CN110631647A - 一种仿生微流量传感器及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明主要涉及一种仿生微流量传感器，所述仿生微流量传感器包括：仿生压力感受装置及电路装置；所述仿生压力感受装置包括，壳体及设置在所述壳体上的仿生压力感受器；所述仿生压力感受器与所述电路装置电路连接；所述仿生压力感受器为以蝎子体表缝感受器为原型的仿生裂纹传感器。本发明提供的仿生微流量传感器，将利用蝎子体表缝感受器的应激机理所得到仿生压力传感元件应用于微流量传感器中，使得所述仿生微流量传感器检测流体数据的灵敏度系数和准确度大大提高。

Description

一种仿生微流量传感器及其检测方法

技术领域

本发明涉及流量传感元器件技术领域，特别涉及一种仿生微流量 传感器及其检测方法。

背景技术

流量传感器的性能对流体测量具有十分重要的意义。例如水文环 境监测，需要获取河流的流量；为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，要求精确控制气体流速的注入， 以保证工艺质量和产品性能的稳定等。

目前，主要的气体流量检测有：机械式气体流量检测、热线热膜 式气体流量检测(HWA)、超声和激光多谱勒流速流量检测方法等。但 是，机械式检测精度低、装置易老化且受温度影响大；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。

因而现有技术还有待改进和提高。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的提供一种仿生微流量传 感器，旨在解决现有流量传感器在微流量检测时，灵敏度差的问题。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案如下：

一种仿生微流量传感器，其中，包括：仿生压力感受装置及电路；

所述仿生压力感受装置包括，壳体及设置在所述壳体上的仿生压 力感受器；所述仿生压力感受器与所述电路电连接；所述仿生压力感 受器为仿生蝎子体表缝感受器。

所述的仿生微流量传感器，其中，所述仿生压力感受器包括第一 仿生压力感受器组、第二仿生压力感受器组；所述第一仿生压力感受 器组由若干弧形对称的仿生压力感受器件组成；所述第二仿生压力感 受器组由若干弧形对称的仿生压力感受器件组成。

所述的仿生微流量传感器，其中，所述第一仿生压力感受器组和 所述第二仿生压力感受器组分别设置在所述壳体的两端。

所述的仿生微流量传感器，其中，所述第一仿生压力感受器组由 四个弧形对称的仿生压力感受器件组成；所述第二仿生压力感受器组 由四个弧形对称的仿生压力感受器件组成。

所述的仿生微流量传感器，其中，还包括伸缩固定装置及蓝牙装 置；所述伸缩固定装置的一端固定设置在所述壳体上，所述伸缩固定 装置的另一端与所述蓝牙装置连接。

所述的仿生微流量传感器，其中，所述伸缩固定装置包括第一伸 缩固定装置，第二伸缩固定装置；所述第一伸缩固定装置的一端固定 设置在所述壳体上，所述第一伸缩固定装置的另一端与所述蓝牙装置 连接；所述第二伸缩装置固定设置在所述蓝牙装置上。

所述的仿生微流量传感器，其中，所述第二固定装置上设置有用 于显示测试结果的显示装置。

所述的仿生微流量传感器，其中，所述显示装置包括触摸显示屏。

所述的仿生微流量传感器，其中，所述仿生蝎子体表缝感受器包 括，基底及沉积在所述基底上的具有裂纹的导电层；所述基底为柔性 基底。

所述的仿生微流量传感器，其中，所述导电层为导电墨水层。

一种仿生微流量传感器检测方法，其中，方法包括：

将仿生微流量传感器放置在待测流体中，通过仿生微流量传感器 采集待测流体压力信号；

将所述压力信号转变为电信号，对所述电信号进行处理，得到流 体数据；

将所述流体数据，通过蓝牙设备将所述流体数据发送至移动终 端；

所述将所述压力信号转变为电信号，对所述电信号进行处理，得 到流体数据，具体包括：

所述仿生微流量传感器将检测到的压力信号转变为电信号，采集 电路与处理电路将收到的电信号进行处理，得到流体数据。

有益效果：本发明所提供的一种仿生微流量传感器，将利用蝎子 体表缝感受器的应激机理所得到仿生压力传感元件应用于微流量传 感器中，使得所述仿生微流量传感器对检测流体数据的灵敏度系数和 准确度大大提高。处理电路将仿生微流量传感器产生的电阻变化信号 处理为可视直观的流体流量信号，通过蓝牙发送给移动终端,便于实 时监测和记录流体情况。本发明提供的是一种高灵敏性、体积小、经 济、安全性高的仿生微流量传感器。

