CN105445490A - 一种智能仿生传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能仿生传感器，是由类蛊毛毛杆、转动副、弧形电容、电极引线组成，弧形电容是由弧形电容上片和弧形电容下片构成，电极引线是由电极上引线和电极下引线构成；类蛊毛毛杆与弧形电容上片装配成一体，形成类蛊毛结构，类蛊毛毛杆穿设在转动副的转轴中，电极上引线嵌入转动副内，电极下引线与弧形电容下片相连接。当有微小流体信号流过，类蛊毛毛杆受到气流的摩擦力和阻力，使类蛊毛毛杆发生偏转。类蛊毛毛杆基部的弧形电容将会发生面积改变。通过检测电容容量的变化，实现对气体微流速或微流量的测量。本发明适用于微小气体流速0～1m/s或微流量的检测，灵敏性高、精度高、体积小、经济性好，并且易于批量生产。

Description

一种智能仿生传感器

技术领域

本发明属于传感检测领域，具体涉及一种智能仿生气体微流速、微流量传感器。

背景技术

精确测量气体的微流速或微流量具有十分重要的意义。例如精确测量气体的微流速或微流量可以为监测大气和海洋环境提供必要的分析数据；保持飞船舱内的压力正常，需要对舱体进行检漏，精确检测出微小的漏率流量，这对长期运行的载人飞船尤为重要；电子工业和精细化工工业中，要求精确控制气体微流速或微流量的注入，以保证工艺质量和产品性能的稳定。

目前，主要的气体微流速或微流量检测方法有：机械式气体流量检测(包括膜式气体流量检测和涡轮式气体流量检测)、热线热膜式气体流量检测(HWA)(包括热线仪和基于微电子机械系统(MEMS)的热式气体质量流量检测)、超声和激光多谱勒微流速或微流量检测方法等。但是以上方法在实际应用过程中还存在一定的问题：机械式检测精度低、装置易老化且受温度影响大；HWA式检测时必须对传感器芯片电加热，因而功耗大且不适用于易燃易爆气体的检测；超声和激光多谱勒流速流量检测设备复杂价格昂贵，一般在精密测量实验室或标定其它流速计时使用，并且激光多普勒不适宜测量净化间的微流速或微流量。所以，研究具有灵敏度高、经济性好、稳定性好、以及抗干扰强的微流速或微流量检测装置具有重要的学术意义和广阔的工程前景。

生物在漫长的进化过程中形成了很多巧妙的结构，为仿生研究提供了优秀的蓝本。蝎子螯肢表面的蛊毛对周边空气极其微小的流速或微流量所具有的敏锐的感知能力，为仿生高灵敏的微流速或微流量检测装置的创成提供了很好的借鉴。本发明是在对蝎子蛊毛体表微流速或微流量感知机理研究的基础上，研发的气体微流速或微流量检测装置，具有体积小、重量轻、灵敏度高、测量精度高、易于批量生产等优点。

发明内容

本发明的目的是提供一种智能仿生传感器，其适用于微小气体流速0～1m/s或微流量的检测，其灵敏性高、精度高、体积小、经济性好，并且易于批量生产。

本发明是由类蛊毛毛杆、转动副、弧形电容、电极引线组成，弧形电容是由弧形电容上片和弧形电容下片构成，电极引线是由电极上引线和电极下引线构成；类蛊毛毛杆与弧形电容上片装配成一体，形成类蛊毛结构，类蛊毛毛杆穿设在转动副的转轴中，电极上引线嵌入转动副内，电极下引线与弧形电容下片相连接；弧形电容上片为动片，弧形电容下片为不动片。

本发明的原理是：当有微小流体信号流过，类蛊毛毛杆受到气流的摩擦力和阻力，使类蛊毛毛杆发生偏转。类蛊毛毛杆基部的弧形电容将会发生面积改变。通过检测电容容量的变化，实现对气体微流速或微流量的测量。

