CN104409072B - 基于导热结构的分子-电子感应式线性速度计的降噪方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于导热结构的分子‑电子感应式线性速度计的降噪方法，属于噪音的处理技术领域。本发明的目的是采用多/单管（螺旋管）导热结构，抑制了自身噪声的基于导热结构的分子‑电子感应式线性速度计的降噪方法。本发明由多热管或单热管结构组成，其中多热管或单热管可采用直管结构或多/单螺旋结构；热管放置在分子‑电子感应式线性速度计的反应腔内，反应腔外有隔热夹层；分子‑电子感应式线性速度计的单一圆柱形反应腔体结构和采用多/单管（螺旋管）导热结构的反应腔结构设计。有效提高腔内电解液的温度分部均匀度，缩短了温差造成的电解液内部热传导过渡过程，进而降低分子‑电子感应式线性速度计由温度分部不均造成的自身噪声。本发明方法从根本上提高了分子‑电子感应式线性速度计的信噪比，对提高其性能指标有很大的帮助。
Description
技术领域
本发明属于噪音的处理技术领域。
背景技术
分子-电子感应式线性速度计的自身噪声水平直接影响到其性能指标。其中，由其反应腔内电解液内部温差引起的热动力学噪声是其自身噪声的主要噪声源之一。抑制分子-电子感应式线性速度计的自身噪声，对提高其动态范围和灵敏度有十分积极的意义。目前国内外对分子-电子感应式线性速度计的自身噪声抑制还只限于对输出信号进行后端处理如滤波等，并无太好的降噪方法。
发明内容
本发明的目的是采用多/单管（螺旋管）导热结构，抑制了自身噪声的基于导热结构的分子-电子感应式线性速度计的降噪方法。
本发明由多热管或单热管结构组成，其中多热管或单热管可采用直管结构或多/单螺旋结构；热管放置在分子-电子感应式线性速度计的反应腔内，反应腔外有隔热夹层；分子-电子感应式线性速度计反应腔内电解液的热传递模型：
，其中是密度，是常压热容，是导热系数，T是应变参考温度，u是动力粘度，Q是热量；
分子-电子感应式线性速度计的单一圆柱形反应腔体结构和采用多/单管（螺旋管）导热结构的反应腔结构设计主要过程如下：
①在COMSOL Multiphysics 4.3a中建立三维动态模型；
②根据微流道感应腔设计尺寸，在步骤①所建模型内画出所设计的微流道加速度计微流道感应腔三维结构；三维模型是圆柱体，在腔体内画螺旋导热管；
③对模型中其它部分进行定义；
④对求解域进行网格剖分；
⑤对所建模型进行求解。
本发明通过采用多/单管（螺旋管）导热结构，有效减小了分子-电子感应式线性速度计反应腔内电解液内部的温差和温度分布不均度，缩短了由其引起的电解液内部的热传导过渡过程，进而抑制了在该过程中产生的自身噪声。在充分的研究了分子-电子感应式线性速度计反应腔内电解液的热传递模型以及温差分布模型后，再结合分子-电子感应式线性速度计的自身噪声模型，本专利提出了一种新型的多/单管（螺旋管）导热结构，并通过采用该结构的反应腔有效的降低了反应腔内电解液内部的温差，缩短了由其引起的电解液内部的热传导过程，进而抑制了在该过程中产生的自身噪声。有效提高腔内电解液的温度分部均匀度，缩短了温差造成的电解液内部热传导过渡过程，进而降低分子-电子感应式线性速度计由温度分部不均造成的自身噪声。本发明方法从根本上提高了分子-电子感应式线性速度计的信噪比，对提高其性能指标有很大的帮助。
附图说明
图1是分子-电子感应式线性速度计单一圆柱形反应腔体结构；
图2是未采用多/单管（螺旋管）导热结构与采用多/单管（螺旋管）导热结构的反应腔结构内部的t=0s时温度场变化的对比仿真结果；
图3是未采用多/单管（螺旋管）导热结构与采用多/单管（螺旋管）导热结构的反应腔结构内部的t=60s时流速场变化的对比仿真结果；
图4是M.E.T.腔内部结构示意图；
图5是分子-电子感应式线性速度计工作原理；
图6是未采用多/单管（螺旋管）导热结构与采用多/单管（螺旋管）导热结构的反应腔体内温度不均引起的自身噪声变化的对比仿真结果；
图7单管（螺旋管）导热结构横截面图；图中7是反应腔；8是腔体内灌装电解液；9是单根热管（采用螺旋结构）；10是外层隔热夹层；
图8单管（螺旋管）导热结构侧面图；图中91是单根热管的螺旋结构；11是多层电机结构；
图9是分子-电子感应式线性速度计采用多/单管（螺旋管）导热结构的反应腔结构。
具体实施方式
