氣體流速傳感器的制造方法
【專利摘要】本發明公開一種氣體流速傳感器，不易受環境影響，氣體流速測量精度較高，結構簡單。所述傳感器包括：管狀腔體、信號處理模塊、兩個表面貼有力敏芯片的小球，以及兩根電極引線；其中，所述管狀腔體的兩端口相同的位置開設有開口，且側壁上開設有小孔，每個小球連接一個電極引線，所述小球置于所述管狀腔體內，所述小球在垂直于所述兩個開口的中心連線方向上前后排列，所述電極引線穿過所述小孔連接所述信號處理模塊，所述信號處理模塊，用于當待測氣體從一個開口注入時，根據所述小球產生的電壓信號得到所述待測氣體的流速。
【專利說明】
氣體流速傳感器
技術領域
[0001 ]本發明設及氣體流速測量技術領域，具體設及一種氣體流速傳感器。
【背景技術】
[0002] 氣體流速傳感器在諸如礦井風速測量、大氣層中風速測量等諸多工業和民用應用 場合具有重要意義。基于不同的原理，已開發了多種氣體流量測量方法:量熱式氣體流量傳 感器，基于流體浮力的氣體流量傳感器，微機械娃諧振式氣體流速傳感器。
[0003] 量熱式氣體流量傳感器的實質是流體吸收熱的速度直接與質量流量相關。移動的 氣體分子撞擊熱電阻時吸收帶走熱量，流率越大，接觸熱電阻的分子越多，吸收的熱量越 多，熱吸收與某種氣體的分子數，熱學特性和流動特性有關。如人們所知的熱線風速器和托 馬斯流量計。然而運種方法對溫度的變化極為敏感，在傳感器工作過程中電流熱效應帶來 的溫度變化會對流速測量產生極大的影響，魯棒性低。
[0004] 諧振式氣體流速傳感器是根據氣體在進入傳感器后，射流隨機的附于壁上流動， 大部分氣體從傳感器的輸出口流出，小部分氣體經上反饋通道進入射流上壁側，此時在射 流兩端產生壓力差使得射流切換，附于下側壁流動。射流在壓力差的作用下，在上下側壁來 回震蕩。娃諧振式采用娃各向異性腐蝕技術制作傳感器，能夠同時測量風速及風向。其諧振 膜為一方膜，膜中屯、制作了一個多晶娃熱激勵的電阻，在膜的邊緣制作了一個多晶娃力敏 電阻用于檢測振動，該傳感器可W用于檢測氣體流量的變化。然而運幾種流速傳感器制作 復雜，易受環境影響，穩定性較差。
[0005] 由上可知，現有的氣體流速傳感器極易受到系統和環境變化的影響，如量熱式氣 體流速傳感器因電路本身熱效應而出現較大的偏差，而諧振式傳感器的系統較為復雜，魯 棒性低。
【發明內容】
[0006] 有鑒于此，本發明的目的是提供一種氣體流速傳感器，不易受環境影響，氣體流速 測量精度較高，結構簡單。
[0007] 本發明實施例提出一種氣體流速傳感器，包括：
[000引管狀腔體、信號處理模塊、兩個表面貼有力敏忍片的小球，W及兩根電極引線；其 中，
[0009] 所述管狀腔體的兩端口相同的位置開設有開口，且側壁上開設有小孔，每個小球 連接一個電極引線，所述小球置于所述管狀腔體內，所述小球在垂直于所述兩個開口的中 屯、連線方向上前后排列，所述電極引線穿過所述小孔連接所述信號處理模塊，
[0010] 所述信號處理模塊，用于當待測氣體從一個開口注入時，根據所述小球產生的電 壓信號得到所述待測氣體的流速。
[0011] 本發明實施例提供的氣體流速傳感器，當待測氣體通過一個開口進入管狀腔體內 部并到達兩個小球的位置時，待測氣體會穿過兩個球體之間的空隙，分開兩路，根據氣體流 量一定氣體流速與壓強的關系可知，兩個小球之間的壓強逐漸變小，而小球外圍的壓強高 于小球空隙的壓強，內外的壓強差會使兩個小球向壓強較小的空隙靠猶，從而擠壓小球表 面的力敏忍片，而該忍片由四個娃擴散電阻集成一個非平衡電橋，當壓力作用于忍片時，在 壓力作用下，電橋失去平衡，此時將有電壓信號輸出，根據該電壓信號可計算出待測氣體流 速，本發明從流體力學的原理出發，傳感器只受到氣體流速不同帶來的壓強變化的影響，對 外界的環境有較高的抗干擾性，氣體流速測量精度較高，且結構簡單，靈敏度高，壽命長。
