本發(fā)明屬于微納機(jī)電系統(tǒng)傳感器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于巨壓阻傳感器的高靈敏度氣體流量測(cè)量裝置及方法。

背景技術(shù)：

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，氣體流量的測(cè)量在工業(yè)生產(chǎn)源頭以及過(guò)程控制中占有越來(lái)越重要的地位，氣體的流量參數(shù)逐漸成為各種科學(xué)實(shí)驗(yàn)、工業(yè)生產(chǎn)和進(jìn)行經(jīng)濟(jì)核算所必需的重要參數(shù)。在工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化程度越來(lái)越高的當(dāng)今時(shí)代，氣體流量傳感器在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的作用日益重要，高靈敏度和高精度的氣體流量測(cè)量，有助于人們更好的掌握氣體的流動(dòng)過(guò)程，從而優(yōu)化生產(chǎn)工藝，更好的提高生產(chǎn)質(zhì)量與效率。一般而言，在涉及到氣體流量傳感器使用的社會(huì)各行業(yè)中，氣體流量傳感器的測(cè)量靈敏度、測(cè)量精度、工作穩(wěn)定性、環(huán)境適應(yīng)能力、智能化水平以及性價(jià)比等各指標(biāo)都會(huì)極大地影響著該種類(lèi)行業(yè)的發(fā)展，例如，氣體能源等領(lǐng)域使用的傳統(tǒng)氣體流量測(cè)量?jī)x器存在穩(wěn)定性差、容易受到溫度影響、靈敏度和精度較低的問(wèn)題，無(wú)法滿足越發(fā)提高的現(xiàn)實(shí)要求，因而迫切需要靈敏度和精度更高的氣體流量傳感器。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種基于巨壓阻傳感器的高靈敏度氣體流量測(cè)量裝置及方法，利用硅鋁異質(zhì)結(jié)巨壓阻傳感器極大地提升了測(cè)量裝置的靈敏度和準(zhǔn)確性。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種基于巨壓阻傳感器的高靈敏度氣體流量測(cè)量裝置，包括若干個(gè)均勻環(huán)繞安裝在被測(cè)氣體的管道外壁上的巨壓阻傳感器，每個(gè)巨壓阻傳感器包括自下至上依次疊放的玻璃基底層、硅底層和絕緣二氧化硅層，所述絕緣二氧化硅層上表面的四周分別設(shè)置有一組硅鋁異質(zhì)結(jié)，每組硅鋁異質(zhì)結(jié)包括自內(nèi)而外依次嵌套的內(nèi)層硅、中間層鋁和外層硅，硅鋁異質(zhì)結(jié)的兩端均設(shè)置有金屬邊，每個(gè)金屬邊各自通過(guò)引線連接金屬片，金屬片通過(guò)其上引出的電極連接有鋁端子。

進(jìn)一步的，所述硅底層底部向上設(shè)置有凹槽，位于凹槽上方的硅底層為巨壓阻傳感器的受力應(yīng)變薄膜。

進(jìn)一步的，所述硅鋁異質(zhì)結(jié)為圓柱狀結(jié)構(gòu)，其中內(nèi)層硅和中間層鋁之間的硅鋁接觸區(qū)域形成第一接觸勢(shì)壘，中間層鋁和外層硅之間的硅鋁接觸區(qū)域形成第二接觸勢(shì)壘。

進(jìn)一步的，所述四組硅鋁異質(zhì)結(jié)分別設(shè)置于絕緣二氧化硅層上表面的四周，其中兩組面對(duì)面設(shè)置硅鋁異質(zhì)結(jié)位于受力應(yīng)變薄膜相對(duì)應(yīng)的范圍內(nèi)，另外兩組面對(duì)面設(shè)置的硅鋁異質(zhì)結(jié)位于受力應(yīng)變薄膜相對(duì)應(yīng)的范圍外，位于受力應(yīng)變薄膜相對(duì)應(yīng)的范圍內(nèi)兩組硅鋁異質(zhì)結(jié)的連線與位于受力應(yīng)變薄膜相對(duì)應(yīng)的范圍外兩組硅鋁異質(zhì)結(jié)的連線互相垂直。

