气体流速传感器

摘要

本发明公开一种气体流速传感器，不易受环境影响，气体流速测量精度较高，结构简单。所述传感器包括：管状腔体、信号处理模块、两个表面贴有力敏芯片的小球，以及两根电极引线；其中，所述管状腔体的两端口相同的位置开设有开口，且侧壁上开设有小孔，每个小球连接一个电极引线，所述小球置于所述管状腔体内，所述小球在垂直于所述两个开口的中心连线方向上前后排列，所述电极引线穿过所述小孔连接所述信号处理模块，所述信号处理模块，用于当待测气体从一个开口注入时，根据所述小球产生的电压信号得到所述待测气体的流速。

权利要求

1.一种气体流速传感器，其特征在于，包括：

管状腔体、信号处理模块、两个表面贴有力敏芯片的小球，以及两根电极引线；其中，所述管状腔体的两端口相同的位置开设有开口，且侧壁上开设有小孔，每个小球连接一个电极引线，所述小球置于所述管状腔体内，所述小球在垂直于所述两个开口的中心连线方向上前后排列，所述电极引线穿过所述小孔连接所述信号处理模块，所述信号处理模块，用于当待测气体从一个开口注入时，根据所述小球产生的电压信号得到所述待测气体的流速。

2.根据权利要求1所述的气体流速传感器，其特征在于，所述信号处理模块包括：预处理子模块和计算模块；其中，

所述预处理子模块，用于对所述电压信号依次进行滤波、放大处理，

所述计算模块，用于根据所述预处理子模块处理后的电压信号计算得到所述流速v，计算公式为 其中，U1为电压信号的大小，K为常数，K1为所述预处理子模块的放大倍数，a是与所述待测气体密度、小球的质量有关的常数，通过测量确定，s为两个小球的接触面积。

3.根据权利要求2所述的气体流速传感器，其特征在于，所述预处理子模块为二阶RC有源低通网络电路。

4.根据权利要求1所述的气体流速传感器，其特征在于，所述开口为圆形开口，且所述开口的中心为对应的管状腔体端口的中心。

说明书

气体流速传感器

技术领域

[0001] 本发明涉及气体流速测量技术领域，具体涉及一种气体流速传感器。

背景技术

[0002] 气体流速传感器在诸如矿井风速测量、大气层中风速测量等诸多工业和民用应用场合具有重要意义。基于不同的原理，已开发了多种气体流量测量方法：量热式气体流量传感器，基于流体浮力的气体流量传感器，微机械硅谐振式气体流速传感器。

[0003] 量热式气体流量传感器的实质是流体吸收热的速度直接与质量流量相关。移动的气体分子撞击热电阻时吸收带走热量，流率越大，接触热电阻的分子越多，吸收的热量越多，热吸收与某种气体的分子数，热学特性和流动特性有关。如人们所知的热线风速器和托马斯流量计。然而这种方法对温度的变化极为敏感,在传感器工作过程中电流热效应带来的温度变化会对流速测量产生极大的影响，鲁棒性低。

[0004] 谐振式气体流速传感器是根据气体在进入传感器后，射流随机的附于壁上流动，大部分气体从传感器的输出口流出，小部分气体经上反馈通道进入射流上壁侧，此时在射流两端产生压力差使得射流切换，附于下侧壁流动。射流在压力差的作用下，在上下侧壁来回震荡。硅谐振式采用硅各向异性腐蚀技术制作传感器，能够同时测量风速及风向。其谐振膜为一方膜，膜中心制作了一个多晶硅热激励的电阻，在膜的边缘制作了一个多晶硅力敏电阻用于检测振动，该传感器可以用于检测气体流量的变化。然而这几种流速传感器制作复杂，易受环境影响，稳定性较差。

[0005] 由上可知，现有的气体流速传感器极易受到系统和环境变化的影响，如量热式气体流速传感器因电路本身热效应而出现较大的偏差，而谐振式传感器的系统较为复杂，鲁棒性低。

发明内容

[0006] 有鉴于此，本发明的目的是提供一种气体流速传感器，不易受环境影响，气体流速测量精度较高，结构简单。

[0007] 本发明实施例提出一种气体流速传感器，包括：

[0008] 管状腔体、信号处理模块、两个表面贴有力敏芯片的小球，以及两根电极引线；其中，

[0009] 所述管状腔体的两端口相同的位置开设有开口，且侧壁上开设有小孔，每个小球连接一个电极引线，所述小球置于所述管状腔体内，所述小球在垂直于所述两个开口的中心连线方向上前后排列，所述电极引线穿过所述小孔连接所述信号处理模块，[0010] 所述信号处理模块，用于当待测气体从一个开口注入时，根据所述小球产生的电压信号得到所述待测气体的流速。

[0011] 本发明实施例提供的气体流速传感器，当待测气体通过一个开口进入管状腔体内部并到达两个小球的位置时，待测气体会穿过两个球体之间的空隙，分开两路，根据气体流量一定气体流速与压强的关系可知，两个小球之间的压强逐渐变小，而小球外围的压强高于小球空隙的压强，内外的压强差会使两个小球向压强较小的空隙靠拢，从而挤压小球表面的力敏芯片，而该芯片由四个硅扩散电阻集成一个非平衡电桥，当压力作用于芯片时，在压力作用下，电桥失去平衡，此时将有电压信号输出，根据该电压信号可计算出待测气体流速，本发明从流体力学的原理出发，传感器只受到气体流速不同带来的压强变化的影响，对外界的环境有较高的抗干扰性，气体流速测量精度较高，且结构简单，灵敏度高，寿命长。

