MEMS傳感器的優化與動態試驗

前 言

現代液壓技術研究熱點由靜態特性向動態特性轉變，以往的經驗證明，靜態特性很完善的系統，運行后時常會發生振動、噪音等問題，這主要是由于系統動態特性研究不到造成的。出于種種目的，國內外對管道動特性進行了許多研究，非定常流動的油液，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進行，但實際上，系統中出現非定常流動的幾率并不亞于定常流動，所以研究并提高傳感器的動態性能對實現液壓系統動態測量具有重要意義。

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法測量液壓系統流量進行了理論和實驗研究，取得了一定進展，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的前提下更易獲得較高的信號水平，精度能滿足一般液壓系統，具有高的動態測量頻寬。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，通過置于上面的MEMS敏感芯體測取，并根據建立的壓差-流量關系模型，及仿真手段和實驗測試得出該狀態下的流量值。

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噴嘴和一個錐形漸擴管的組合：在異徑結構的內部，隨著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，隨著流道截面積的逐漸減小，流體的運動受到收縮作用，壓力減小。因此在經過異徑管段后，內、外流道存在一個與流量大小相對應的低壓損、低能耗的微小壓力差，可以通過置于側壁的MEMS力敏芯體測取。

圖2 管道內的流場圖

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也是外流道的進出口處內徑，假設從截面A-A*到截面B-B*流線不發生增加或者減少，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內任一流線上有：

對于流道2內任一流線上有：

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’分別為兩流線進出位置的流速；wf1、wf2分別為兩流線上的粘性損耗。

根據納維爾―斯托克斯（N-S）方程可以推導出流量與壓差關系模型為：

式中：

其中：φ為無量綱系數，它與擴散角θ有關；當θ角較小且過渡圓滑時，ζ為0.005－0.05。