熱對(duì)流式傳感器

1、熱對(duì)流式傳感器熱對(duì)流是自然界中客觀存在的基本物理現(xiàn)象之一，例如冬天的暖氣片、大洋的洋流以及地幔的運(yùn)動(dòng)等，任意存在溫差的流體或者液體之間總是不停的發(fā)生由于質(zhì)點(diǎn)位移而產(chǎn)生的熱交換直到溫差消失為止。熱對(duì)流式傳感器指的是利用外界物理量（例如加速度、流體以及角速度等）改變流體原有的對(duì)流熱交換狀態(tài)，導(dǎo)致流場內(nèi)的溫度分布發(fā)生變化，最后將溫度變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的輸出的傳感器。相對(duì)于傳統(tǒng)的基于力檢測原理的傳感器，熱對(duì)流傳感器使用流體代替敏感單元，因此它具有結(jié)構(gòu)簡單抗外部沖擊以及靈敏度高、線性度高的特點(diǎn)。通過不斷采用新結(jié)構(gòu)、新工藝以及新材料，熱對(duì)流式傳感器在精密測量領(lǐng)域會(huì)有更加非常廣泛的應(yīng)用。熱對(duì)流的基本定義以及原

2、理熱量傳遞是由于物體內(nèi)或系統(tǒng)內(nèi)的兩部分之間的溫度差而引起的，熱量傳遞方向總是由高溫處自動(dòng)地向低溫處移動(dòng)。溫度差越大，熱能的傳遞越快，溫度趨向一致，就停止傳熱。所以傳熱過程的推動(dòng)力是溫度差。根據(jù)傳熱機(jī)理的不同，熱量傳遞的基本方式有三種：即熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射。熱對(duì)流又稱對(duì)流傳熱,是指流體中質(zhì)點(diǎn)發(fā)生相對(duì)位移而引起的熱量傳遞過程。熱對(duì)流可分為自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流，強(qiáng)制對(duì)流傳熱狀況比自然對(duì)流好。熱對(duì)流這種傳熱方式僅發(fā)生在液體和氣體中。對(duì)流傳熱實(shí)質(zhì)上就是由于流體質(zhì)點(diǎn)的宏觀運(yùn)動(dòng)而引起的熱量傳遞。通常傳熱的冷熱兩個(gè)流體總是通過某金屬壁面進(jìn)行熱量交換，其表現(xiàn)就是流體將熱量傳給壁面或者由壁面將熱量傳給流體的過程

3、。熱對(duì)流的基本模型以及傳熱方程流體沿固體壁面流動(dòng)時(shí)，無論流動(dòng)主體湍動(dòng)的多么激烈，靠近管壁處總存在著一層層流內(nèi)層。由于在層流內(nèi)層中不產(chǎn)生與固體壁面成垂直方向的流體對(duì)流混合，所以固體壁面與流體間進(jìn)行傳熱時(shí)，熱量只能以熱傳導(dǎo)方式通過層流內(nèi)層。雖然層流內(nèi)層的厚度很薄，但導(dǎo)熱的熱阻值卻很大，因此層流內(nèi)層的熱傳導(dǎo)將產(chǎn)生較大的溫度差。另一方面，在湍流主體中，由于對(duì)流使流體質(zhì)點(diǎn)混合劇烈，熱量十分迅速的傳遞，因此湍流主體中的溫度差極小，其傳熱就是典型的對(duì)流傳熱。層流，內(nèi)層憨謚佻換遇普購那刖評(píng)伽區(qū)比繼區(qū)|II圖1對(duì)流傳熱的溫度分布示意圖圖1對(duì)流傳熱的溫度分布示意圖,由于層流內(nèi)層的導(dǎo)熱熱阻大,所需要的推動(dòng)力溫度差就