附图说明

图1是本发明实施实例提供的仿生压力传感器的结构示意图。

图2是本发明中实施实例提供的仿生压力感受装置结构示意图。

图3是本发明中实施实例提供的仿生压力传感器的传感元件横 截面结构示意图。

图4是本发明中另一实施实例提供的仿生压力传感器的传感元 件横截面结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照 附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的 具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明公开的仿生微流量传感器包括，仿生压力感 受装置10及电路20(图中未示出)；所述仿生压力感受装置10包括， 壳体100及设置在所述壳体100上的仿生压力感受器101；所述仿生 压力感受器101与所述电路装置20电路连接；所述仿生压力感受器 101为仿生蝎子体表缝感受器。其中，电路包括信号采集电路以及信 号处理电路，信号采集电路以及信号处理电路均为常见的普通电路， 具体的电路设计图为现有技术，在此不再赘述。所述以蝎子体表缝感 受器为原型的仿生裂纹传感器包括，基底及沉积在所述基底上的具有 裂纹的导电层；所述基底为柔性基底，所述导电层为导电墨水层。

现有的机械式流体检测设备，在检测微流量时检测结果精度低， 装置易老化；超声和激光多谱勒流速流量检测设备复杂价格昂贵，并 且激光多普勒不适宜测量净化间的微流速。本发明所提供的仿生微流 量传感器，利用蝎子体表缝感受器的应激机理所得到仿生压力传感元 件应用于微流量传感器中，使得所述仿生微流量传感器对检测流体数 据的灵敏度系数和准确度大大提高。

进一步，所述仿生压力感受器为以蝎子体表缝感受器为原型的仿 生裂纹传感器。蝎子每只行走足上跗骨关节附近有缝感受器，使得蝎 子即使在高衰减因子的松软沙粒表面，也能探测到其周围20cm范围 内有一粒沙的移动、或其周围50cm处地下洞穴内的昆虫活动产生， 并传导至蝎子缝感受器的微小振动，其感知灵敏度极高，且稳定性强。

因此，采用仿生技术，利用蝎子缝感受器的应激感知原理所设计 的仿生压力传感器在加载微小力后，会相应地作出具体的信息处理和 传输，可以用于测量流体的微流量变化。在实验室环境下，该种压力 元件灵敏度系数可达100左右，具有超高的灵敏性，提高检测流体微 流量的准确度。

在一种或多种实施方式中，所述仿生压力感受器101包括第一仿 生压力感受器组A和第二仿生压力感受器组B。所述第一仿生压力感 受器组A和第二仿生压力感受器组B分别设置在流体管道的入口端和 出口端。所述第一仿生压力感受器组A和第二仿生压力感受器组B分 别由两个弧形对称的仿生压力感受器件组成。

具体来说，如图2所示，所述第一仿生压力感受器组A包括两个 仿生压力感受器A1和A2；所述第二仿生压力感受器组B包括两个仿 生压力感受器B1和B2。如图3所示，所述仿生压力感受器A1和A2 分别设置在流体入口处管道内腔的管壁两侧，所述仿生压力感受器B1和B2分别设置在流体出口处管道内腔的管壁两侧。A1和A2分别 设置在管壁内侧，且A1和A2为弧形对称设置的，当流体进入传感器 时，气体会对管壁施加一定的压力，A1和A2设置在相互对称的位置 上，流体通过同一横截面时，同时对A1和A2施加压力，两个仿生压 力感受器同时分别对所接受到的压力信号转换成电信号，传送给采集 电路。

相应的，B1和B2也为弧形对称设置，因此流体经过管道出口时， 会同时B1和B2施加一定压力，B1和B2分别所接受到的压力信号转 换为电信号，传送到采集电路。

在一些实施方式中，所述第一仿生压力感受器组A和第二仿生压 力感受器组B分别由四个圆弧形阵列分布的仿生压力感受器件组成。

具体的，如图4所示，仿生压力感受器件A1、A2、A3、A4也可 以采用圆形阵列分布，本发明对仿生压力感受器的数量不作限制，所 述仿生压力感受器数量越多，计算量越大，进而多得到的压力值越准 确。优选的，每组仿生压力感受器组由两个仿生压力感受器件组成。

进一步，所述第一仿生压力感受器组A和第二仿生压力感受器组 B分别设置在流体管道的入口端和出口端。所述流体管道的入口端和 出口端的管径不相同。

具体的，将第一仿生压力感受器组A和第二仿生压力感受器组B 分别设置在不同管径的管道内侧，在流体通过不同管径的管道时，流 速和对管壁的压力会发生变化，通过感受器组A和感受器组B分别检 测流体体流经管道入口端和出口端时的压力信号，对信号进行收集并 传输到电路装置加以处理。

具体的，当流体经过装置下方的流体通道时，由压力传感器检测 到流体对管壁的压力信号，压力信号转变为电信号由采集电路进行采 集，采集电路传输给处理电路，由处理电路利用下式得到平均压力：