【附圖說明】
[0012] 圖1為本發明一種氣體流速傳感器一實施例的結構示意圖；
[0013] 圖2為待測氣體流經小球示意圖。
【具體實施方式】
[0014] 為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例 中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚地描述，顯然，所描述的實施例是本發明 一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有 做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0015] 參看圖1，本實施例公開一種氣體流速傳感器，包括：
[0016] 管狀腔體1、信號處理模塊2、兩個表面貼有力敏忍片的小球3, W及兩根電極引線 4;其中，
[0017] 所述管狀腔體1的兩端口相同的位置開設有開口 5,且側壁上開設有小孔6,每個小 球3連接一個電極引線4,所述小球3置于所述管狀腔體1內，所述小球3在垂直于所述兩個開 口 5的中屯、連線方向上前后排列，所述電極引線4穿過所述小孔連接所述信號處理模塊2，
[0018] 所述信號處理模塊2,用于當待測氣體從一個開口 5注入時，根據所述小球3產生的 電壓信號得到所述待測氣體的流速。
[0019] 本發明實施例中，腔體的形狀和大小W及開口的形狀和大小W待測氣體能夠比較 均勻的通過腔體為宜，本發明對此不作限定。
[0020] 本發明實施例提供的氣體流速傳感器，當待測氣體通過一個開口進入管狀腔體內 部并到達兩個小球的位置時，待測氣體會穿過兩個球體之間的空隙，分開兩路，根據氣體流 量一定氣體流速與壓強的關系可知，兩個小球之間的壓強逐漸變小，而小球外圍的壓強高 于小球空隙的壓強，內外的壓強差會使兩個小球向壓強較小的空隙靠猶，從而擠壓小球表 面的力敏忍片，而該忍片由四個娃擴散電阻集成一個非平衡電橋，當壓力作用于忍片時，在 壓力作用下，電橋失去平衡，此時將有電壓信號輸出，根據該電壓信號可計算出待測氣體流 速，本發明從流體力學的原理出發，傳感器只受到氣體流速不同帶來的壓強變化的影響，對 外界的環境有較高的抗干擾性，氣體流速測量精度較高，且結構簡單，靈敏度高，壽命長。
[0021] 可選地，在本發明氣體流速傳感器的另一實施例中，所述信號處理模塊，包括：
[0022] 預處理子模塊和計算模塊;其中，
[0023] 所述預處理子模塊，用于對所述電壓信號依次進行濾波、放大處理，
[0024] 所述計算模塊，用于根據所述預處理子模塊處理后的電壓信號計算得到所述流速 V，計算公式另
其中，Ui為電壓信號的大小，K為常數，Κι為所述預處理子模塊的 放大倍數，a是與所述待測氣體密度、小球的質量有關的常數，可W通過測量確定，S為兩個 小球的接觸面積。
[0025] 本發明基于伯努利原理，氣體流速和壓強之間的關系如下所示
[0026] py2+P = C(l)
[0027] 其中P為氣體的密度，V為氣體的流速，P為氣體的壓強，C為一個常量。當氣體密度 一定時，通過的氣體流速越大，則氣體壓強越小，反之則越大，利用壓強與流速的運一關系， 將感知到的壓強信號轉換為電信號，并根據電信號的指示代入公式得出相應的氣體流速。
[0028] 如圖2所示為待測氣體流經小球的示意圖，當待測氣體流經小球時，內外的壓強差 聲會使兩個小球向壓強較小的空隙靠猶，從而擠壓小球表面的力敏忍片，其力F的大小為 F =兵，S是兩球接觸面積。根據公式（1)，可W得到歹= 其中，a是與氣體密度、小球的 質量有關的常數，可W通過測量確定。
