MEMS傳感器的優(yōu)化與動(dòng)態(tài)試驗

前 言

現代液壓技術(shù)研究熱點(diǎn)由靜態(tài)特性向動(dòng)態(tài)特性轉變，以往的經(jīng)驗證明，靜態(tài)特性很完善的系統，運行后時(shí)常會(huì )發(fā)生振動(dòng)、噪音等問(wèn)題，這主要是由于系統動(dòng)態(tài)特性研究不到造成的。出于種種目的，國內外對管道動(dòng)特性進(jìn)行了許多研究，非定常流動(dòng)的油液，由于其外部表現和內在機理的復雜性，直到現在仍有不少問(wèn)題未能徹底解決。目前，許多液壓系統的設計和分析只能按照定常流動(dòng)進(jìn)行，但實(shí)際上，系統中出現非定常流動(dòng)的幾率并不亞于定常流動(dòng)，所以研究并提高傳感器的動(dòng)態(tài)性能對實(shí)現液壓系統動(dòng)態(tài)測量具有重要意義。

1、MEMS傳感器結構

作者所在的研究組在前期應用壓力梯度法和壓力互相關(guān)法測量液壓系統流量進(jìn)行了理論和實(shí)驗研究，取得了一定進(jìn)展，在此基礎上，提出這種不需要引壓，直接讓MEMS敏感芯體在管內獲得與流量對應的差壓信號的新方法。相比之下新方法在對系統較低擾動(dòng)的前提下更易獲得較高的信號水平，精度能滿(mǎn)足一般液壓系統，具有高的動(dòng)態(tài)測量頻寬。其機理是利用內置于管道中特殊設計的異徑結構裝置，如圖1所示，對內外流體分別產(chǎn)生收縮和擴壓雙效作用，獲得低壓損、低能耗的微小壓力差，通過(guò)置于上面的MEMS敏感芯體測取，并根據建立的壓差-流量關(guān)系模型，及仿真手段和實(shí)驗測試得出該狀態(tài)下的流量值。

圖1 MEMS傳感裝置結構圖

2、MEMS傳感器壓差―流量模型

異徑結構相當于一個(gè)噴嘴和一個(gè)錐形漸擴管的組合：在異徑結構的內部，隨著(zhù)流道截面積的逐漸增加，流體受到擴壓作用，因而壓力得以提升；在異徑結構的外部，隨著(zhù)流道截面積的逐漸減小，流體的運動(dòng)受到收縮作用，壓力減小。因此在經(jīng)過(guò)異徑管段后，內、外流道存在一個(gè)與流量大小相對應的低壓損、低能耗的微小壓力差，可以通過(guò)置于側壁的MEMS力敏芯體測取。

圖2 管道內的流場(chǎng)圖

如圖2所示，流體在異徑管內外被分為流道1和流道2，在這里，r0為管路半徑，a、b分別為內流道入口和出口處半徑，忽略異徑管厚度，因此a、b也是外流道的進(jìn)出口處內徑，假設從截面A-A*到截面B-B*流線(xiàn)不發(fā)生增加或者減少，即任何A-A*面上一微元ds都可以沿著(zhù)流線(xiàn)找到在B-B*面上的映射ds*，則在流道1內任一流線(xiàn)上有：

對于流道2內任一流線(xiàn)上有：

式中：p0為截面A-A*處的壓強；p1，p2分別為截面B-B*處內、外的壓強；v1，v1’，v2，v2’分別為兩流線(xiàn)進(jìn)出位置的流速；wf1、wf2分別為兩流線(xiàn)上的粘性損耗。

根據納維爾―斯托克斯（N-S）方程可以推導出流量與壓差關(guān)系模型為：

式中：

其中：φ為無(wú)量綱系數，它與擴散角θ有關(guān)；當θ角較小且過(guò)渡圓滑時(shí)，ζ為0.005－0.05。