氣體擺式傾角傳感器的敏感機(jī)理及影響性能的關(guān)鍵因素研究.pdf

1、氣體擺式傾角傳感器的原理是利用自然對(duì)流氣體在密閉腔體中的“擺”特性研制成的，其關(guān)鍵敏感結(jié)構(gòu)由密閉腔體及其內(nèi)部的熱敏絲構(gòu)成。由于沒有擺動(dòng)質(zhì)量塊，而且氣體的質(zhì)量也很小，所以氣體擺式傾角傳感器具有很強(qiáng)的抗振動(dòng)和沖擊能力，在許多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。但是，目前氣體擺式傾角傳感器的設(shè)計(jì)制作主要是建立在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，器件的理論研究仍處于探索階段。例如，對(duì)于密閉腔體內(nèi)的流場(chǎng)與輸出特性的關(guān)系、熱源的輻射效應(yīng)對(duì)傳感器輸出特性的影響和靈敏度要求較高條件下的

2、溫度漂移補(bǔ)償問題等，都有待深入的研究和探討。本文針對(duì)上述一些基本問題，主要開展了如下工作： 首先，分析了氣體擺式傾角傳感器密閉腔體內(nèi)的流場(chǎng)特性參數(shù)與傳感器輸出特性的關(guān)系。通過建立控制方程、給定邊界條件，運(yùn)用有限元法對(duì)密閉腔體中的氣體的流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，并利用數(shù)值計(jì)算結(jié)果定量分析了氣體擺式傾角傳感器密閉腔體內(nèi)的流場(chǎng)特性參數(shù)與傳感器輸出特性的關(guān)系。同時(shí)還探討了不同敏感結(jié)構(gòu)的輸出特性，討論了不同敏感結(jié)構(gòu)對(duì)傳感器性能的影響。

3、其次，理論分析了氣體擺式傾角傳感器密閉腔體內(nèi)的傳熱問題。由于傳熱過程的不同，傳熱機(jī)制各異，本文根據(jù)不同的傳熱機(jī)制建立了物理模型，并根據(jù)物理模型分別計(jì)算了密閉腔體的傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射換熱。計(jì)算結(jié)果表明：密閉腔體的輻射非常小，在進(jìn)行傳熱分析時(shí)可以忽略不計(jì)。密閉腔體的導(dǎo)熱換熱量與對(duì)流換熱量相當(dāng)，在進(jìn)行傳熱分析時(shí)，可通過導(dǎo)熱換熱進(jìn)行簡(jiǎn)化分析。 然后，本文討論了輸出電壓溫度漂移的補(bǔ)償問題。由于氣體擺式傾角傳感器受環(huán)境溫度的影響較大，是影響其

4、性能的關(guān)鍵因素之一，本文著重討論了如何消除環(huán)境溫度的影響。通過數(shù)值計(jì)算，研究了環(huán)境溫度變化時(shí)腔體內(nèi)流場(chǎng)的變化，理論分析了腔內(nèi)流場(chǎng)變化對(duì)傳感器性能的影響，根據(jù)流體力學(xué)的相似性原理，提出減小輸出電壓溫度漂移的補(bǔ)償方案；開展了原理性試驗(yàn)研究，論證了補(bǔ)償方案的可行性；最后通過補(bǔ)償電路的設(shè)計(jì)，驗(yàn)證了此方法的有效性，結(jié)果表明，加入補(bǔ)償電路后，輸出電壓溫度漂移減小至少達(dá)70％。 另外，本文對(duì)傳感器的檢測(cè)電路進(jìn)行了改進(jìn)，并根據(jù)改進(jìn)的電路，對(duì)傳感

5、器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。采用單片機(jī)對(duì)敏感電路進(jìn)行數(shù)字放大和濾波，略去原來的放大和濾波電路，提高了產(chǎn)品穩(wěn)定性，減小了零位漂移，并且大大減小了傳感器的體積，降低了成本。最后，對(duì)調(diào)試好的傳感器進(jìn)行了常溫輸出信號(hào)的電性能測(cè)試和環(huán)境溫度實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，產(chǎn)品達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，具有很高的可靠性。 全文以氣體擺式傾角傳感器密閉腔體中氣體形成的對(duì)流場(chǎng)為主線，在數(shù)值仿真計(jì)算的基礎(chǔ)上，理論分析了影響傳感器性能的關(guān)鍵因素，分析了氣體擺式傾角傳感器的敏感機(jī)

6、理。以流動(dòng)相似性原理為依據(jù)，提出輸出電壓溫度漂移的主動(dòng)補(bǔ)償方法。主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)包括： 1)建立了檢測(cè)電路電橋輸出電壓隨密閉腔體內(nèi)自然對(duì)流場(chǎng)溫度及速度的變化關(guān)系，定量分析了氣體擺式傾角傳感器輸出性能與密閉腔體內(nèi)自然對(duì)流場(chǎng)溫度及速度的關(guān)系。研究表明，對(duì)于單一熱源的氣體擺式傾角傳感器，溫度場(chǎng)對(duì)熱敏絲電阻的影響遠(yuǎn)大于速度場(chǎng)對(duì)熱敏絲電阻的影響，說明點(diǎn)熱源所形成的溫度場(chǎng)對(duì)氣體擺式傾角傳感器敏感傾角起了決定性的作用，為深入分析氣體擺式傾角傳感器敏