根据对管壁上A1和A2、B1和B2检测到的压力信息进行计算， 得到仿生压力感受器A组和仿生压力感受器B组的平均压力，再继续 后续的计算。通过在每组仿生压力感受器设置两个相对称的压力传感 元件，能避免由单个仿生传感元件的系统偏差导致所获取到的压力信 息不准确的情况，进一步使后续对流体流速和流量的计算更精准。

如图1所示，将仿生压力感受装置放入待测流程中，流体经过管 径变化的管道时，流体流量一定的情况下，流体速度会发生变化，根 据伯努利定理：在一个流体系统中，流速越快，流体产生的压力越小。 随着管径的变化，流体的压力会发生变化，因此，对于仿生压力感受 装置前后两组压力感受器来说，检测到的压力存在压力差。压力感受 器将检测到的压力信号变为电信号，采集电路与处理电路将收到的电 信号进行处理，得到压力差按下列公式计算出流体流入装置的流速：

其中，S_A，S_B为A,B两处的横截面积，P_A，P_B为A,B两 组传感器测得平均压力，ρ为流体的密度。V_A为流体流入装置的速度 与原有流场中的流速一致。

流体流量可由下式计算得出：

Q＝V_A×S

其中S为流体流经的横截面积。

在一种或多种实施方式中，仿生微流量传感器还包括伸缩固定装 置30及蓝牙装置40，所述伸缩固定装置的一端与壳体固定连接，伸 缩固定装置的另一端与蓝牙装置连接，所述伸缩固定装置可以伸长或 者缩短，通过该伸缩固定装置可以适用于不同深度流体流速的测量。 所述蓝牙装置用于发送流体数据到移动终端。即计算得到的流体流速 和流体流量由电路装置传输到蓝牙装置，通过蓝牙装置与移动终端建 立无线连接，并将测得的流体流速大小数据传输到移动终端。其中， 蓝牙装置也是市面常见的蓝牙装置，选用市面常用蓝牙装置可以降低 仿生微流量传感器的生产成本。

在一些实施方式中，所述伸缩固定装置30包括第一伸缩固定装 置310，第二伸缩固定装置320。其中，第一固定装置设置在壳体上。 第二伸缩固定装置固定设置在蓝牙装置上，即从上到下依次是第二伸 缩固定装置，蓝牙装置、第一伸缩固定装置、仿生压力感受装置。

在一种或多种实施方式中，所述仿生微流量传感器还包括显示装 置50，显示装置50包括触摸液晶显示屏(图中未示出)。所述显示 装置50与所述电路连接，用于显示测量结果(如所侧流体的流量、 流速)。通过显示装置50的液晶显示屏，可以对仿生压力感受装置进 行简单设定。

下面通过具体的实施例，对本发明所提供的一种仿生微流量传感 器作进一步的解释说明。

气体进入仿生微流量传感器，通过仿生压力感受装置的圆管(壳 体)时，所通过的气体会对圆管管壁产生压力。如图2所示，A1和 A2分别设置在圆管内壁的上下对称的位置，如图3所示，A1和A2分 别称括弧形，镶嵌在圆管的内壁，并且呈上下对称关系。因此，气体对圆管管壁产生压力时，会对设置在圆管内壁的第一仿生压力感受器 组的A1和A2产生同样的压力，A1和A2检测到气体所施加的压力之 后，将压力信号转化为电信号，传输给采集电路。

流体经过A1和A2所在的圆管入口端后，进入圆管出口端，如图 2所示，圆管出口端的管径比圆管入口端的直径小，进入的气体总体 积不变，气体通过的流速会发生变化，因此气体通过软管出口端时对 圆管的压力与气体对通过圆管入口时对圆管的压力不同，即A1和A2 所检测的气体压力信号与B1和B2所检测到的压力信号不同。采集电 路分别采集A1、A2、B1、B2所转化的电信号，并将所收到的电信号 传输给处理电路进行计算：

先计算得出气体经过圆管入口端时，对管壁施加的平均压力，将 A1和A2、B1和B2检测到的压力分别算得平均数Pi，i＝A,B。

然后计算流体流速，利用下述公式进行计算：

其中，S_A，S_B为A,B两处的横截面积，P_A，P_B为A,B两 组传感器测得平均压力，ρ为流体的密度。V_A为流体流入装置的速度 与原有流场中的流速一致。

流体流量可由下式计算得出：

Q＝V_A×S

其中S为流体流经的横截面积。

所述仿生微量传感器上设置有蓝牙模块，所述蓝牙模块可与带有 蓝牙模块的电子设备连接，所述蓝牙模块预先移动终端建立连接，将 处理后的V_A和S数据通过蓝牙传输，传送到用户的移动终端上，用户 可以实时获得待测环境中的气体的流量和流速，采用蓝牙连接的方 式，使流体的数据能显示在移动终端上，当检测的气体对人体有害时， 即使用户在与待测气体不同的空间中，也可以用移动终端通过蓝牙无 线连接到安装在环境中的仿生微流量传感器，检测气体的流速和流量 情况，避免了用户在测定流体情况时，不慎吸入有毒有害气体的情况。