4、比較大,溫度曲線較陡,幾乎成直線下降。一般將流動(dòng)流體中存在溫度梯度的區(qū)域稱為傳熱邊界層。流傳導(dǎo)的基本物理量定義以及公式如下：熱傳導(dǎo)遵循傅里葉定律：1)dTdx式中，為熱流量(J/s或者W),九為熱傳導(dǎo)系數(shù)(J.m-i.K-i.s-1),A為傳熱面積(m2),Td為溫度梯度(K.m-1)熱流量或者熱流密度定義為：q/A(2)其中導(dǎo)熱系數(shù)九為：九九G+C/(p*d/T)(3)eo影響對(duì)流傳熱系數(shù)的因素凡是影響邊界層導(dǎo)熱和邊界層外對(duì)流的條件都和九有關(guān),目前所能設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)表明,影響九的因素主要有：流體的種類,如液體、氣體和蒸汽；流體的物理性質(zhì),如密度、黏度、導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容等；5)流體的相態(tài)變化，在傳

5、熱過程中有相變發(fā)生時(shí)的九值遠(yuǎn)大于沒有相變發(fā)生時(shí)的九值；流體對(duì)流的狀況,強(qiáng)制對(duì)流時(shí)的九值大于自然對(duì)流時(shí)的九值；流體的運(yùn)動(dòng)狀況，湍流時(shí)的九值大于層流時(shí)的九值；傳熱壁面的形狀、位置、大小、管或板、水平或垂直、直徑、長度和高度等。熱對(duì)流式傳感器的基本結(jié)構(gòu)以及工作原理熱對(duì)流式傳感器的基本原理是基于流體和固體之間的熱交換原理，一般為在一個(gè)腔體之內(nèi)存在加熱元件以及一組對(duì)稱的熱敏元件。當(dāng)加熱元件工作時(shí)，會(huì)把腔體中的流體加熱，在流體穩(wěn)定的條件下，熱流體會(huì)與周圍較冷的流體發(fā)生熱對(duì)流傳導(dǎo)。在自然對(duì)流的情況下，兩個(gè)熱敏元件探測的溫度是相等的。如果在外界的作用力下發(fā)生強(qiáng)迫熱交換，即打破原本的熱對(duì)流狀態(tài)，那么兩邊的溫度變

6、化會(huì)導(dǎo)致熱電阻的電阻值變化。這種阻值變化可以反映外界物理量的變化，因此這種器件可以用來測量外部加速度，角速度以及流體流量等的變化。圖2熱流式傳感器的基本結(jié)構(gòu)以及溫度分布在圖中，加熱絲由于熱對(duì)流引起的熱量耗散量為：4)Q=兀Dhl（TT）CHF式中，1為熱絲長度，D為熱絲的直徑，h為熱對(duì)流換熱系數(shù)，為熱絲溫度，Tf為流體溫度。根據(jù)強(qiáng)迫對(duì)流熱交換理論，可以得到熱絲散失的熱量與流體的速度之間存在的關(guān)系式：-T）HF式中，A、B為與熱對(duì)流傳導(dǎo)率與熱絲的幾何尺寸有關(guān)的物理常數(shù)。設(shè)熱絲電阻為RH，通過它的電流為I，則熱絲單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的焦耳熱Q1為Q二12R（6）1HH當(dāng)達(dá)到熱平衡時(shí)，即有Q=Q1C12R

7、HH+B.V-T）HF（7）上式為流體與熱絲熱交換達(dá)到恒定時(shí)的表達(dá)式。根據(jù)兩邊熱敏元件的溫度差異，通過惠斯通電橋就可以測得流體的狀態(tài)。測量電路3.1熱流式傳感器的測量電路熱流式傳感器基于溫度差分輸出電壓測量原理，因此基本調(diào)理電路是針對(duì)于Wheatstone電橋的差分電壓放大電路。由于熱流式加速度傳感器的工作原理是基于熱傳導(dǎo)，因此它的響應(yīng)頻率比較低，在電壓放大的基礎(chǔ)上增加了帶寬補(bǔ)償電路，通用補(bǔ)償方法有自動(dòng)增益控制（AGC）、系統(tǒng)傳遞函數(shù)以及零極點(diǎn)并聯(lián)（串聯(lián)）補(bǔ)償法以及發(fā)射極電容補(bǔ)償方法1。圖3流式傳感器調(diào)理以及補(bǔ)償電路熱流式傳感器的溫度補(bǔ)償熱流式傳感器一般工作在恒溫條件下，當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，