本发明由多热管或单热管结构组成，其中多热管或单热管可采用直管结构或多/单螺旋结构；热管放置在分子-电子感应式线性速度计的反应腔内，反应腔外有隔热夹层；分子-电子感应式线性速度计反应腔内电解液的热传递模型：
，其中是密度，是常压热容，是导热系数，T是应变参考温度，u是动力粘度，Q是热量；
分子-电子感应式线性速度计的单一圆柱形反应腔体结构和采用多/单管（螺旋管）导热结构的反应腔结构设计主要过程如下：
①在COMSOL Multiphysics 4.3a中建立三维动态模型；
②根据微流道感应腔设计尺寸，在步骤①所建模型内画出所设计的微流道加速度计微流道感应腔三维结构；三维模型是圆柱体，在腔体内画螺旋导热管；
③对模型中其它部分进行定义；
④对求解域进行网格剖分；
⑤对所建模型进行求解。
以下结合附图对本发明做进一步详细的描述：
新型/单管（螺旋管）导热结构由多热管或单热管结构组成，其中多热管或单热管可采用直管结构或多/单螺旋结构。热管放置在分子-电子感应式线性速度计的反应腔内，反应腔外有隔热夹层。
分子-电子感应式线性速度计反应腔内电解液的热传递模型：
，其中是密度，是常压热容，是导热系数，T是应变参考温度，u是动力粘度，Q是热量。
目前，分子-电子感应式线性速度计通常采用单一圆柱形反应腔体结构（如图1所示），在t时刻内，在相同条件下（相同的水基电解液、相同的外部温差、相同的多层电极结构），未采用多/单管（螺旋管）导热结构与采用多/单管（螺旋管）导热结构的反应腔结构内部的温度场变化的对比仿真结果如图2所示。
由于，反应腔体内的温度不均会造成反应腔体内电解液的对流效应，进而导致电解液流速场的变化。因此，在t时刻内，在相同条件下（相同的水基电解液、相同的外部温差、相同的多层电极结构），未采用多/单管（螺旋管）导热结构与采用多/单管（螺旋管）导热结构的反应腔结构内部的流速场变化的对比仿真结果如图3所示。
分子-电子感应式线性速度计的工作原理模型如下：
分子-电子感应式线性速度计由分子-电子涡流转换腔（M.E.T.腔），电磁反馈补偿系统、温度补偿系统、信号采集/处理电路、电源、外壳封装等组成。其中M.E.T.腔是分子-电子感应式线性速度计的核心部件，其内部结构如图4所示，包括电解液密封腔、电解液、电极、绝缘隔层、导线组成，而电极与绝缘隔层通常被整合封装在同一芯片中，被称为“电化学机理惯性敏感元件”（Sensing Element，以下简称“敏感元件”），是M.E.T.腔的核心部件。
电解液密封腔（1）内填充特殊配方的电解液（3），阳极（5）和阴极（6）安装在电解密封液腔内并被绝缘隔层（4）间隔开，电极（5）和（6）通过导线（2）与电解液密封腔外的信号采集/处理电路相连。其中电极（5）和（6）与绝缘隔层（4）封装在一起过程敏感元件。
分子-电子感应式线性速度计的工作原理如图5所示，当电压V加到电极两侧，经历短暂的过渡时间后，电极及外部桥电路之间产生了恒定的电流。当M.E.T.腔发生姿态变化，电解液随之产生流动（实际情况中电解液流动的变化量非常小），改变了电极之间带电离子的浓度，进而在外部电路上产生了变化的电流，并且该电流随着电解液流动的变化而变化。
上述过程可以用N-S方程和N-P方程来描述，其中在电极上的电子迁移情况可以用B-V方程来描述。由于以上方程都是多元偏微分方程，很难直接求解，因此借助有限元仿真软件仿真求解。
由分子-电子感应式线性速度计的工作原理模型可知，电解液流速场的变化将引起分子-电子感应式线性速度计输出的变化，即由反应腔体内的温度不均引起的自身噪声。因此，在相同条件下（相同的水基电解液、相同的外部温差、相同的多层电极结构），未采用多/单管（螺旋管）导热结构与采用多/单管（螺旋管）导热结构的反应腔体内温度不均引起的自身噪声变化的对比仿真结果如图6所示。
因此，以上数学模型以及仿真结果可建立分子-电子感应式线性速度计的反应腔体内温度不均与由腔体内温度不均引起的自身噪声的对应关系：与现有的未采用多/单管（螺旋管）导热结构的圆柱反应腔体结构相比，采用多/单管（螺旋管）导热结构的圆柱反应腔体可以更好的降低腔体内温度的不均匀性，缩短了温差造成的电解液内部热传导过渡过程，进而抑制了在该过程中产生的自身噪声。
本发明提出一种多/单管（螺旋管）导热结构，首次提出利用多/单管（螺旋管）导热结构抑制分子-电子感应式线性速度计的自身噪声。具体要求如下：
多/单管（螺旋管）导热结构与分子-电子感应式线性速度计自身噪声的对应关系；