附图说明

[0012] 图1为本发明一种气体流速传感器一实施例的结构示意图；

[0013] 图2为待测气体流经小球示意图。

具体实施方式

[0014] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0015] 参看图1，本实施例公开一种气体流速传感器，包括：

[0016] 管状腔体1、信号处理模块2、两个表面贴有力敏芯片的小球3，以及两根电极引线4；其中，

[0017] 所述管状腔体1的两端口相同的位置开设有开口5，且侧壁上开设有小孔6，每个小球3连接一个电极引线4，所述小球3置于所述管状腔体1内，所述小球3在垂直于所述两个开口5的中心连线方向上前后排列，所述电极引线4穿过所述小孔连接所述信号处理模块2，[0018] 所述信号处理模块2，用于当待测气体从一个开口5注入时，根据所述小球3产生的电压信号得到所述待测气体的流速。

[0019] 本发明实施例中，腔体的形状和大小以及开口的形状和大小以待测气体能够比较均匀的通过腔体为宜，本发明对此不作限定。

[0020] 本发明实施例提供的气体流速传感器，当待测气体通过一个开口进入管状腔体内部并到达两个小球的位置时，待测气体会穿过两个球体之间的空隙，分开两路，根据气体流量一定气体流速与压强的关系可知，两个小球之间的压强逐渐变小，而小球外围的压强高于小球空隙的压强，内外的压强差会使两个小球向压强较小的空隙靠拢，从而挤压小球表面的力敏芯片，而该芯片由四个硅扩散电阻集成一个非平衡电桥，当压力作用于芯片时，在压力作用下，电桥失去平衡，此时将有电压信号输出，根据该电压信号可计算出待测气体流速，本发明从流体力学的原理出发，传感器只受到气体流速不同带来的压强变化的影响，对外界的环境有较高的抗干扰性，气体流速测量精度较高，且结构简单，灵敏度高，寿命长。

[0021] 可选地，在本发明气体流速传感器的另一实施例中，所述信号处理模块，包括：

[0022] 预处理子模块和计算模块；其中，

[0023] 所述预处理子模块，用于对所述电压信号依次进行滤波、放大处理，[0024] 所述计算模块，用于根据所述预处理子模块处理后的电压信号计算得到所述流速v，计算公式为 其中，U1为电压信号的大小，K为常数，K1为所述预处理子模块的放大倍数，a是与所述待测气体密度、小球的质量有关的常数，可以通过测量确定，s为两个小球的接触面积。

[0025] 本发明基于伯努利原理，气体流速和压强之间的关系如下所示

[0026] ρv2+P＝C(1)

[0027] 其中ρ为气体的密度，v为气体的流速，P为气体的压强，C为一个常量。当气体密度一定时，通过的气体流速越大，则气体压强越小，反之则越大，利用压强与流速的这一关系，将感知到的压强信号转换为电信号，并根据电信号的指示代入公式得出相应的气体流速。

[0028] 如图2所示为待测气体流经小球的示意图，当待测气体流经小球时，内外的压强差会使两个小球向压强较小的空隙靠拢，从而挤压小球表面的力敏芯片，其力F的大小为s是两球接触面积。根据公式(1)，可以得到 其中，a是与气体密度、小球的质量有关的常数，可以通过测量确定。

[0029] 由此，可以得到F＝av2s。

[0030] 在F作用下，使力敏芯片产生形变，芯片由四个硅扩散电阻集成一个非平衡电桥，当外界压力作用于芯片时，在压力作用下，电桥失去平衡，此时将有电压信号输出，输出电压大小与外力成正此，即U＝KF，至此，我们建立了输出电压和流速的关系，U＝Kav2s。设预处理子模块计放大电路放大倍数为K1，则输出电压U1＝KK1av2s＝bv2。通过测量电压U1可以确定流速v。

[0031] 可选地，在本发明气体流速传感器的另一实施例中，所述预处理子模块为二阶RC有源低通网络电路。

[0032] 由力敏芯片感知到的压力信号是以电信号来表示的，但是由于受到周围环境的影响，在注入气体的过程中小球可能产生一些摆动，使电信号变的非平稳，因此引入一个滤波电路对其进行滤波，使得信号变得平滑。本发明实施例采用二阶RC有源低通网络电路作为低通电路对信号进行滤波(可参见桂静宜.二阶有源低通滤波电路的设计与分析.电子科技.2010.2)。它由两节RC滤波电路和同相比例放大电路组成，在集成运放输出到集成运放同相输入之间引入一个负反馈，在不同的频段，反馈的极性不相同，其特点是输入阻抗高，输出阻抗低。然后将微小信号进行放大，使其明显的表现小球间隙的压强变化，运放采用LM双极型放大器(可参见周旭华,徐世六,张正元.单片集成压力传感器及弱信号处理电路的设计.微电子学.2011.10)。

[0033] 可选地，在本发明气体流速传感器的另一实施例中，所述开口为圆形开口，且所述开口的中心为对应的管状腔体端口的中心。

[0034] 虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。