進(jìn)一步的，位于受力應(yīng)變薄膜相對(duì)應(yīng)的范圍內(nèi)兩組硅鋁異質(zhì)結(jié)是被測(cè)端；位于受力應(yīng)變薄膜相對(duì)應(yīng)的范圍外兩組硅鋁異質(zhì)結(jié)是參考端。

進(jìn)一步的，相鄰的巨壓阻傳感器相對(duì)于被測(cè)氣體的管道軸向的旋轉(zhuǎn)角度為120°。

進(jìn)一步的，所述被測(cè)氣體的管道內(nèi)壁上設(shè)置有若干個(gè)溫度傳感器。

進(jìn)一步的，氣體流量測(cè)量裝置還包括電源、信號(hào)調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)、顯示器和HID，其中信號(hào)調(diào)理電路包括運(yùn)算放大器和濾波器，

進(jìn)一步的，所述電源分別連接巨壓阻傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)，并為其供電；所述巨壓阻傳感器的電極和溫度傳感器分別連接運(yùn)算放大器，再經(jīng)濾波器和A/D轉(zhuǎn)換器傳遞至單片機(jī)，所述單片機(jī)連接顯示器和HID。

進(jìn)一步的，所述電源通過(guò)供電電極向巨壓阻傳感器和溫度傳感器提供基準(zhǔn)恒流源。

進(jìn)一步的，所述單片機(jī)是MCU，其型號(hào)為STM32，所述顯示器為液晶顯示屏，其型號(hào)為L(zhǎng)CD12864，所述溫度傳感器的型號(hào)為DHT11，所述HID為L(zhǎng)ED燈。

一種基于巨壓阻傳感器的高靈敏度氣體流量測(cè)量方法，包括以下步驟：

(1)讓被測(cè)氣體通過(guò)安裝有巨壓阻傳感器和溫度傳感器的管道，巨壓阻傳感器將測(cè)得的信號(hào)發(fā)送給信號(hào)調(diào)理電路，然后由單片機(jī)處理后得到數(shù)字化的差壓值△P，代入公式測(cè)得氣體流速v_eff，其中s為巨壓阻傳感器與管道的接觸面積，ρ為氣體密度，氣體密度通過(guò)查表或者公式ρ＝m/V計(jì)算得出，c為常數(shù)；

(2)將氣體流速v_eff帶入公式得到管道壓力其中μ為氣體粘滯常數(shù)，R為管道半徑，l為管道長(zhǎng)度，k_dh為管道摩擦常數(shù)；

(3)阻力l為通道長(zhǎng)度，k_dh為管道摩擦常數(shù)；

(4)通過(guò)步驟(2)中得到的管道壓力和步驟(3)得到的阻力，計(jì)算氣體體積流量此時(shí)，管道壓力信號(hào)與流量線性相關(guān)；

為了考慮環(huán)境溫度對(duì)氣體本身的影響，對(duì)氣體體積流量公式進(jìn)行改進(jìn)，則氣體體積流量計(jì)算公式為其中T_C為溫度傳感器標(biāo)定時(shí)的溫度，T₀為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的溫度，T為氣體流量測(cè)量裝置實(shí)際的工作溫度；

利用單片機(jī)根據(jù)改進(jìn)的氣體體積流量計(jì)算公式輸出溫度補(bǔ)償以后的氣體流量值，并在顯示器上進(jìn)行顯示。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

