热对流式传感器

1、热对流式传感器热对流是自然界中客观存在的基本物理现象之一，例如冬天的暖气片、大洋的洋流以及地幔的运动等，任意存在温差的流体或者液体之间总是不停的发生由于质点位移而产生的热交换直到温差消失为止。热对流式传感器指的是利用外界物理量（例如加速度、流体以及角速度等）改变流体原有的对流热交换状态，导致流场内的温度分布发生变化，最后将温度变化转换为电信号的输出的传感器。相对于传统的基于力检测原理的传感器，热对流传感器使用流体代替敏感单元，因此它具有结构简单抗外部冲击以及灵敏度高、线性度高的特点。通过不断采用新结构、新工艺以及新材料，热对流式传感器在精密测量领域会有更加非常广泛的应用。热对流的基本定义以及原

2、理热量传递是由于物体内或系统内的两部分之间的温度差而引起的，热量传递方向总是由高温处自动地向低温处移动。温度差越大，热能的传递越快，温度趋向一致，就停止传热。所以传热过程的推动力是温度差。根据传热机理的不同，热量传递的基本方式有三种：即热传导、热对流和热辐射。热对流又称对流传热,是指流体中质点发生相对位移而引起的热量传递过程。热对流可分为自然对流和强制对流，强制对流传热状况比自然对流好。热对流这种传热方式仅发生在液体和气体中。对流传热实质上就是由于流体质点的宏观运动而引起的热量传递。通常传热的冷热两个流体总是通过某金属壁面进行热量交换，其表现就是流体将热量传给壁面或者由壁面将热量传给流体的过程

3、。热对流的基本模型以及传热方程流体沿固体壁面流动时，无论流动主体湍动的多么激烈，靠近管壁处总存在着一层层流内层。由于在层流内层中不产生与固体壁面成垂直方向的流体对流混合，所以固体壁面与流体间进行传热时，热量只能以热传导方式通过层流内层。虽然层流内层的厚度很薄，但导热的热阻值却很大，因此层流内层的热传导将产生较大的温度差。另一方面，在湍流主体中，由于对流使流体质点混合剧烈，热量十分迅速的传递，因此湍流主体中的温度差极小，其传热就是典型的对流传热。层流，内层憨谥佻换遇普購那刖评伽区比繼区|II图1对流传热的温度分布示意图图1对流传热的温度分布示意图,由于层流内层的导热热阻大,所需要的推动力温度差就

4、比较大,温度曲线较陡,几乎成直线下降。一般将流动流体中存在温度梯度的区域称为传热边界层。流传导的基本物理量定义以及公式如下：热传导遵循傅里叶定律：1)dTdx式中，为热流量(J/s或者W),九为热传导系数(J.m-i.K-i.s-1),A为传热面积(m2),Td为温度梯度(K.m-1)热流量或者热流密度定义为：q/A(2)其中导热系数九为：九九G+C/(p*d/T)(3)eo影响对流传热系数的因素凡是影响边界层导热和边界层外对流的条件都和九有关,目前所能设计的实验表明,影响九的因素主要有：流体的种类,如液体、气体和蒸汽；流体的物理性质,如密度、黏度、导热系数和比热容等；5)流体的相态变化，在传

5、热过程中有相变发生时的九值远大于没有相变发生时的九值；流体对流的状况,强制对流时的九值大于自然对流时的九值；流体的运动状况，湍流时的九值大于层流时的九值；传热壁面的形状、位置、大小、管或板、水平或垂直、直径、长度和高度等。热对流式传感器的基本结构以及工作原理热对流式传感器的基本原理是基于流体和固体之间的热交换原理，一般为在一个腔体之内存在加热元件以及一组对称的热敏元件。当加热元件工作时，会把腔体中的流体加热，在流体稳定的条件下，热流体会与周围较冷的流体发生热对流传导。在自然对流的情况下，两个热敏元件探测的温度是相等的。如果在外界的作用力下发生强迫热交换，即打破原本的热对流状态，那么两边的温度变

