MEMS傳感器的優(yōu)化與動(dòng)態(tài)試驗(yàn)-工業(yè)控制
前 言
現(xiàn)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(zhuǎn)變，以往的經(jīng)驗(yàn)證明，靜態(tài)特性很完善的系統(tǒng)，運(yùn)行后時(shí)常會(huì)發(fā)生振動(dòng)、噪音等問題，這主要是由于系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性研究不到造成的。出于種種目的，國內(nèi)外對(duì)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(xiàn)和內(nèi)在機(jī)理的復(fù)雜性，直到現(xiàn)在仍有不少問題未能徹底解決。目前，許多液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析只能按照定常流動(dòng)進(jìn)行，但實(shí)際上，系統(tǒng)中出現(xiàn)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(duì)實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)測(cè)量具有重要意義。
1、MEMS傳感器結(jié)構(gòu)
作者所在的研究組在前期應(yīng)用壓力梯度法和壓力互相關(guān)法測(cè)量液壓系統(tǒng)流量進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究，取得了一定進(jìn)展，在此基礎(chǔ)上，提出這種不需要引壓，直接讓MEMS敏感芯體在管內(nèi)獲得與流量對(duì)應(yīng)的差壓信號(hào)的新方法。相比之下新方法在對(duì)系統(tǒng)較低擾動(dòng)的前提下更易獲得較高的信號(hào)水平，精度能滿足一般液壓系統(tǒng)，具有高的動(dòng)態(tài)測(cè)量頻寬。其機(jī)理是利用內(nèi)置于管道中特殊設(shè)計(jì)的異徑結(jié)構(gòu)裝置，如圖1所示，對(duì)內(nèi)外流體分別產(chǎn)生收縮和擴(kuò)壓雙效作用，獲得低壓損、低能耗的微小壓力差，通過置于上面的MEMS敏感芯體測(cè)取，并根據(jù)建立的壓差-流量關(guān)系模型，及仿真手段和實(shí)驗(yàn)測(cè)試得出該狀態(tài)下的流量值。
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2、MEMS傳感器壓差—流量模型
異徑結(jié)構(gòu)相當(dāng)于一個(gè)噴嘴和一個(gè)錐形漸擴(kuò)管的組合：在異徑結(jié)構(gòu)的內(nèi)部，隨著流道截面積的逐漸增加，流體受到擴(kuò)壓作用，因而壓力得以提升；在異徑結(jié)構(gòu)的外部，隨著流道截面積的逐漸減小，流體的運(yùn)動(dòng)受到收縮作用，壓力減小。因此在經(jīng)過異徑管段后，內(nèi)、外流道存在一個(gè)與流量大小相對(duì)應(yīng)的低壓損、低能耗的微小壓力差，可以通過置于側(cè)壁的MEMS力敏芯體測(cè)取。
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圖2 管道內(nèi)的流場(chǎng)圖
如圖2所示，流體在異徑管內(nèi)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(nèi)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(nèi)徑，假設(shè)從截面A-A*到截面B-B*流線不發(fā)生增加或者減少，即任何A-A*面上一微元ds都可以沿著流線找到在B-B*面上的映射ds*，則在流道1內(nèi)任一流線上有：
對(duì)于流道2內(nèi)任一流線上有：
式中：p0為截面A-A*處的壓強(qiáng)；p1，p2分別為截面B-B*處內(nèi)、外的壓強(qiáng)；v1，v1’，v2，v2’分別為兩流線進(jìn)出位置的流速；wf1、wf2分別為兩流線上的粘性損耗。
根據(jù)納維爾—斯托克斯（N-S）方程可以推導(dǎo)出流量與壓差關(guān)系模型為：
式中：
其中：φ為無量綱系數(shù)，它與擴(kuò)散角θ有關(guān)；當(dāng)θ角較小且過渡圓滑時(shí)，ζ為0.005－0.05。
通過上式可以通過壓差來計(jì)算流量，為了平衡擴(kuò)張和壓縮作用以及盡量減少能量損失，當(dāng)θ＝7°，φ＝0.13，ζ＝0.02，且流量Q為61.1L/min，即在該管徑下流速為1m/s時(shí)，對(duì)異徑管尺寸進(jìn)行優(yōu)化為：a＝0.4r0，b＝0.8r0，a＝2.9264，b＝3.1109，α+β＝6.0373，α/β＝0.9407
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