本發(fā)明讓被測(cè)氣體通過(guò)安裝有巨壓阻傳感器和溫度傳感器的管道，由此測(cè)量出壓力差，然后氣體流量測(cè)量裝置通過(guò)檢測(cè)出被測(cè)端與參考端的壓力差值，輸出相應(yīng)的弱電壓信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器放大后，經(jīng)濾波器提供給STM32自帶的A/D轉(zhuǎn)換器，就可以得到數(shù)字化的差壓值，測(cè)得通過(guò)管道的氣體流量，提高裝置的測(cè)量精度；溫度傳感器測(cè)量管道內(nèi)部溫度，送給單片機(jī)做溫度補(bǔ)償，進(jìn)一步提高裝置的測(cè)量精度。本發(fā)明采用硅鋁異質(zhì)結(jié)作為測(cè)量結(jié)構(gòu)，在相同應(yīng)力下產(chǎn)生更大的阻值變化，使得壓阻系數(shù)與應(yīng)變系數(shù)成倍的增加，極大地提升了靈敏度，使得測(cè)量數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確；巨壓阻傳感器以120°角環(huán)繞安裝在通過(guò)待測(cè)氣體的管道上，可以測(cè)量管道不同位置的數(shù)據(jù)，得到了更為真實(shí)的氣體流量值。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明中巨壓阻傳感器的安裝示意圖；

圖2是本發(fā)明中溫度傳感器的安裝示意圖；

圖3是本發(fā)明中巨壓阻傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的俯視圖；

圖4是本發(fā)明中硅鋁異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本發(fā)明中硅鋁異質(zhì)結(jié)的截面圖；

圖6是本發(fā)明中圖3中A-A的剖面圖；

圖7是本發(fā)明的模塊框圖；

圖8是本發(fā)明中氣體流量測(cè)量流程圖；

其中：1-巨壓阻傳感器，2-硅鋁異質(zhì)結(jié)，3-金屬邊，4-引線，5-金屬片，6-電極，7-鋁端子，8-內(nèi)層硅，9-第一接觸勢(shì)壘，10-中間層鋁，11-第二接觸勢(shì)壘，12-外層硅，13-絕緣二氧化硅層，14-硅底層，15-玻璃基底層，16-受力應(yīng)變薄膜，17-溫度傳感器。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說(shuō)明。

一種基于巨壓阻傳感器的高靈敏度氣體流量測(cè)量裝置，包括若干個(gè)均勻環(huán)繞安裝在被測(cè)氣體的管道外壁上的巨壓阻傳感器1，每個(gè)巨壓阻傳感器1包括自下至上依次疊放的玻璃基底層15、硅底層14和絕緣二氧化硅層13，所述絕緣二氧化硅層13上表面的四周分別設(shè)置有一組硅鋁異質(zhì)結(jié)2，每組硅鋁異質(zhì)結(jié)2包括自內(nèi)而外依次嵌套的內(nèi)層硅8、中間層鋁10和外層硅12，硅鋁異質(zhì)結(jié)2的兩端均設(shè)置有金屬邊3，金屬邊3作為防護(hù)，每個(gè)金屬邊3各自通過(guò)引線4連接金屬片5，金屬片5通過(guò)其上引出的電極6連接有鋁端子7。

如圖1所示，若干個(gè)均勻環(huán)繞安裝在被測(cè)氣體的管道外壁上的巨壓阻傳感器1，相鄰的巨壓阻傳感器1相對(duì)于被測(cè)氣體的管道軸向的旋轉(zhuǎn)角度為120°，巨壓阻傳感器1的玻璃基底層15接觸被測(cè)氣體的管道外壁，在應(yīng)用時(shí)，使得多個(gè)巨壓阻傳感器1能共同作用，測(cè)得管道不同位置的信息，提高數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性，單片機(jī)將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，可得到真實(shí)的氣體流量值。

如圖2所示，所述被測(cè)氣體的管道內(nèi)壁上設(shè)置有若干個(gè)溫度傳感器17，優(yōu)選為兩個(gè)溫度傳感器17，用于補(bǔ)償外界溫度變化對(duì)氣體本身影響而帶來(lái)的誤差，減少環(huán)境誤差帶來(lái)的影響。