所述类蛊毛毛杆表面通过蚀刻、喷涂以及增加非摆动平面的面积等方法以增大与流体接触面积从而增大与空气之间的作用力，其纵深比(长度与直径的比)为50～200。类蛊毛毛杆为轻质刚性较大的材料制成，弧形电容器上片为大密度且具有导电性能的材料制成，使其整体重心在转动中心之下。在转动副内嵌入电极引线，另一电极引线与下片弧形动容相连(不动片)通过调整高纵深比类蛊毛毛杆与弧形电容片上片的整体质量，以此改变其灵敏度以及流量检测范围。

当类蛊毛毛杆受到流体信号的激励而发生偏转时，其带动下端的弧形电容器上片偏离弧形电容片下片一定距离，从而使得电容器的电容改变。当流体信号的激励撤销时，重力所形成的回正力矩使高纵深比类蛊毛毛杆回正。

本发明的有益效果：

适用于微小气体流速0～1m/s或微流量的检测，其灵敏性高、精度高、体积小、经济性好，并且易于批量生产。

附图说明

图1为本发明的立体示意图。

图2为本发明的主视图。

图3为本发明的左视图。

图4为本发明检测微小流速时的测试原理图。

图5和图6为本发明测量流速或微流量时的等效角位移式变面积电容传感器原理图。

其中：1—类蛊毛毛杆；2—转动副；3—弧形电容；4—电极引线；3a—弧形电容片上片；3b—弧形电容片下片；4a—电极上引线；4b—电极下引线。

具体实施方式

如图1、图2和图3所示，本发明是由类蛊毛毛杆1、转动副2、弧形电容3、电极引线4组成，弧形电容3是由弧形电容上片3a和弧形电容下片3b构成，电极引线4是由电极上引线4a和电极下引线4b构成；类蛊毛毛杆1与弧形电容上片3a装配成一体，形成类蛊毛结构，类蛊毛毛杆1穿设在转动副2的转轴21中，电极上引线4a嵌入转动副2内，电极下引线4b与弧形电容下片3b相连接；弧形电容上片3a为动片，弧形电容下片3b为不动片。

如图4所示，当测试流速为V的气流时，气流与类蛊毛毛杆1相互作用力F带动类蛊毛毛杆1偏转，偏转角θ。同时，类蛊毛毛杆1受到重力G。以转动副O点为中心，类蛊毛结构的力矩平衡方程为：

G·D＝F·H(1)

式(1)中，D和H分别是相对于O点的力臂。类蛊毛结构有较大的纵深比，即使微小的气流也能使类蛊毛摆动。通过调整类蛊毛毛杆1的长度，以此改变纵深比，从而改变其流速或微流量检测范围，并且可以通过调整类蛊毛毛杆1与弧形电容上片3a的整体质量改变其灵敏度。

如图5和图6所示，当类蛊毛毛杆1受到流速或微流量激励而偏转θ时，弧形电容3的正对面积发生改变，正对面积减少2S_θ，电容变为C₁；原等效面积为S₀，电容C₀：

S₀＝2πr²,S_θ＝2θπr²(2)

$C_0=\frac{{\mathrm{\ϵS}}_0}{4\mathrm{\π}kd}---\left(3\right)$

$C_1=\frac{\mathrm{\ϵ}(S_0-2S_{\mathrm{\θ}})}{4\mathrm{\π}kd}---\left(4\right)$

式(2)中，r为类蛊毛基部的半径；式(3)、(4)中，ε为介电常数、k为静电常量、d弧形电容之间的距离。

Claims (1)

1.一种智能仿生传感器，其特征在于：是由类蛊毛毛杆(1)、转动副(2)、弧形电容(3)、电极引线(4)组成，弧形电容(3)是由弧形电容上片(3a)和弧形电容下片(3b)构成，电极引线(4)是由电极上引线(4a)和电极下引线(4b)构成；类蛊毛毛杆(1)与弧形电容上片(3a)装配成一体，形成类蛊毛结构，类蛊毛毛杆(1)穿设在转动副(2)的转轴(21)中，电极上引线(4a)嵌入转动副(2)内，电极下引线(4b)与弧形电容下片(3b)相连接；弧形电容上片(3a)为动片，弧形电容下片(3b)为不动片。