工作原理
目前,熱流量傳感器的工作原理主要有熱損失型和熱溫差型。當(dāng)流體流過(guò)加熱體的時(shí)候,上游的溫度下降會(huì)比下游快,從而導(dǎo)致加熱體附近熱場(chǎng)會(huì)發(fā)生變化。通過(guò)測(cè)量這個(gè)溫度差可以同時(shí)反映風(fēng)速和風(fēng)向。
對(duì)于二維熱溫差型風(fēng)速計(jì)芯片,對(duì)流體感生的溫度梯度進(jìn)行分解,可以得到
式中s為溫差對(duì)風(fēng)速的靈敏度系數(shù)。
對(duì)于阻值為R溫度系數(shù)為α的測(cè)溫電阻,惠斯通電橋的輸出電壓分量為
3 有限元模擬
為了縮短研發(fā)周期,研究熱風(fēng)速計(jì)在不同風(fēng)速和風(fēng)向情況下的表面溫度分布,利用ANSYS對(duì)恒功率工作方式下的芯片表面溫度進(jìn)行了一系列模擬。為了便于ANSYS實(shí)體建模,進(jìn)行了一些簡(jiǎn)化:考慮到鈦鉑電阻的厚度很薄而且間隙很小,用薄膜代替,并采用等效熱導(dǎo)率。此外,壓焊塊的影響也被忽略。加熱電阻半徑為450 μm,四周扇形測(cè)溫電阻內(nèi)徑為500 μm,外徑為1200 μm?紤]到風(fēng)吹過(guò)芯片表面要符合層流邊界條件,模型中空氣層的厚度取為500 μm。
為了提高有限元模擬的精度,利用ANSYSICEM CFD的模塊(Block)方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分,然后導(dǎo)入ANSYS CFX進(jìn)行計(jì)算與分析。具體實(shí)施在CFX-Pre中,定義出流體域和固體域,并設(shè)置流-固耦合面和邊界條件;設(shè)置計(jì)算參數(shù),并將結(jié)果送入CFX-Solver進(jìn)行計(jì)算;利用CFX-Post查看計(jì)算結(jié)果。從圖2可以看出,熱損失和熱溫差原理都可以用于風(fēng)速測(cè)量,但是后者輸出較小,且存在量程限制。當(dāng)風(fēng)速較大時(shí),由于上風(fēng)口不可能比環(huán)境溫度更低,而下風(fēng)口不可能比加熱條溫度更高,所以△T會(huì)飽和,熱溫差測(cè)量風(fēng)速的時(shí)候量程受限。圖3為幾個(gè)典型風(fēng)速情況下,芯片的溫差隨著風(fēng)向360°變化時(shí)都呈正弦變化。
4 測(cè)試結(jié)果
本傳感器加工工藝簡(jiǎn)單,利用單步剝離工藝即可在玻璃襯底上完成芯片加工。在室溫下,芯片加熱條和測(cè)溫電阻分別為400 Ω和2 kΩ,溫度系數(shù)為1.05×10-3。本文在恒定加熱功率工作方式下,對(duì)不同風(fēng)速情況下的傳感器進(jìn)行了360°風(fēng)向測(cè)試。測(cè)試方法為固定加熱條電壓,將測(cè)溫電阻接成惠斯通電橋,然后利用儀器放大器進(jìn)行放大輸出。當(dāng)加熱條兩端電壓為2 V時(shí),輸出電壓如圖4所示,兩路輸出隨風(fēng)向分別隨角度呈正弦和余弦變化。經(jīng)過(guò)反正切計(jì)算,誤差不超過(guò)10%。圖中T132,T135為風(fēng)速分別在2,5 m/s時(shí)測(cè)溫電阻1,3間的溫差;T242,T245為風(fēng)速分別在2,5m/s時(shí)測(cè)溫電阻2,4間的溫差。
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