CN112798060B - 一种谐振式流量传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种谐振式流量传感器，包括衬底，谐振敏感结构、读出端口结构和闭环读出电路。其中，谐振敏感结构包括：锚区，谐振梁，读出梁及其第一平衡梁，敏感梁及其第二平衡梁，以及连接梁；所述读出梁及其第一平衡梁关于谐振梁形成左右对称；所述敏感梁及其第二平衡梁关于谐振梁形成左右对称。与硅基热式流量计相比，本发明无发热元件，功耗大大降低。此外，本发明的敏感结构工作在机械谐振状态，具有对流量的灵敏度高和输出稳定性高的优势。
Description
技术领域
本发明属于传感器领域，具体涉及一种谐振式流量传感器。
背景技术
气体流量是科学研究和工业生产的必要参数，因此对于气体流量的测量和监测具有非常重要的作用。
流量测量有体积计量和质量计量两种方式。体积计量是指单位时间内流过管路中的流体的体积。体积流量计量的精度往往受温度、压力等的变化的影响。质量流量计量单位时间内流过管路中的质量。因此，要求精确计量的场合一般采用质量流量计量。质量流量计量可以分为间接式质量流量计量和直接式质量流量计量。前者是在体积计量的基础上进行温度和压力补偿，并通过模型推导算出质量流量。后者是基于传感器测量消除温度和压力的影响，来直接获得质量流量。
用于测量气体流量的传感器种类很多，早期出现了压差式流量传感器、容积式流量传感器和热式流量传感器。近期，随着电子技术的发展，出现了超声波流量传感器、涡流流量传感器、科里奥利流量传感器和流体振动流量传感器等。
使用微加工技术制作的流量传感器，可以减少传感器对流场的干扰。微型流量传感器还具有热惯性小，响应速度快，低功耗和低成本等优点。其测量范围从微升每分钟到升每分钟，可以满足多种不同的检测需求。经过三十多年的发展，硅基热式流量传感器得到了迅速发展和广泛应用。目前已发展出热损失型、热脉冲型和热温差型三大原理和多种工作方式的传感器家族。
但是传统的压差式流量传感器、容积式流量传感器和热式流量传感器的体积较大，响应速度较慢，功耗和成本较高；而微加工的硅基热式流量传感器的灵敏度还不够高，而且采用电阻丝发热和敏感的结构较容易受到气流方向和外界电磁环境的干扰。
发明内容
为了实现上述的目的，本发明提出一种谐振式流量传感器，具体方案如下：
一种谐振式流量传感器，所述谐振式流量传感器包括：
衬底，
谐振敏感结构，所述谐振敏感结构设置在所述衬底上，所述谐振敏感结构包括谐振梁结构和连接于所述谐振梁结构的读出梁结构；
读出端口结构，所述读出端口结构设置在所述衬底上，形成围绕所述读出梁结构的半封闭腔体；
闭环读出电路，所述闭环读出电路连接于所述读出端口结构。
可选地，所述谐振梁结构为侧动式机械谐振梁，包括直梁、弯梁、双音叉梁结构，所述谐振梁结构以锚区连接于所述衬底。
可选地，所述读出梁结构平行于所述谐振梁结构经连接梁连接于所述谐振梁一侧。
可选地，还包括与所述读出梁对称设置的第一平衡梁，所述第一平衡梁平行于所述谐振梁经连接梁连接于所述谐振梁的另外一侧。
可选地，还包括设置在所述谐振梁与所述第一平衡梁之间的敏感梁，所述敏感梁连接于所述连接梁。
可选地，还包括设置在所述敏感梁上的凸出梁。
可选地，还包括设置在所述谐振梁与所述读出梁之间的第二平衡梁，所述第二平衡梁与所述敏感梁关于所述谐振梁对称设置。
可选地，所述读出端口包括第一端口及第二端口，其中，所述第二端口形成半封闭的腔体，所述第一端口设置于所述腔体中。
可选地，所述闭环读出电路包括：第一IO端口，所述第一IO端口连接于所述读出端口的第一端口；
第二IO端口，所述第二IO端口连接于所述读出端口的第二端口；
跨阻放大器，所述跨阻放大器的输入端连接第二IO端口，所述跨阻放大器将所述读出梁的振动状态转换为电压信号；
带通滤波器，所述带通滤波器的输入端连接所述跨阻放大器，将所述电压信号滤除干扰信号；
增益控制器，所述增益控制器的输入端连接所述带通滤波器，调节经所述带通滤波器输出的电压信号；
相位控制器，所述相位控制器的输入端连接所述增益控制器，调整所述增益控制器的输出电压信号的相位；
所述相位控制器的输出端连接所述第一IO端口，形成正反馈。
可选地，还包括频率分析仪和缓冲放大器，所述闭环读出电路的电压经缓冲放大器后连接到所述频率分析仪。
本发明还提出一种利用本发明所提出的谐振式流量传感器测量气体流量的方法，包括建立谐振频率与不同流量之间的关系的标定步骤。
与现有技术相比，本发明所提出的技术方案至少具有以下有益效果：
（1）与硅基热式流量计相比，本发明无发热元件，功耗大大降低；
（2）本发明的结构工作在机械谐振状态，对流量的灵敏度高；
（3）本发明采用机械谐振器作为敏感元件，具有天然的抗电磁干扰优势。