8、將會(huì)給測量帶來誤差，因此一般采用橋接方式以及熱敏電阻補(bǔ)償器方法環(huán)境溫度引起的測量誤差。圖4熱流量傳感器測量電路圖中Rl,R2,R3是固定電阻器，Rh是傳感器電阻，Rf是用于感測流體溫度的電阻，具有溫度系數(shù)，可以補(bǔ)償環(huán)境溫度變化對(duì)測量結(jié)果的影響。當(dāng)流體溫度不隨時(shí)間變化而變化時(shí)，Rf是一個(gè)常數(shù)。若假設(shè)在室溫條件下，R2R3，且Rf=Rh（Rh是室fh溫條件下的電阻值），則電源提供的電流大部分都流向R3和Rh支路。接通電源后，Rh被加熱，阻值升高到Rh時(shí)，電橋處于平衡狀態(tài)。TOC o 1-5 h zR=（R+R）（R/R）（8）hlf32相應(yīng)的輸出電壓V在數(shù)值上則為電阻R的變化量，即olhV=（R-

9、R）=（R-R）（9）olhhhf在實(shí)際測量過程中，Rf的阻值經(jīng)常會(huì)發(fā)生變化，由于Rf與Rh的變化率不一致，輸出電壓也不再與Rf的變化成正比關(guān)系，造成測量誤差。設(shè)在0C是，電阻Rf的阻值為RfO，當(dāng)流體溫度為T時(shí)，R3的值為l0)R二RG+aT）=R+aRTff0ff0f0f當(dāng)電橋平衡時(shí)，有l(wèi)l)為了使Rh與Rf具有相同的變化率，必須對(duì)Rh進(jìn)行斜率補(bǔ)償，即對(duì)上式的第二項(xiàng)乘以一個(gè)系數(shù)R2/R3，令補(bǔ)償后的Rh的值為Rc，即R=cR-(Rh1+Rf0R212)因此，進(jìn)行電阻的變化率對(duì)惠斯通電橋的輸出溫度漂移進(jìn)行了校正。熱對(duì)流式傳感器的應(yīng)用4.1熱流式加速度傳感器熱對(duì)流加速度計(jì)包含一個(gè)密閉的腔體，腔

10、體中充有流體，其中有一個(gè)把腔體中加熱元件周圍的流體加熱，加熱后的流體發(fā)生膨脹而密度下降，在重力的作用下上升，周圍相對(duì)冷的流體填補(bǔ)到空位置上，這樣反復(fù)循環(huán)而造成熱對(duì)流傳導(dǎo)。加熱元件和兩個(gè)敏感元件都是懸空的，結(jié)構(gòu)如圖所示2-4。圖5熱流式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)流體圍繞它們做對(duì)流運(yùn)動(dòng)，保證能夠較好地傳熱。當(dāng)除了重力加速度以外沒有其他加速度時(shí)，流體的流動(dòng)是在垂直于通過熱源的平面上關(guān)于中間加熱元件對(duì)稱的，兩個(gè)熱敏元件探測的溫度是相等的。如果對(duì)這個(gè)密封腔體加一個(gè)橫向的加速度或者產(chǎn)生一個(gè)傾斜，那么氣體分子由于加速度或者傾斜的對(duì)流形式的變化，從而使對(duì)稱的熱敏元件的溫度產(chǎn)生差異。如果熱敏元件是電阻的話，那么用一個(gè)簡

11、單的Wheatstone電橋電路就可以把熱敏電阻的差值測量出來，這個(gè)差值和它的加速度有一個(gè)比例的關(guān)系。微加速度計(jì)目前廣泛應(yīng)用于許多不同的領(lǐng)域，諸如機(jī)器人、消費(fèi)、通訊電子、娛樂以及機(jī)械電子設(shè)備，測量加速度和傾斜主要應(yīng)用壓電、壓阻、力平衡以及電容加速度計(jì)。壓電加速度計(jì)無法測量靜態(tài)信號(hào)，壓阻式加速度傳感器受外部環(huán)境的影響因素較大，力平衡式加速度傳感器精度非常高但是成本高昂，電容式加速度傳感器主要受限于體積。熱流式傳感器相較于上述加速度器件的主要優(yōu)點(diǎn)為體積下、重量輕、抗沖擊能力強(qiáng)以及性能優(yōu)良等特點(diǎn)，可以輕松承受其幾千倍量程的沖擊，但是它的輸出性能隨著加熱功率的變化而變化，而且它的功耗比一般微加速度計(jì)要