如圖4和5所示，所述硅鋁異質(zhì)結(jié)2為圓柱狀結(jié)構(gòu)，且內(nèi)層硅8、中間層鋁10和外層硅12為同心圓，其中內(nèi)層硅8和中間層鋁10之間的硅鋁接觸區(qū)域形成第一接觸勢(shì)壘9，中間層鋁10和外層硅12之間的硅鋁接觸區(qū)域形成第二接觸勢(shì)壘11。

如圖6所示，所述硅底層14底部向上設(shè)置有凹槽，位于凹槽上方的硅底層14為巨壓阻傳感器1的受力應(yīng)變薄膜16。

如圖3所示，所述四組硅鋁異質(zhì)結(jié)2分別設(shè)置于絕緣二氧化硅層13上表面的四周，其中兩組面對(duì)面設(shè)置硅鋁異質(zhì)結(jié)2位于受力應(yīng)變薄膜16相對(duì)應(yīng)的范圍內(nèi)，另外兩組面對(duì)面設(shè)置的硅鋁異質(zhì)結(jié)2位于受力應(yīng)變薄膜16相對(duì)應(yīng)的范圍外，位于受力應(yīng)變薄膜16相對(duì)應(yīng)的范圍內(nèi)兩組硅鋁異質(zhì)結(jié)2的連線與位于受力應(yīng)變薄膜16相對(duì)應(yīng)的范圍外兩組硅鋁異質(zhì)結(jié)2的連線互相垂直。

位于受力應(yīng)變薄膜16相對(duì)應(yīng)的范圍內(nèi)兩組硅鋁異質(zhì)結(jié)2是被測(cè)端；位于受力應(yīng)變薄膜16相對(duì)應(yīng)的范圍外兩組硅鋁異質(zhì)結(jié)2，由于其不形變，則為參考端；利用被測(cè)端和參考端做差分運(yùn)算可以消除溫度等共模信號(hào)對(duì)巨壓阻傳感器本身測(cè)量信號(hào)的影響。

如圖7所示，氣體流量測(cè)量裝置，還包括電源、信號(hào)調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)、顯示器和HID，其中信號(hào)調(diào)理電路包括運(yùn)算放大器和濾波器，所示運(yùn)算放大器為差分放大電路是現(xiàn)有技術(shù)，所述電源分別連接巨壓阻傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)，并為其供電；所述巨壓阻傳感器的電極和溫度傳感器分別連接運(yùn)算放大器，再經(jīng)濾波器和A/D轉(zhuǎn)換器傳遞至單片機(jī)，所述單片機(jī)連接顯示器和HID，使用巨壓阻傳感器來(lái)測(cè)量氣體壓力，靈敏度數(shù)量級(jí)提高，通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路處理后，再由單片機(jī)MCU進(jìn)行溫度補(bǔ)償計(jì)算最終得到氣體流量；運(yùn)算放大器的輸入端連接了壓力傳感器的檢測(cè)端電極對(duì)以及參考端電極對(duì)，濾波器和A/D轉(zhuǎn)換器將得到的信號(hào)進(jìn)行處理，從而得到數(shù)字化的差壓值，單片機(jī)接收巨壓阻傳感器以及溫度傳感器發(fā)送的信號(hào)進(jìn)行算法處理，進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)計(jì)算出待測(cè)氣體的流量；最后將計(jì)算得到的結(jié)果在顯示器上進(jìn)行顯示。

所述電源通過(guò)供電電極向巨壓阻傳感器和溫度傳感器提供基準(zhǔn)恒流源。

所述單片機(jī)是MCU，其型號(hào)為STM32，所述顯示器為液晶顯示屏，其型號(hào)為L(zhǎng)CD12864，所述溫度傳感器的型號(hào)為DHT11，所述HID為L(zhǎng)ED燈，作為裝置顯示燈，用于顯示裝置是否正常工作。