6、化会导致热电阻的电阻值变化。这种阻值变化可以反映外界物理量的变化，因此这种器件可以用来测量外部加速度，角速度以及流体流量等的变化。图2热流式传感器的基本结构以及温度分布在图中，加热丝由于热对流引起的热量耗散量为：4)Q=兀Dhl（TT）CHF式中，1为热丝长度，D为热丝的直径，h为热对流换热系数，为热丝温度，Tf为流体温度。根据强迫对流热交换理论，可以得到热丝散失的热量与流体的速度之间存在的关系式：-T）HF式中，A、B为与热对流传导率与热丝的几何尺寸有关的物理常数。设热丝电阻为RH，通过它的电流为I，则热丝单位时间内产生的焦耳热Q1为Q二12R（6）1HH当达到热平衡时，即有Q=Q1C12R

7、HH+B.V-T）HF（7）上式为流体与热丝热交换达到恒定时的表达式。根据两边热敏元件的温度差异，通过惠斯通电桥就可以测得流体的状态。测量电路3.1热流式传感器的测量电路热流式传感器基于温度差分输出电压测量原理，因此基本调理电路是针对于Wheatstone电桥的差分电压放大电路。由于热流式加速度传感器的工作原理是基于热传导，因此它的响应频率比较低，在电压放大的基础上增加了带宽补偿电路，通用补偿方法有自动增益控制（AGC）、系统传递函数以及零极点并联（串联）补偿法以及发射极电容补偿方法1。图3流式传感器调理以及补偿电路热流式传感器的温度补偿热流式传感器一般工作在恒温条件下，当环境温度发生变化时，

8、将会给测量带来误差，因此一般采用桥接方式以及热敏电阻补偿器方法环境温度引起的测量误差。图4热流量传感器测量电路图中Rl,R2,R3是固定电阻器，Rh是传感器电阻，Rf是用于感测流体温度的电阻，具有温度系数，可以补偿环境温度变化对测量结果的影响。当流体温度不随时间变化而变化时，Rf是一个常数。若假设在室温条件下，R2R3，且Rf=Rh（Rh是室fh温条件下的电阻值），则电源提供的电流大部分都流向R3和Rh支路。接通电源后，Rh被加热，阻值升高到Rh时，电桥处于平衡状态。TOC o 1-5 h zR=（R+R）（R/R）（8）hlf32相应的输出电压V在数值上则为电阻R的变化量，即olhV=（R-

9、R）=（R-R）（9）olhhhf在实际测量过程中，Rf的阻值经常会发生变化，由于Rf与Rh的变化率不一致，输出电压也不再与Rf的变化成正比关系，造成测量误差。设在0C是，电阻Rf的阻值为RfO，当流体温度为T时，R3的值为l0)R二RG+aT）=R+aRTff0ff0f0f当电桥平衡时，有ll)为了使Rh与Rf具有相同的变化率，必须对Rh进行斜率补偿，即对上式的第二项乘以一个系数R2/R3，令补偿后的Rh的值为Rc，即R=cR-(Rh1+Rf0R212)因此，进行电阻的变化率对惠斯通电桥的输出温度漂移进行了校正。热对流式传感器的应用4.1热流式加速度传感器热对流加速度计包含一个密闭的腔体，腔

10、体中充有流体，其中有一个把腔体中加热元件周围的流体加热，加热后的流体发生膨胀而密度下降，在重力的作用下上升，周围相对冷的流体填补到空位置上，这样反复循环而造成热对流传导。加热元件和两个敏感元件都是悬空的，结构如图所示2-4。图5热流式加速度传感器的结构流体围绕它们做对流运动，保证能够较好地传热。当除了重力加速度以外没有其他加速度时，流体的流动是在垂直于通过热源的平面上关于中间加热元件对称的，两个热敏元件探测的温度是相等的。如果对这个密封腔体加一个横向的加速度或者产生一个倾斜，那么气体分子由于加速度或者倾斜的对流形式的变化，从而使对称的热敏元件的温度产生差异。如果热敏元件是电阻的话，那么用一个简

