CN106556490B - 一种三角梁结构湍流传感器 - Google Patents

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    • G01L9/02—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of variations in ohmic resistance, e.g. of potentiometers, electric circuits therefor, e.g. bridges, amplifiers or signal conditioning
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Abstract

本发明公开了一种三角梁结构湍流传感器，包括封装壳体，封装壳体内部包含三角梁结构，三角梁结构中三角形部分的上端面与传感器芯片粘合，三角梁结构的尖端与尼龙头连接，PCB转接板粘贴在三角梁结构中长方体部分的上端面上，三角梁结构中长方体部分的下端面与半圆柱粘合，半圆柱的圆柱面与封装壳体粘合。尼龙头在湍流水流下受力，引起三角梁结构的变形，在三角梁结构的上表面产生应变，引起传感器芯片的电阻变化，进而将机械能转化为电流变化，电流由金线接入PCB转接板，然后由外接导线接出，实现水流流速的检测。

Description

一种三角梁结构湍流传感器
技术领域
本发明属于湍流传感器技术领域，特别涉及一种具有小体积、高灵敏度、高频响的三角梁结构湍流传感器。
背景技术
现阶段，MEMS微传感器得到广泛应用并获得了巨大成功，人们对之期望越来越高，希望通过MEMS技术实现人类对各种物理世界所提供的信息进行感知。尤其是对于压阻式压力传感器来说，其小尺寸、良好的输入输出线性关系、工艺简单成熟等优点，已经被广泛应用于汽车、移动电话及医疗器械等领域。
而现阶段在湍流检测中，其应用广泛的传统压电式剪切流传感器，由于其灵敏度低、响应速率慢等问题，而使得海洋检测存在误差大、不可靠等问题。而对于MEMS技术，其在微结构海洋湍流中的检测尚不成熟，因此，提出了一种基于压阻式感测原理的MEMS传感器设计方案。使其能有效提高对微结构湍流进行精确观测的能力，有助于揭示海洋流动机理、认知海洋运动，并用于海洋环流等的预警。同时，进一步提升我国在海洋监测和探测传感器领域的自主研发能力，获得自主知识产权。
发明内容
本发明的目的在于提出一种具有小体积、高灵敏度、高频响的三角梁结构湍流传感器。使其在具有小体积和更小重量的同时，具有更高的灵敏度和高频响，同时具有更好的线性输出。
本发明的技术方案是这样解决的：
一种三角梁结构湍流传感器，包括封装壳体，封装壳体内部包含三角梁结构，三角梁结构中三角板部分的上端面与传感器芯片粘合，三角梁结构的尖端与尼龙头连接，PCB转接板粘贴在三角梁结构中长方体部分的上端面上，三角梁结构中长方体部分的下端面与半圆柱粘合，半圆柱的圆柱面与封装壳体粘合。
三角梁结构分为三角板部分和长方体部分，两者连为一体。
尼龙头分为圆柱体部分和半球形部分，两者连接在一起。
封装壳体的前端直径小。
封装壳体包裹住三角梁结构，同时封装壳体末端密封连接。
传感器芯片、PCB转接板由硅胶覆盖。
本发明采用压阻式感测原理的MEMS传感器设计方案，是由MEMS压阻式芯片和新型三角梁及尼龙头结构组成，其不仅灵敏度高、响应速度高，同时具有体积小重量轻等特点。
附图说明
图1为本发明传感器结构示意图。
1.封装壳体 2.PCB转接板 3.传感器芯片 4.三角梁结构 5.尼龙头 6.半圆柱。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行更为详细说明。
参照图1所示，一种三角梁结构湍流传感器，包括封装壳体，封装壳体内部包含三角梁结构，三角梁结构中三角板部分的上端面与传感器芯片粘合，三角梁结构的尖端与尼龙头连接，PCB转接板粘贴在三角梁结构中长方体部分的上端面上，三角梁结构中长方体部分的下端面与半圆柱粘合，半圆柱的圆柱面与封装壳体粘合。三角梁结构分为三角板部分和长方体部分，两者连为一体。尼龙头分为圆柱体部分和半球形部分，两者连接在一起。封装壳体的前端直径小。封装壳体包裹住三角梁结构，同时封装壳体末端密封连接。传感器芯片、PCB转接板由硅胶覆盖。
本发明的工作原理为：
运用惠斯通半桥电路，将两个敏感电阻布置在传感器应力敏感区，并且两个敏感电阻所受应力符号相反，其余两个臂是标准电阻，布置在非应力区。
电桥的输出电压为：
Figure BDA0001165551530000031
在微结构海洋湍流测量中，当传感器感受到水流变化时，尼龙头5在湍流水流下受力，产生位移变化，引起与其相连的三角梁结构4的变形，进而使得三角梁结构4的上表面产生应变，此时粘贴在三角梁结构4上的芯片在感知到应变后，引起电阻条电阻变化，由于惠斯通半桥原理，引起电阻中的电流发生变化，电流由金线接入PCB转接板2，然后由外接导线接出，在外界数据采集信息系统的辅助下，实现对水流流速的检测。
封装壳体1保护三角梁结构4不受水流的直接影响，同时封装壳体1的后端也就是导线引出端有胶灌装，防止漏水。传感器芯片3、PCB转接板2由硅胶覆盖，防止漏电。半圆柱6的圆柱面与封装壳体1粘合，便于三角结构4的径向定位。
下面对三角梁结构和尼龙头进行灵敏度、挠度、模态分析(加载水流流速1m/s，)，结果如下：
最大应力 挠度 一阶模态 二阶模态 三阶模态
2126kPa 18.1um 330.5Hz 2080Hz 2169Hz

Claims (1)

1.一种三角梁结构湍流传感器，包括封装壳体(1)，其特征在于，封装壳体(1)内部包含三角梁结构(4)，三角梁结构(4)中三角板部分的上端面与传感器芯片(3)粘合，三角梁结构(4)的尖端与尼龙头(5)连接，PCB转接板(2)粘贴在三角梁结构(4)中长方体部分的上端面上，三角梁结构(4)中长方体部分的下端面与半圆柱(6)粘合，半圆柱(6)的圆柱面与封装壳体(1)粘合；
三角梁结构(4)分为三角板部分和长方体部分，两者连为一体；
尼龙头(5)分为圆柱体部分和半球形部分，两者连接在一起；
封装壳体(1)的前端直径小；
封装壳体(1)包裹住三角梁结构(4)，同时封装壳体(1)末端密封连接；
传感器芯片(3)、PCB转接板(2)由硅胶覆盖。
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