基于MEMS的量热式传感器气体流量测量的模型研究

气体流量测量广泛应用于呼吸监测、管道运输等领域。本研究细致分析了MEMS量热式传感器温度一维分布模型中的热边界层参数,进行了相应的经验修正。并且在温度一维分布模型的基础上,针对具有两对上下游测温电阻芯片结构的MEMS量热式传感器,提出了一种新的传感器输出电压关于气体流量的半修正理论模型。该理论模型能够适用于不同类型的单介质气体。同时,开展了N_(2)、CO_(2)流量测量实验,与理论模型进行对比,证明所提出的理论模型可以正确预测不同气体介质的流量,其中针对CO_(2)测量介质的均方根误差为0.15%。此外,结合理论分析,提出了一种高精度,拟合形式简单、针对确定气体适用性更好的测量模型,其中针对CO_(2)测量介质的均方根误差为0.05%。

局部内热源热式传感器等效换热面积的影响

从等效换热面积影响角度深入研究流体横掠含局部内热源圆柱体的对流传热模型,将流体横掠圆柱体的传热学理论分析与热式传感器流量测量方法相结合进行探讨.针对研究采用的双探头浸入式热式质量传感器原理样机,分析流动稳定条件下测速探头与周围流体的热平衡关系,建立含局部内热源热式传感器的热平衡方程.同时对含局部内热源的测速探头的换热面积进行理论分析,提出等效换热面积及等效换热面积系数的概念.等效换热面积对流量测量影响的实验验证在天津大学可调压气体流量实验装置进行,实验管道内径50,mm,3个实验压力分别为0.6,MPa、0.8,MPa和1.0,MPa,气相流速范围为7~19,m/s,探头雷诺数范围为6,436~28,499.借助Churchill&Bernstein模型准则式,获得努塞尔数等相关量,计算等效换热面积,根据等效换热面积的变化规律建立等效换热面积法的数学模型.对运用等效换热面积法和固定换热面积法的计算结果加以比较,结果表明在实验的工况范围内,考虑等效换热面积规律后,雷诺数或质量流量的平均误差从65.86%,降到3.96%,.

双控制模式MEMS风速风向传感器设计、仿真及制备

针对恒温差模式下的MEMS风速风向传感器量程较小等问题,首次提出了一种恒温差和温度平衡双控制模式的MEMS风速风向传感器芯片。通过改变加热、测温电阻在传感器芯片的位置以及加热电阻的工作状态,用于实现传感器在低风速和高风速下处于不同的工作模式,从而使得传感器在不同风速下均有较为准确的输出结果。分别通过理论分析、有限元仿真证明了该传感器的量程可达0~75 m/s,采用温度平衡控制模式替代恒温差模式有效解决了恒温差控制模式高风速下传感器输出饱和的问题。此外,设计了该传感器的流片工艺,并利用MEMS工艺对其进行了制备。

热电堆式MEMS气体流量传感器设计及性能研究

提出一种由微加热器和热电堆构成的热式MEMS气体流量传感器用以实现高灵敏、快响应且低功耗的气体流量检测。采用N/P型重掺杂多晶硅材料构造双层堆叠的热电堆结构,可以实现低热导和高塞贝克系数,具有更高的温度敏感性。实验测试表明,该传感器件在0~1000 sccm的气流范围内灵敏度可达0.309 mV/sccm(58.22 mV/ms-1),响应时间仅约139 ms,其工作电压为2.56 V时,微加热器的加热功耗仅有34.9 mW。该器件的整体尺寸仅有1300 mm×1300 mm,有利于检测系统的小型化和集成化,在动力氢燃料电池、医疗辅助呼吸设备等流速流量检测场景中具有一定应用价值。

MEMS热式风速风向传感器输出性能优化研究

环境测温二极管在工作时受传感器芯片热场影响,常引发MEMS热式风速风向传感器加热电压-风速曲线异常。将其更换为外置测温二极管,并调整其与传感器芯片距离,成功解决了输出曲线异常现象。并在此基础上,优化芯片及外置测温二极管的封装方案,消除了热场的相互干扰和不必要的热损耗,同时保证了外置测温二极管与空气的良好接触。风场测试结果表明,传感器的加热电压-风速曲线变得平滑,且重复性好,风速和风向的测量误差分别在±4%和±4°以内,系统的上电稳定时间大幅缩短至15 s左右。

