式呼气流量传感器是利用应变原理测量人的呼气流量的一种传感器[1],它的结构简单,基本的测量原理与靶式流量计相同,只是将靶式流量计中 的靶换成弹性元件然后直接放在流道中,并将应变片直接贴在弹性元件上。图1是我们与上海市第九人民医院共同研制的流量传感器,它被用　在家用哮喘监控仪器 峰流速仪上。

　　它是由四个相同的薄型扇形弹性原件组成,将它们悬臂地布置在气流流经的内孔(φ26)内,当气流以不同的流速流经内孔时,气流将在弹性元件上产 生一个均布作用力.该力使得悬臂部分产生一个应变,应变作用在贴在它上面的电阻应变片上,其中两个应变片贴在正面,另外两个对称贴在反面使它们组成一个全 臂电桥。电桥的输出端就产生了一个随流量变化的电压变化,通过测量出该电压就可以得到被测气流的流量。图2是测量原理示意图。

　　人的呼气流量在一次呼气过程中是连续变化的。它的变化范围一般在0~720l/min之间变化,流量信号的最高频率为40Hz[2],因此要想 对人的呼气流量进行正确的测量,传感器的工作频带至少为40Hz,下面我们建立应变式呼气流量传感器的有限元模型,然后利用模态分析和谐响应分析的方法来 研究该传感器动态特性,看它在工作频带内是否满足无失真测量要求,是否能对呼气流量进行正确的测量

　　2　有限元模型的建立

　　因为四个弹性元件的形状和受力情况都相同,因此只需要选择其中的一个分析即可。弹性元件的材料选用铂青铜,它的材料特性参数如下:

　　弹性模量E=128×109Pa[3]

　　密度ρ=8230kg/m3

　　泊松比μ=0.31

　　弹性元件的厚度为2×10-4m,在建模时因为弹性元件的厚度大于8×10-5m,应变片厚度相对于弹性元件的厚度很小,所以不用考虑应变片对 弹性元件的影响[4]。下面用ANASYS软件进行有限元分析。单元选取SHELL63[5],它具有弯曲及薄膜特性,与平面同方向及法线方向的负载皆可 承受。单元具有x,y,z位移方向及x,y,z旋转方向的6个自由度。单元划分采用自动划分单元。边界约束采用固支,模型如图3。

　　3　模态分析

　　模态分析可以确定一个结构的固有频率和振型,该传感器近似为一个二阶低通滤波器,其频率特性直接影响工作频带的大小。因此在进行谐波分析之前应对其进行模态分析以确定其模态特性。在进行模态分析时一般不考虑阻尼,故对一个二阶系统的自由振动其运动方程为

　　以上振型图是平行于弹性元件方向的投影图,由上图可以看出只有一阶振型时弹性元件才做完全的垂直于板面的横向振动。二、三、四阶振型时弹性片已 经发生了局部振动已经不是完全的横向振动了,所以已经不符合测量要求。由于传感器输入信号的最高频率是40Hz,它远小于一阶振型的固有频率 381.04Hz。所以测量时传感器是工作在一阶振型方式下,符合测量的要求。