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气体摆式倾角传感器的敏感机理及影响性能的关键因素研究

郑永红  
【摘要】: 气体摆式倾角传感器的原理是利用自然对流气体在密闭腔体中的“摆”特性研制成的,其关键敏感结构由密闭腔体及其内部的热敏丝构成。由于没有摆动质量块,而且气体的质量也很小,所以气体摆式倾角传感器具有很强的抗振动和冲击能力,在许多领域都得到了广泛的应用。但是,目前气体摆式倾角传感器的设计制作主要是建立在实验基础上,器件的理论研究仍处于探索阶段。例如,对于密闭腔体内的流场与输出特性的关系、热源的辐射效应对传感器输出特性的影响和灵敏度要求较高条件下的温度漂移补偿问题等,都有待深入的研究和探讨。本文针对上述一些基本问题,主要开展了如下工作: 首先,分析了气体摆式倾角传感器密闭腔体内的流场特性参数与传感器输出特性的关系。通过建立控制方程、给定边界条件,运用有限元法对密闭腔体中的气体的流动进行了数值计算,并利用数值计算结果定量分析了气体摆式倾角传感器密闭腔体内的流场特性参数与传感器输出特性的关系。同时还探讨了不同敏感结构的输出特性,讨论了不同敏感结构对传感器性能的影响。 其次,理论分析了气体摆式倾角传感器密闭腔体内的传热问题。由于传热过程的不同,传热机制各异,本文根据不同的传热机制建立了物理模型,并根据物理模型分别计算了密闭腔体的传导、对流和辐射换热。计算结果表明:密闭腔体的辐射非常小,在进行传热分析时可以忽略不计。密闭腔体的导热换热量与对流换热量相当,在进行传热分析时,可通过导热换热进行简化分析。 然后,本文讨论了输出电压温度漂移的补偿问题。由于气体摆式倾角传感器受环境温度的影响较大,是影响其性能的关键因素之一,本文着重讨论了如何消除环境温度的影响。通过数值计算,研究了环境温度变化时腔体内流场的变化,理论分析了腔内流场变化对传感器性能的影响,根据流体力学的相似性原理,提出减小输出电压温度漂移的补偿方案;开展了原理性试验研究,论证了补偿方案的可行性;最后通过补偿电路的设计,验证了此方法的有效性,结果表明,加入补偿电路后,输出电压温度漂移减小至少达70%。 另外,本文对传感器的检测电路进行了改进,并根据改进的电路,对传感器的结构进行了优化。采用单片机对敏感电路进行数字放大和滤波,略去原来的放大和滤波电路,提高了产品稳定性,减小了零位漂移,并且大大减小了传感器的体积,降低了成本。最后,对调试好的传感器进行了常温输出信号的电性能测试和环境温度实验,实验结果表明,产品达到了设计要求,具有很高的可靠性。 全文以气体摆式倾角传感器密闭腔体中气体形成的对流场为主线,在数值仿真计算的基础上,理论分析了影响传感器性能的关键因素,分析了气体摆式倾角传感器的敏感机理。以流动相似性原理为依据,提出输出电压温度漂移的主动补偿方法。主要创新点包括: 1)建立了检测电路电桥输出电压随密闭腔体内自然对流场温度及速度的变化关系,定量分析了气体摆式倾角传感器输出性能与密闭腔体内自然对流场温度及速度的关系。研究表明,对于单一热源的气体摆式倾角传感器,温度场对热敏丝电阻的影响远大于速度场对热敏丝电阻的影响,说明点热源所形成的温度场对气体摆式倾角传感器敏感倾角起了决定性的作用,为深入分析气体摆式倾角传感器敏感机理提供了理论依据; 2)建立了气体摆式倾角传感器密闭腔体内的传热分析模型,根据模型首次定量计算了密闭腔体中对流、传导和热辐射换热。得到如下结论:腔体中的热辐射可以忽略,导热换热量与对流换热量相当。因此,在气体摆式倾角传感器的性能分析中,可以不计密闭腔体中热源的辐射效应; 3)根据流动相似理论,提出了消除环境温度影响的输出电压温度漂移补偿新方法,并进行了可行性的验证,最后通过电路设计和试验,说明了此方法的有效性。


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