基于相同的发明构思，本发明还提供了一种仿生压力传感器检测 方法，所述方法包括步骤：

S100、将仿生微流量传感器放置在待测流体中，通过仿生微流量 传感器采集待测流体压力信号；

S200、将所述压力信号转变为电信号，对所述电信号进行处理， 得到流体数据；

S300、将所述流体数据，通过蓝牙设备将所述流体数据发送至移 动终端；

所述将所述压力信号转变为电信号，对所述电信号进行处理，得 到流体数据，具体包括：

所述仿生微流量传感器将检测到的压力信号转变为电信号，采集 电路与处理电路将收到的电信号进行处理，得到流体数据。

具体来说，借助仿生压力传感器件，采集流体压力信号，将采集 到的流体压力信号通过电路转换为电信号，转换后的电信号由处理电 路利用预置的公式处理后得到流体数据，所得到的流体数据再经蓝牙 装置发送至移动终端。通过移动终端对流体数据进行直观的显示，例 如可以形成流量的数据曲线、柱状图等又或者是流量的数据列表。此 处的流体数据可以是流量、流速。

综上所述，本发明提供一种仿生微流量传感器及其检测方法，将 利用蝎子体表缝感受器的应激机理所得到仿生压力传感元件应用于 微流量传感器中，使得所述仿生微流量传感器检测流体数据的灵敏度 系数大大提高，在圆管中设置两个相称的仿生压力传感器，计算检测 到的平均压力进而计算流体流速，进一步提高了检测流速的精确度。 电路设备将仿生微流量传感器产生的电阻变化信号处理为可视直观 的流体流量信号，通过蓝牙发送给移动终端,便于实时监测和记录流 体情况。本发明提供了一种高灵敏性、精准度高、安全性高的仿生微 流量传感器。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通 技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和 变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种仿生微流量传感器，其特征在于，包括：仿生压力感受装置,所述仿生压力感受装置包括，壳体及设置在所述壳体上的仿生压力感受器；所述仿生压力感受器与电路装置电连接；所述仿生压力感受器为以蝎子体表缝感受器为原型的仿生裂纹传感器。

2.根据权利要求1所述的仿生微流量传感器，其特征在于，所述仿生压力感受器包括第一仿生压力感受器组、第二仿生压力感受器组；所述第一仿生压力感受器组由若干弧形对称的仿生压力感受器件组成；所述第二仿生压力感受器组由若干弧形对称的仿生压力感受器件组成。

3.根据权利要求2所述的仿生微流量传感器，其特征在于，所述第一仿生压力感受器组和所述第二仿生压力感受器组分别设置在所述壳体的两端。

4.根据权利要求2所述的仿生微流量传感器，其特征在于，所述第一仿生压力感受器组由四个弧形对称的仿生压力感受器件组成；所述第二仿生压力感受器组由四个弧形对称的仿生压力感受器件组成。

5.根据权利要求1所述的仿生微流量传感器，其特征在于，还包括伸缩固定装置及蓝牙装置；所述伸缩固定装置的一端固定设置在所述壳体上，所述伸缩固定装置的另一端与所述蓝牙装置连接。

6.根据权利要求5所述的仿生微流量传感器，其特征在于，所述伸缩固定装置包括第一伸缩固定装置，第二伸缩固定装置；所述第一伸缩固定装置的一端固定设置在所述壳体上，所述第一伸缩固定装置的另一端与所述蓝牙装置连接；所述第二伸缩装置固定设置在所述蓝牙装置上。

7.根据权利要求6所述的仿生微流量传感器，其特征在于，所述第二固定装置上设置有用于显示测试结果的显示装置。

8.根据权利要求7所述的仿生微流量传感器，其特征在于，所述显示装置包括触摸显示屏。

9.据权利要求1所述的仿生微流量传感器，其特征在于，所述以蝎子体表缝感受器为原型的仿生裂纹传感器，基底及沉积在所述基底上的具有裂纹的导电层；所述基底为柔性基底。

10.一种仿生微流量传感器检测方法，其特征在于，方法包括：

将仿生微流量传感器放置在待测流体中，通过仿生微流量传感器采集待测流体压力信号；

将所述压力信号转变为电信号，对所述电信号进行处理，得到流体数据；

将所述流体数据，通过蓝牙设备将所述流体数据发送至移动终端；

所述将所述压力信号转变为电信号，对所述电信号进行处理，得到流体数据，具体包括：

所述仿生微流量传感器将检测到的压力信号转变为电信号，采集电路与处理电路将收到的电信号进行处理，得到流体数据。

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