12、大。熱流式加速度傳感器發(fā)展至其技術(shù)比較成熟，典型的代表有美新半導(dǎo)體（MEMSIC）公司的MX系列熱流式加速度傳感器，其具有優(yōu)異的穩(wěn)定性以及高達(dá)50,000g的抗沖擊性能5。結(jié)構(gòu)如下圖所示：圖6美新MX系列熱流式加速度傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖熱流式微流量傳感器根據(jù)工作模式可以把熱流式微流量傳感器分為：熱損失式微流量傳感器、熱行程式微流量傳感器和熱分布式微流量傳感器。熱分布式微流量傳感器又稱為熱梯度式微流量傳感器，它是通過測量流體流動(dòng)引起微加熱器兩端溫度非對(duì)稱性的變化量，再通過實(shí)驗(yàn)標(biāo)定來確定流體的流量，工作原理如圖所示6。圖7流式微流量傳感器中間的微加熱器對(duì)微流量傳感器的微流道進(jìn)行加熱，微流道中流體流量為

13、零時(shí)，微流道壁上的軸向溫度分布如圖中的虛線所示，相對(duì)于微加熱器是對(duì)稱分布的。當(dāng)流體流量不為零時(shí)，由于流體對(duì)微流道的非均勻冷卻促使微流道內(nèi)壁表面形成一個(gè)熱邊界層其厚度隨著流體從微流道的上游向下游運(yùn)動(dòng)距離的加大而增加。這表明隨著流體流向加熱器時(shí)，流體的溫度不斷上升7。圖8流式微流量傳感器的溫度分布由于熱邊界層的存在，微流道壁上的軸向溫度相對(duì)于微加熱器不再是對(duì)稱分布，沿流體流向，上游溫度傳感器的溫度將低于下游溫度傳感器的溫度，這時(shí)微流道壁上的軸向溫度分布如圖中的實(shí)線所示。因此，利用加熱器兩側(cè)對(duì)稱制作的兩個(gè)溫度傳感器就可以測出這個(gè)溫度差。在分別測得上、下游溫度傳感器溫度差的情況下，可導(dǎo)出流體流量g，即

14、：Aq-KATmPCp式中：P為微加熱器的加熱功率；Cp為被測流體介質(zhì)的定壓比熱容；A為微加熱器與周圍環(huán)境熱交換系統(tǒng)之間的熱傳導(dǎo)系數(shù)；K為系統(tǒng)修正系數(shù)。在本論文中，因微流道壁材料為石英，具有相對(duì)較高熱導(dǎo)率，且其值不變，因此A的變化可簡化為主要是流體邊界層熱導(dǎo)率的變化。當(dāng)流體在某一流量范圍時(shí)，A、Cp均可視為常量，則流體流量僅與上、下游溫度傳感器的溫度差成正比，如圖中A段所示。圖9體流量與溫度傳感器溫差關(guān)系A(chǔ)段為微流量傳感器正常測量范圍，微流量傳感器中流體帶走少量熱量；流量增大超過A點(diǎn)時(shí)，有更多的熱量被帶走而呈現(xiàn)非線性；流量超過B點(diǎn)則大量熱量被帶走。為了獲得良好的線形輸出，必須保持層流流動(dòng)。因微加熱器和溫度傳感器的尺寸以及兩者間距離均很小，且微流道的內(nèi)徑尺寸也很小，所以微流量傳感器檢測精度較高，加熱所需的能量也很少。熱流式傳感器現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于公共、食品、能源、冶金以及衛(wèi)生領(lǐng)域中的流體流量測量，其工作穩(wěn)定，對(duì)微小流量靈敏度高，如下圖10所示。8圖10貝爾分析儀器系列的氣體流量傳感器參考文獻(xiàn)梁長垠，張守權(quán).熱流量傳感器溫度補(bǔ)償方法研究J.傳感器與微系統(tǒng),2006,25(4):18-19.李立杰，梁春廣.微機(jī)械熱對(duì)流加速度計(jì)J.半導(dǎo)體學(xué)報(bào),2001,22(4):465-468.王俊云.熱對(duì)流式加速度傳感器原理及應(yīng)用J.世界產(chǎn)品與技術(shù),200