[0029] 由此，可W得到F = ay2s。
[0030] 在F作用下，使力敏忍片產生形變，忍片由四個娃擴散電阻集成一個非平衡電橋， 當外界壓力作用于忍片時，在壓力作用下，電橋失去平衡，此時將有電壓信號輸出，輸出電 壓大小與外力成正此，即U = KF，至此，我們建立了輸出電壓和流速的關系，U = Kav2s。設預 處理子模塊計放大電路放大倍數為Ki，則輸出電壓化= KKiav2s = bv2。通過測量電壓化可W 確定流速V。
[0031] 可選地，在本發明氣體流速傳感器的另一實施例中，所述預處理子模塊為二階RC 有源低通網絡電路。
[0032] 由力敏忍片感知到的壓力信號是W電信號來表示的，但是由于受到周圍環境的影 響，在注入氣體的過程中小球可能產生一些擺動，使電信號變的非平穩，因此引入一個濾波 電路對其進行濾波，使得信號變得平滑。本發明實施例采用二階RC有源低通網絡電路作為 低通電路對信號進行濾波（可參見桂靜宜.二階有源低通濾波電路的設計與分析.電子科 技.2010.2)。它由兩節RC濾波電路和同相比例放大電路組成，在集成運放輸出到集成運放 同相輸入之間引入一個負反饋，在不同的頻段，反饋的極性不相同，其特點是輸入阻抗高， 輸出阻抗低。然后將微小信號進行放大，使其明顯的表現小球間隙的壓強變化，運放采用LM 雙極型放大器(可參見周旭華，徐世六，張正元.單片集成壓力傳感器及弱信號處理電路的 設計.微電子學.2011.10)。
[0033] 可選地，在本發明氣體流速傳感器的另一實施例中，所述開口為圓形開口，且所述 開口的中屯、為對應的管狀腔體端口的中屯、。
[0034] 雖然結合附圖描述了本發明的實施方式，但是本領域技術人員可W在不脫離本發 明的精神和范圍的情況下做出各種修改和變型，運樣的修改和變型均落入由所附權利要求 所限定的范圍之內。
【主權項】
1. 一種氣體流速傳感器，其特征在于，包括： 管狀腔體、信號處理模塊、兩個表面貼有力敏芯片的小球，以及兩根電極引線;其中， 所述管狀腔體的兩端口相同的位置開設有開口，且側壁上開設有小孔，每個小球連接 一個電極引線，所述小球置于所述管狀腔體內，所述小球在垂直于所述兩個開口的中心連 線方向上前后排列，所述電極引線穿過所述小孔連接所述信號處理模塊， 所述信號處理模塊，用于當待測氣體從一個開口注入時，根據所述小球產生的電壓信 號得到所述待測氣體的流速。2. 根據權利要求1所述的氣體流速傳感器，其特征在于，所述信號處理模塊，包括： 預處理子模塊和計算模塊;其中， 所述預處理子模塊，用于對所述電壓信號依次進行濾波、放大處理， 所述計算模塊，用于根據所述預處理子模塊處理后的電壓信號計算得到所述流速V，計 算公式為，其中，山為電壓信號的大小，K為常數，Ki為所述預處理子模塊的放大 倍數，a是與所述待測氣體密度、小球的質量有關的常數，可以通過測量確定，s為兩個小球 的接觸面積。3. 根據權利要求2所述的氣體流速傳感器，其特征在于，所述預處理子模塊為二階RC有 源低通網絡電路。4. 根據權利要求1所述的氣體流速傳感器，其特征在于，所述開口為圓形開口，且所述 開口的中心為對應的管狀腔體端口的中心。
【文檔編號】G01P5/02GK106066406SQ201610350170
【公開日】2016年11月2日
【申請日】2016年5月24日 公開號201610350170.1, CN 106066406 A, CN 106066406A, CN 201610350170, CN-A-106066406, CN106066406 A, CN106066406A, CN201610350170, CN201610350170.1
【發明人】吳立鋒, 彭珍, 關永
【申請人】首都師范大學