可用于分子-电子感应式线性速度计的多/单管（螺旋管）导热结构。
1.根据设计指标及需求，确定分子-电子感应式线性速度计的单腔体结构；
2.根据图 7和图8所示，设计对应的多/单管（螺旋管）导热结构，并确定相关设计参数，如单管/多管结构、管长度等。
实施例：
分别设计1-300Hz分子-电子感应式线性速度计的单一圆柱形反应腔体结构和采用多/单管（螺旋管）导热结构的反应腔结构，并对其自身噪声作对比。
1-300Hz分子-电子感应式线性速度计的性能指标如表1所示。
表1 1-300Hz分子-电子感应式线性速度计性能指标
1-300Hz分子-电子感应式线性速度计的单一圆柱形反应腔体结构和采用多/单管（螺旋管）导热结构的反应腔结构设计主要过程如下：
（1）在COMSOL Multiphysics 4.3a中建立三维动态模型。
（2）根据微流道感应腔设计尺寸，在步骤（1）所建模型内画出所设计的微流道加速度计微流道感应腔三维结构。所画模型是高度为5cm、直径为1.5cm的圆柱体，根据需要在腔体内画螺旋导热管。
（3）对模型中其它部分进行定义，如定义Silicone[solid]的Basic(def)和Young's modulus and Poisson's ratio(Enu)以及Non-Isothermal Flow中的Fluid1、ThermalInsulation 1、Wall 1、Initial Values 1、Heat Transfer in Solids 1、Volume Force1、Temperature 1、Pressure Point Constraint 1等；
（4）对求解域进行网格剖分。
（5）对所建模型进行求解。
根据以上步骤所建立的1-300Hz分子-电子感应式线性速度计的单腔体结构如图1所示，采用多/单管（螺旋管）导热结构的反应腔结构如图9所示。
未采用多/单管（螺旋管）导热结构与采用多/单管（螺旋管）导热结构的反应腔结构内部的温度场变化的对比仿真结果如图2所示，仿真结果表明，未采用螺旋管导热结构的反应腔内部温度分布均匀度明显劣于采用导热结构的反应腔。
未采用多/单管（螺旋管）导热结构与采用多/单管（螺旋管）导热结构的反应腔结构内部的流速场变化的对比仿真结果如图3所示。由图可知，未采用导热结构的反应腔内部的流速场在同一层面出现了明显的两侧不均匀的状况，这一状况会引起湍流并同时增加传感器自身噪声，而采用导热结构的反应腔的流速场是以环状分布，同一环的速度一样，避免了湍流的发生。
未采用多/单管（螺旋管）导热结构与采用多/单管（螺旋管）导热结构的反应腔体内温度不均引起的自身噪声变化的对比仿真结果如图6所示。由图可清晰看出，采用导热结构的反应腔内噪声明显低于未采用导热结构的反应腔内噪声。
从图2、图3、图6可以清楚的看出，分子-电子感应式线性速度计的新型多/单管（螺旋管）温度补偿结构可降低反应腔体内电解液的内部温差，提高其内部温度分布均匀度，缩短由温差造成的电解液内部热传导过程，进而降低分子-电子感应式线性速度计由自身湍流以及温度分布不均造成的自身噪声。与目前分子-电子感应式线性速度计普遍采用的后端信号处理/滤波的降噪方法相比，本发明方法从信号前端降低了自身噪声，从根本上提高了分子-电子感应式线性速度计的信噪比，对提高其性能指标有很大的帮助。
Claims (1)
1.一种分子-电子感应式线性速度计反应腔结构的设计方法，其特征在于：分子-电子感应式线性速度计反应腔由多热管或单热管组成，其中多热管或单热管可采用直管或多/单螺旋；热管放置在分子-电子感应式线性速度计的反应腔内，反应腔外有隔热夹层；其中分子-电子感应式线性速度计反应腔内电解液的热传递模型：
，其中是密度，是常压热容，是导热系数，T是应变参考温度，u是动力粘度，Q是热量；
分子-电子感应式线性速度计的单一圆柱形反应腔体和采用多/单管或螺旋管导热的反应腔设计方法如下：
①在COMSOL Multiphysics 4.3a中建立三维动态模型；
②根据微流道感应腔设计尺寸，在步骤①所建模型内画出所设计的微流道加速度计微流道感应腔三维结构；三维模型是圆柱体，在腔体内画螺旋导热管；
③对模型中其它部分进行定义；
④对求解域进行网格剖分；
⑤对所建模型进行求解。
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