- MEMS傳感器的優(yōu)化與動態(tài)試驗(yàn)
- 對現(xiàn)代液壓技術(shù)的研究
- 對新型MEMS傳感器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化
- 對MEMS芯體和流量傳感器進(jìn)行了靜態(tài)標(biāo)定
- 針對MEMS傳感器進(jìn)行了動態(tài)試驗(yàn)
前 言
現(xiàn)代液壓技術(shù)研究熱點(diǎn)由靜態(tài)特性向動態(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)行后時常會發(fā)生振動、噪音等問題,這主要是由于系統(tǒng)動態(tài)特性研究不到造成的。出于種種目的,國內(nèi)外對管道動特性進(jìn)行了許多研究,非定常流動的油液,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進(jìn)行,但實(shí)際上,系統(tǒng)中出現(xiàn)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(tài)性能對實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)動態(tài)測量具有重要意義。
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)獲得與流量對應(yīng)的差壓信號的新方法。相比之下新方法在對系統(tǒng)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(tǒng),具有高的動態(tài)測量頻寬。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)測試得出該狀態(tài)下的流量值。
圖1 MEMS傳感裝置結(jié)構(gòu)圖
2、MEMS傳感器壓差—流量模型
異徑結(jié)構(gòu)相當(dāng)于一個噴嘴和一個錐形漸擴(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)、外流道存在一個與流量大小相對應(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力敏芯體測取。
圖2 管道內(nèi)的流場圖
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,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,對異徑管尺寸進(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
將上述優(yōu)化解代入液壓實(shí)例中,管徑r0=18mm,油液密度ρ=870kg/m3,則對應(yīng): 該壓差值范圍附近易于應(yīng)用MEMS差壓傳感器進(jìn)行測量,圖3為在該結(jié)構(gòu)參數(shù)傳感裝置在流速為1m/s條件下的流場仿真情況,可以看到異徑管錐形部分內(nèi)外流道的壓力變化,外流道內(nèi)的壓力逐漸降低,內(nèi)流道內(nèi)的壓力逐漸升高,在異徑管后續(xù)直管段內(nèi)外壓力穩(wěn)定,形成一定壓力差。
圖3 內(nèi)部流場壓力分布情況
3、MEMS傳感器的靜態(tài)標(biāo)定
3.1 MEMS芯體標(biāo)定
在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究時,選取了一種壓阻式MEMS微型壓差敏感芯體,在組裝傳感器之前,采用了FLUKE 718 10G型壓力校準(zhǔn)儀(Pressure Calibrator)對芯體進(jìn)行標(biāo)定。FLUKE 718 10G型壓力校準(zhǔn)儀通過其自帶的一個主氣泵和一個微調(diào)氣泵可以輸出穩(wěn)定的-12~30psi(-83~207KPa)氣壓,精度達(dá)到±0.05%滿量程。實(shí)驗(yàn)所用的MEMS芯體額定工作壓力量程為6KPa(安全工作壓力十倍于滿量程),在10.00+/-0.01V激勵電壓下,用FLUKE壓力校準(zhǔn)儀標(biāo)定結(jié)果如下:
圖4 MEMS芯體的標(biāo)定
由圖可以看出,在額定工作壓力量程范圍內(nèi),芯體所受的壓差與輸出信號呈良好的線性關(guān)系,傳感器輸出信號隨壓力上升和下降過程中線性重合度非常好。多次標(biāo)定結(jié)果顯示傳感器有良好的重復(fù)性,這為以后實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性提供了有力保障,同時也說明所選壓阻式MEMS微型壓差敏感芯體的性能滿足實(shí)驗(yàn)要求。
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3.2 MEMS傳感器的標(biāo)定
新型MEMS傳感器的標(biāo)定是通過渦輪流量計(jì)來實(shí)現(xiàn)的。采用串聯(lián)在系統(tǒng)中的CLG15耐高壓渦輪流量計(jì)(名義精度為0.5%)和SO64C-1型流量測試儀進(jìn)行標(biāo)定。