一种基于铂电阻的硅基MEMS热式流量传感器芯片研制

针对高精度微小流量测量场合对高稳定流量计的应用需求,介绍一种基于铂电阻的硅基MEMS热式流量传感器芯片的研制。利用铂电阻作为加热和测温电阻,提升MEMS流量传感器芯片的稳定性。将铂电阻制作于悬空介质层上,提升MEMS流量传感器芯片的响应速度和灵敏度。通过有限元仿真,优化MEMS流量传感器的芯片结构,使其铂电阻TCR与响应速度都有良好表现。通过优化封装结构,封装后的MEMS流量传感器芯片在0~200mL/min范围内具有较好的稳定性和响应,测量精度小于测量值的0.8%,满足绝大部分同类流量测量的技术需求。

一种新型FBG热式液体流量传感器

光纤布拉格光栅热式流量传感器目前只适用于气体流量,为扩大其应用领域,设计了一种可用于液体流量测量的新型光纤布拉格光栅热式流量传感器。该光纤布拉格光栅热式流量传感器使用陶瓷加热片以恒定功率提供热量,不同流量的液体经过传感器时带走的热量不同,通过检测光纤布拉格光栅中心波长的变化就可以测得传感器的温度变化,进而推导出液体流量大小。通过温度传感测试实验和流量传感测试实验,验证了所设计的传感器可用于液体流量测量。实验结果表明,该传感器的流量测量范围为40.575~550.664 L/h。

加热式氧传感器在点燃式发动机空燃比测量中的应用研究

根据点燃式发动机排气中的氧含量推导了计算进入发动机缸内混合气空燃比的公式 ,分析了排气中氧含量的测量误差及燃料组成对空燃比测量误差的影响 ,并把理论公式的计算值与加热式氧传感器空燃比仪的测量值进行了比较 ,结果表明两者非常吻合。另外 ,加热式氧传感器空燃比仪在试验用点燃式发动机上的测量结果表明 ,试验用发动机的空燃比变化范围在±

新型多功能量热式生物传感器系统研究与开发

通过新型结构与流路设计,开发了量热式生物传感器,是由恒流泵、切换阀、恒温器、锥形注入阀、反应室和参比室、热电堆、信号采集模块和微机等组成的流动注射分析系统,能够工作在单向和循环模式。恒温器在0～70℃内有效控温,精度为±0.1℃;锥型注入阀实现绝热状态的同步进样;设置参比室有效消除非特异性热;片状热电堆的灵敏度约4 mV/K,并布置在反应室和参比室间,及时感知热信号变化;微弱信号采集模块具备24位分辨率和64倍增益,并利用虚拟仪器技术通过微机进行数据的动态显示、处理和存储;系统能够优化反应室尺寸、载流流速、反应温度和试剂注入量等关键参数。性能测试和多种反应模式研究表明,系统基线稳定、重现性好,并实现了酶分析、底物测试和重金属检测等功能,该系统尤其适用于抑制条件下的多试样、多组合的现场和在线富集、检测。

量热式酶生物传感器及其环境监测应用

量热式酶生物传感器应用于环境现场快速检测及实际试样具有优势。介绍了量热式酶生物传感器的量热检测和热放大原理以及组成、测试装置等关键技术,其中热放大的应用可从根本上提高检测的灵敏度和水平;综述了量热式酶生物传感器应用于农药残留和重金属检测涉及的酶源、富集处理等环节;结合最新的研究成果,分析并展望了量热式酶生物传感器在农药残留和重金属等环境监测领域的应用。

多探头热式气体流量传感器的设计与仿真

在组合铂膜探头的基础上,提出了一种多探头热式气体流量传感器的结构形式,运用FLUENT软件在不同直管段条件下对其所在的管道内的流场进行仿真研究。运用多传感器数据融合的方法对每个探头所在测量点的仿真流速值进行处理融合,并与单点仿真结果进行比较。仿真结果表明:在直管段长度较短,流场分布不规则的情况下,多探头流量传感器的测量精度明显比单个探头要高。

用于检测农药残留的量热式生物传感器的半导体恒温仪的研究

介绍一种用于检测农药残留的量热式生物传感器的半导体恒温仪的研制。该恒温仪基于塞贝尔效应,利用半导体制冷进行恒温。该仪器由恒温器与控制器部分组成。针对量热式生物传感器的参比法测量及流动分析的特点,恒温器采用相同结构参数的双流路对称布置。液体由流路下部流入,保证换热充分。控制器采用铂电阻采集温度信号,由智能调节器进行温度监控。可控温度范围由0～70℃;升降温时间短,不超过3min,控温精度小于±0 1℃。通过实验,恒温仪的恒温效果良好,控温精度高,符合检测要求。