11、单的Wheatstone电桥电路就可以把热敏电阻的差值测量出来，这个差值和它的加速度有一个比例的关系。微加速度计目前广泛应用于许多不同的领域，诸如机器人、消费、通讯电子、娱乐以及机械电子设备，测量加速度和倾斜主要应用压电、压阻、力平衡以及电容加速度计。压电加速度计无法测量静态信号，压阻式加速度传感器受外部环境的影响因素较大，力平衡式加速度传感器精度非常高但是成本高昂，电容式加速度传感器主要受限于体积。热流式传感器相较于上述加速度器件的主要优点为体积下、重量轻、抗冲击能力强以及性能优良等特点，可以轻松承受其几千倍量程的冲击，但是它的输出性能随着加热功率的变化而变化，而且它的功耗比一般微加速度计要

12、大。热流式加速度传感器发展至其技术比较成熟，典型的代表有美新半导体（MEMSIC）公司的MX系列热流式加速度传感器，其具有优异的稳定性以及高达50,000g的抗冲击性能5。结构如下图所示：图6美新MX系列热流式加速度传感器内部结构图热流式微流量传感器根据工作模式可以把热流式微流量传感器分为：热损失式微流量传感器、热行程式微流量传感器和热分布式微流量传感器。热分布式微流量传感器又称为热梯度式微流量传感器，它是通过测量流体流动引起微加热器两端温度非对称性的变化量，再通过实验标定来确定流体的流量，工作原理如图所示6。图7流式微流量传感器中间的微加热器对微流量传感器的微流道进行加热，微流道中流体流量为

13、零时，微流道壁上的轴向温度分布如图中的虚线所示，相对于微加热器是对称分布的。当流体流量不为零时，由于流体对微流道的非均匀冷却促使微流道内壁表面形成一个热边界层其厚度随着流体从微流道的上游向下游运动距离的加大而增加。这表明随着流体流向加热器时，流体的温度不断上升7。图8流式微流量传感器的温度分布由于热边界层的存在，微流道壁上的轴向温度相对于微加热器不再是对称分布，沿流体流向，上游温度传感器的温度将低于下游温度传感器的温度，这时微流道壁上的轴向温度分布如图中的实线所示。因此，利用加热器两侧对称制作的两个温度传感器就可以测出这个温度差。在分别测得上、下游温度传感器温度差的情况下，可导出流体流量g，即

14、：Aq-KATmPCp式中：P为微加热器的加热功率；Cp为被测流体介质的定压比热容；A为微加热器与周围环境热交换系统之间的热传导系数；K为系统修正系数。在本论文中，因微流道壁材料为石英，具有相对较高热导率，且其值不变，因此A的变化可简化为主要是流体边界层热导率的变化。当流体在某一流量范围时，A、Cp均可视为常量，则流体流量仅与上、下游温度传感器的温度差成正比，如图中A段所示。图9体流量与温度传感器温差关系A段为微流量传感器正常测量范围，微流量传感器中流体带走少量热量；流量增大超过A点时，有更多的热量被带走而呈现非线性；流量超过B点则大量热量被带走。为了获得良好的线形输出，必须保持层流流动。因微加热器和温度传感器的尺寸以及两者间距离均很小，且微流道的内径尺寸也很小，所以微流量传感器检测精度较高，加热所需的能量也很少。热流式传感器现已广泛应用于公共、食品、能源、冶金以及卫生领域中的流体流量测量，其工作稳定，对微小流量灵敏度高，如下图10所示。8图10贝尔分析仪器系列的气体流量传感器参考文献梁长垠，张守权.热流量传感器温度补偿方法研究J.传感器与微系统,2006,25(4):18-19.李立杰，梁春广.微机械热对流加速度计J.半导体学报,2001,22(4):465-468.王俊云.热对流式加速度传感器原理及应用J.世界产品与技术,200