打開電源,開啟液壓實(shí)驗(yàn)臺,在實(shí)驗(yàn)中對MEMS傳感器進(jìn)行在線標(biāo)定。待系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)后,調(diào)節(jié)變頻器頻率,先以5Hz增長幅度從25Hz調(diào)整到80Hz,再以5Hz降低幅度從80Hz調(diào)整到25Hz,同步記錄下流量測試儀SO64C-1測量到的流量和采集系統(tǒng)采集到的電壓信號。
圖5 新型MEMS傳感器流量——輸出電壓特性圖
圖6 新型MEMS傳感器流量——輸出電壓趨勢線
由圖中的趨勢線公式:y=0.6331x+0.0078 (5)
式中:x為渦輪流量計(jì)流量;y為MEMS傳感器輸出電壓。
可知,MEMS傳感器輸出電壓信號與液壓系統(tǒng)中流量呈線性關(guān)系,圖中R2表示該函數(shù)與散點(diǎn)圖的擬合程度,R2越接近1,則擬合程度越高。此時可以確定 MEMS傳感器標(biāo)度轉(zhuǎn)換系數(shù)為:a=0.6331;b=0.0078。這也為今后進(jìn)一步開發(fā)新型MEMS傳感器的可視流量表頭提供了理論依據(jù)。
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4、MEMS傳感器的動態(tài)試驗(yàn)
在動態(tài)試驗(yàn)中,保持液壓泵提供20L/min的工作流量,使用Wavebook512信號系統(tǒng)對MEMS傳感器輸出流量信號進(jìn)行采集,如圖7所示。盡管受到系統(tǒng)內(nèi)閥口、管路等造成的干擾,而且由于柱塞泵各柱塞在制造、安裝以及使用中產(chǎn)生的誤差和磨損造成的不均勻現(xiàn)象,導(dǎo)致流量波動曲線有些變形,但是還是可以很清晰的看出流量的波動周期約為60ms,即頻率16.7Hz。由于電動機(jī)工作在50Hz頻率,額定轉(zhuǎn)速1000r/min,因此相應(yīng)的軸向柱塞泵運(yùn)轉(zhuǎn)頻率也是1000/60=16.7Hz,這正與上面的測量結(jié)果吻合。
圖7 MEMS傳感器的瞬態(tài)流量信號
當(dāng)變頻器頻率調(diào)至80Hz時,電機(jī)轉(zhuǎn)速為1596r/min,柱塞的轉(zhuǎn)動頻率為186.2Hz,脈動總周期為37.6ms。調(diào)整新型MEMS傳感器高通濾波截止頻率為180Hz,低通濾波器截止頻率為200Hz,組合成為一個帶通濾波器,觀察新型MEMS傳感器時域圖,如圖8。從圖中可以看到在 37.6ms中包含了7個脈動,而用于試驗(yàn)動力源的軸向柱塞泵恰為7個柱塞,這說明新型MEMS傳感器能夠響應(yīng)200Hz的頻率。
圖8 電機(jī)工作在80Hz時新型MEMS傳感器帶通濾波時域圖
通過上述試驗(yàn)可以說明,盡管沒有標(biāo)準(zhǔn)高頻流量儀表來標(biāo)定,不能很準(zhǔn)確地讀出動態(tài)流量測量的精度,但是此時流量信號平均值與標(biāo)定后靜態(tài)流量值是一致的,說明結(jié)果是正確的,并且從整個試驗(yàn)過程來看,新型流量傳感器所能檢測到的流量脈動的最高頻率已經(jīng)超過200Hz,具有較高的頻響,這是孔板、渦輪、橢圓齒輪流量計(jì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到的。
5、結(jié) 論
(1)對新型MEMS流量傳感器的結(jié)構(gòu)和理論壓差—流量模型進(jìn)行了介紹,從理論模型可知,對于某一半徑的管路,當(dāng)液壓油密度為定值時,流量與壓力差之間的對應(yīng)關(guān)系取決與a和b的值,也就是異徑結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù),而與系統(tǒng)的靜壓力無關(guān)。α為流道1內(nèi)的擴(kuò)壓作用,β為流道2內(nèi)的壓縮作用,因此該式可以用來計(jì)算管內(nèi)的流量。
(2)對新型MEMS傳感器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化,通過仿真發(fā)現(xiàn),異徑管內(nèi)部進(jìn)口處有明顯的壓力突變,導(dǎo)致了異徑管內(nèi)部壓力反而比外部壓力小,這是由于理論分析時忽視了異徑管進(jìn)口處壓損造成的。但是在異徑管后續(xù)直管段內(nèi)外壓力穩(wěn)定,形成一定壓力差,這與理論分析是一致的。
(3)對MEMS芯體和流量傳感器進(jìn)行了靜態(tài)標(biāo)定,線性度良好。所選壓阻式MEMS微型壓差敏感芯體的性能滿足實(shí)驗(yàn)要求。確定了MEMS傳感器標(biāo)度轉(zhuǎn)換系數(shù),為今后進(jìn)一步開發(fā)新型MEMS傳感器的可視流量表頭提供了理論依據(jù)。
(4)針對MEMS傳感器進(jìn)行了動態(tài)試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)新型MEMS傳感器具有低擾動、高頻率響應(yīng)等特點(diǎn),適合用于液壓系統(tǒng)的動態(tài)測量。