加热式热电偶液位测量传感器的研究

压力容器内的水位是反应堆运行中的重要参数,针对传统的传感器难以实现液位测量,提出了一种加热式热电偶传感器,它是基于发热体在气(汽)体和液体中放热系数的显著差异,研制的一种变液位测量为温差测量的加热式铠装热电偶。试验表明,液位测量传感器原理正确,结构可行,性能可靠,能够准确的判断出液气(汽)界面的位置,推广该传感器在压力容器内应用很有必要。

高于室温环境的热式气体微流量传感器性能分析

为了探索平板微热管的传热特性,了解微热管内不同温度区间的蒸汽传输特性,开展了热式气体微流量传感器及其检测系统的设计。设计了一种便于探索最佳温度测量点的热式微流量传感器结构,利用MEMS工艺进行加工制作,在不同环境温度下对其性能进行了测试,得到了环境温度与热式微流量传感器性能的关系。基于MSP430单片机和C#语言自主开发了流量传感器检测系统,可对一定范围内的流量进行实时检测,并实时绘制流速随时间的变化曲线。研究表明,采用本文设计的热式微流量传感器结构,可以检测高于室温环境下的微流量气体,并可通过提高加热器温度或改变测温电阻对的测量位置来提高测量灵敏度。

微型热式剪应力传感器的热特性建模

为了提高微机电系统(MEMS)微型热式剪应力传感器的灵敏度,分析了MEMS微型热式剪应力传感器的热平衡机理,建立其相应的数学物理模型.从理论上分析了传感器的热膜、绝缘层及硅基底上的空腔尺寸等结构参数对其灵敏度的影响,并将研究结果与基于Fluent软件的数值模拟结果进行对比.结果表明,所建立的数学模型是合理的.

热式复合传感器分析

由热式复合传感器构成的测量系统可以实现气固两相流的固相质量流量测量 ,在应用中该传感器存在一定的热惯性和滞后特性。建立了热式复合传感器的数学模型 ,对模型进行了仿真 ,求出了该传感器的时间常数和滞后系数 ,并得出了环境温度变化不影响传感器输出的结论。

基于二极管的热式流量传感器的设计与实现

设计并实现了一种基于二极管的热式流量传感器.传感器由两个感温二极管和一个加热电阻构成,其中一个二极管作为测温元件感测流体温度,另一个二极管和电阻封装到一起感测流体流速.使用Multisim软件对包含传感器的桥式电路进行了仿真,分析了输出信号与两个二极管温差的关系.并设计了以单片机为核心的信号测量处理电路,给出了流量为10~100 L/h的测量结果.

基于MSP430的热式风速传感器设计

基于热扩散原理设计了一款热式风速传感器,它是以Flow Sens FS5为感应元件,将其接入传感器电路之中,通过模拟采集电路转换为电压信号。将电压信号经差动放大电路放大之后,再经过信号滤波电路进行滤波,使电压的幅值比较稳定。最后由MSP430F149单片机的A/D定时采集电压信号,单片机处理采集数据并在液晶上显示风速值。

热式MAF传感器动态实验和性能评定方法

随着汽车数量的增多,汽车尾气所造成的污染不容忽视。国内、外均加强了对汽车尾气排放的管理,颁布并执行了相应的法规。欧洲已执行欧Ⅳ标准,我国也正在逐步执行相当于欧Ⅳ的国Ⅳ标准。该标准中增加了发动机的瞬态实验环节,因此检测发动机进气流量的热式MAF传感器应具有较高的动态响应特性。国内、外厂家标注了MAF传感器的响应时间,但是并未给出相应的动态实验装置和测试方法。文章介绍了国内外热式MAF传感器的动态实验装置和工作原理,并讨论了性能指标的评定方法。

基于微机电加工技术芯片的量热式生物传感器的测热性能研究

采用鸡肝酯酶作为生物敏感元件,以基于微机电加工技术制作的NCM9924微量热芯片作为换能器,建立了用于农药的残留量测定的量热式生物传感器试验系统。应用此系统进行了量热芯片灵敏度、酶促反应放热和农药抑制试验研究。结果表明:在流量为0.5mL·min-1的情况下,换能器的温度灵敏度不低于1.184mV·K-1;本系统对同一酶活水平的放热量响应具有良好的重现性。鸡肝酯酶被2mg·L-1甲胺磷农药抑制后,系统放热曲线的峰高降低了50%。