為了達(dá)到較高靈敏度的測(cè)量，本發(fā)明采用了同心圓形式的硅鋁異質(zhì)結(jié)，使得壓阻系數(shù)與應(yīng)變系數(shù)成倍的增加，極大地提升了靈敏度，同時(shí)使得測(cè)得的數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。本發(fā)明在應(yīng)用時(shí)，氣體流經(jīng)管道，管道內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力，就會(huì)在應(yīng)變薄膜層形成一個(gè)沿應(yīng)力方向的應(yīng)力梯度分布，處于受力應(yīng)變薄膜上的硅鋁異質(zhì)結(jié)的壓力敏感結(jié)構(gòu)硅和鋁接觸區(qū)域的接觸勢(shì)壘會(huì)隨應(yīng)力的變化而變化，最終導(dǎo)致壓敏結(jié)構(gòu)的電阻發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)了巨壓阻效應(yīng)。

如圖8所示，一種基于巨壓阻傳感器的高靈敏度氣體流量測(cè)量方法，當(dāng)氣體流量測(cè)量系統(tǒng)接通電源時(shí)，表示裝置工作狀態(tài)的LED燈亮起，裝置進(jìn)入初始化界面，巨壓阻傳感器和溫度傳感器正常工作；

利用巨壓阻傳感器和溫度傳感器的輸出信號(hào)計(jì)算氣體流量的具體方法，包括以下步驟：

(1)讓被測(cè)氣體通過(guò)安裝有巨壓阻傳感器和溫度傳感器的管道，壓力傳感器測(cè)得相應(yīng)的數(shù)據(jù)，將測(cè)得的信號(hào)發(fā)送給信號(hào)處理電路；溫度傳感器將采集的數(shù)據(jù)傳送給信號(hào)處理電路進(jìn)行處理，減小環(huán)境因素帶來(lái)的誤差；輸出的電壓經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理得到數(shù)字化的差壓值△P，巨壓阻傳感器檢測(cè)出的被測(cè)端與參考端的數(shù)據(jù)計(jì)算差壓值△P，再進(jìn)行算法補(bǔ)償運(yùn)算得到去除了溫度影響的氣體流量值，其中差壓值△P，代入公式測(cè)得氣體流速v_eff，其中s為巨壓阻傳感器與管道的接觸面積，ρ為氣體密度，氣體密度通過(guò)查表或者公式ρ＝m/V計(jì)算得出，c為常數(shù)；

(2)將氣體流速v_eff帶入公式得到管道壓力其中μ為氣體粘滯常數(shù)，R為管道半徑，l為管道長(zhǎng)度，k_dh為管道摩擦常數(shù)；

(3)阻力l為通道長(zhǎng)度，k_dh為管道摩擦常數(shù)；

(4)通過(guò)步驟(2)中得到的管道壓力和步驟(3)得到的阻力，計(jì)算氣體體積流量此時(shí)，管道壓力信號(hào)與流量線性相關(guān)；

為了考慮環(huán)境溫度對(duì)氣體本身的影響，對(duì)氣體體積流量公式進(jìn)行改進(jìn)，則氣體體積流量計(jì)算公式為其中T_C為溫度傳感器標(biāo)定時(shí)的溫度，T₀為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的溫度，T為氣體流量測(cè)量裝置實(shí)際的工作溫度；

利用單片機(jī)根據(jù)改進(jìn)的氣體體積流量計(jì)算公式輸出溫度補(bǔ)償以后的氣體流量值，并在顯示器上進(jìn)行顯示；顯示時(shí)通過(guò)LCD12864液晶顯示屏進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示、溫度傳感器將測(cè)得的溫度傳輸給單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的溫度補(bǔ)償、系統(tǒng)顯示燈HID顯示系統(tǒng)是否正常工作。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。