基于MEMS的液压系统流量传感器的理论与实验研究

摘要

随着机电液一体化技术的发展和故障诊断理论水平的进步,管路流量作为系统状态信息的丰富载体,越来越受到人们的重视,而液压工业需求价格低、快响应、满足一定精度的流量传感器的呼声也越来越强烈,因此具有体积小、功耗低、性能稳定、易于集成、批量生产成本极低的微机电(MEMS)传感器大有希望在此扮演重要角色。
　　本文在本研究小组提出了新的测量方法的基础上,通过对新方法建立数学模型,进行数值仿真与物理实验实现了液压系统流量的初步测试。
　　具体工作如下:
　　1.概括了新兴的MEMS技术特点及最新成果,确定了适合本课题的MEMS传感器类型—压阻式MEMS压力传感器,进而对其工作机理和技术参数进行了研究分析,选出了比较适合本课题研究的MEMS传感器。
　　2.推导了新型传感器的流量—压差关系数学模型,并对异径结构的参数进行了数值优化,设计制作了异径结构装置,并应用FLUENT软件对其进行仿真分析,研究了传感器内部的速度场和压力场,验证了所建立的数学模型并发现了有待完善之处,确定了力敏芯体的植入部位,并获得了压力差—流速曲线,之后仿真分析了实验条件下新流量传感器模型的流场特性。
　　3.在实验中对MEMS芯体进行了标定,制作了传感器样机,根据系统提供的油源进行测试,并用高精度的涡轮流量计对流量传感器的测量结果进行了比较,表明该新型传感器能够用于液压系统的流量测量,通过分析差异,得出传感器受结构参数影响的一般规律。同时与仿真曲线对比,分析了该传感器产生误差的原因,提出了改进办法。
　　一个新的传感器从理论产生到走出实验室还有很长的道路要走。该研究继续下去将对流量—压差机理进行深入探讨,建立与实际更加贴近的数学模型,优化出具有高信噪比、低能耗的结构参数,通过大量的实验来掌握这种新型流量传感器的测量规律,为今后在工程上的广泛应用打下坚实的基础。

目录

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 流量测量的一般概述

1.2 液压系统中的流量测量概述

1.2.1 流量测量在液压系统中的意义与特点

1.2.2 液压系统中流量测量的国内外研究现状

1.3 基于MEMS传感器的液压系统流量测量新方法

1.4 论文的研究背景及主要研究内容

1.4.1 论文的研究背景

1.4.2 论文的主要研究内容

第2章 MEMS简介及对MEMS传感器的选型

2.1 MEMS简介及国内外研究现状

2.2 MEMS微传感器的特点

2.3 MEMS力学流量传感器的原理及选型

2.3.1 力学流量传感器的原理

2.3.2 压阻式MEMS压力传感器工作原理

2.3.3 MEMS力学传感器的选型

2.4 本章小结

第3章 新型流量传感器的建模与尺寸优化

3.1 流量—压差关系模型的导出

3.2 异径管结构的优化设计

3.3 本章小结

第4章 新型流量传感器的仿真分析

4.1 CFD及其软件介绍

4.1.1 CFD简介

4.1.2 FLUENT软件概述

4.2 新流量传感器内外流场的计算机建模

4.2.1 异径管内外流场的计算步骤

4.2.2 异径管内外流场的几何建模

4.2.3 计算网格的划分

4.2.4 计算模型的建立

4.3 传感器内外流场仿真的一般性分析

4.3.1 仿真的条件

4.3.2 仿真结果与分析

4.4 传感器内MEMS力敏芯体置入位置的确定

4.5 压力差随流速变化的仿真分析

4.6 异径管上开口及支撑对流场影响的仿真分析

4.7 本章小结

第5章 新型流量传感器的实验研究

5.1 MEMS芯体的标定及传感器制作

5.1.1 MEMS芯体的标定

5.1.2 传感器制作

5.2 实验系统及测试条件

5.3 传感器实测和分析

5.3.1 基本测试

5.3.2 不同结构参数的测试对比

5.3.3 实验与仿真的对比标定

5.3.4 传感器的误差实验与分析

5.4 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 本文总结

6.2 相关工作展望

参考文献

致谢

研究生履历