（4）本发明的敏感梁上的凸出梁结构，可以降低气流方向改变对流量传感器输出的干扰，提高流量传感器输出的稳定性。
附图说明
一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
图1是本发明其中一实施例的谐振式流量传感器结构示意图；
图2是本发明其中一实施例的谐振式流量传感器结构沿M-M’方向的剖面示意图；
图3是本发明其中一实施例的谐振式流量传感器的闭环读出电路原理图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。以下各个实施例的划分是为了描述方便，不应对本发明的具体实现方式构成任何限定，各个实施例在不矛盾的前提下可以相互结合相互引用。
实施例1
如图1-2所示，本发明公开了一种谐振式流量传感器，所述谐振式流量传感器包括：
衬底S，
谐振敏感结构，所述谐振敏感结构设置在所述衬底上，所述谐振敏感结构包括谐振梁结构B1和连接于所述谐振梁结构B1的读出梁结构B2；
读出端口结构，所述读出端口结构设置在所述衬底上，形成围绕所述读出梁结构的半封闭腔体；
闭环读出电路，所述闭环读出电路连接于所述读出端口结构。
其中，衬底S包括圆片衬底S01以及设置在圆片衬底S01上的绝缘层S02；该圆片衬底S01例如是硅，该绝缘层S02例如是二氧化硅。
其中，谐振梁结构B1可以是侧动式机械谐振梁，其结构可以是直梁、弯梁、双音叉梁或其它谐振梁。在本实施例中，其以第一锚区A1、第二锚区A2固定于衬底S。谐振梁结构B1在感受到气流后，将发生谐振。
进一步地，为了测试谐振频率，通过连接梁B6、例如在谐振梁B1的左侧连接读出梁B2，读出梁B2平行于谐振梁B1。
其中，读出梁B2被读出端口所形成的半封闭的腔体所围绕。读出端口结构包括第一端口A3和第二端口A4；第一端口A3正对读出梁B2左侧；第二端口A4包含矩形结构A42和臂结构A41，矩形结构A42正对第一端口A3左侧，臂结构A41将第一端口A3和读出梁B2右侧包围在内。
进一步地，为了平衡读出梁B2，可选地，还包括与读出梁B2对称设置的第一平衡梁B3，第一平衡梁B3平行于谐振梁B1经连接梁B6连接于所述谐振梁的另外一侧。
进一步地，为了提高流量传感器的灵敏度，在谐振梁B1和第一平衡梁B3之间设置敏感梁B5，以从流体进入方向增大与流体的接触。该敏感梁B5例如在满足锚区支撑的情况下具有尽可能的长度。敏感梁B5平行于谐振梁B1或者第一平衡梁B3，连接于连接梁B6。
进一步地，为了降低气流方向改变对流量传感器输出的干扰，提高流量传感器输出的稳定性，在敏感梁B5上设置了若干凸出梁结构B7。凸出梁结构B7例如对称设置在敏感梁B5的端部。
相应地，为了平衡敏感梁B5，在谐振梁B1和读出梁B2之间设置第二平衡梁B4，第二平衡梁B4例如与所述敏感梁B5关于所述谐振梁B1对称设置。
在敏感梁B5上设置有凸出梁结构B7时，在第二平衡梁B4上的相应位置也设置有若干凸出梁结构B7。
进一步地，本实施例中的闭环读出电路包括：第一IO端口C1和第二IO端口C2，跨阻放大器C3，带通滤波器C4，增益控制器C5，相位控制器C6，缓冲放大器C7，频率分析仪C8。
其中，第二IO端口C2连接到跨阻放大器C3的输入，跨阻放大器C3的输出连接到带通滤波器C4的输入，带通滤波器C4的输出连接到增益控制器C5和缓冲放大器C7的输入，增益控制器C5的输出连接到相位控制器C6的输入，相位控制器C6的输出连接到第一IO端口C1，缓冲放大器C7的输出连接到频率分析仪C8的输入。
第一IO端口C1和传感器第一端口A3连接，第二IO端口C2和传感器第二端口A4连接。
其中，敏感梁B5和平衡梁B3的右侧用于感受气流，使谐振梁B1的谐振频率发生变化。
本发明所提出的一种谐振式流量传感器的工作原理为：
流量敏感原理：谐振梁B1处于谐振状态时，其谐振频率和谐振器的质量、弹性系数相关。当环境气流施加到敏感梁B5和第一平衡梁B3上时，会产生与气流流量正相关的压力；该压力将通过连接梁B6传递到谐振梁B1上，使其等效弹性系数发生相应变化；谐振梁B1的弹性系数的变化，将导致其谐振频率的变化。
闭环读出原理：读出梁B2的振动状态可以通过跨阻放大器转换为电压信号，该信号通过带通滤波器滤除低频和高频干扰信号，再通过增益控制电路和相位控制电路后，反馈施加到读出梁B2上。通过增益控制电路C5和相位控制电路C6的调节，使反馈施加的电压与读出梁B2的振动方向同相，形成正反馈效果，使谐振梁在谐振频率振荡。闭环读出回路的电压通过缓冲放大电路C7后连接到频率分析仪C8上进行显示和读出。
本发明还提出一种利用本发明的谐振式流量传感器进行气体流量检测的过程：
将本发明的流量传感器传感器结构放置在气体管道中，敏感梁B5受到气流压力使谐振梁B1的谐振频率增大。气流流量越大，谐振梁的谐振频率增大幅度越大。测量前，先对本发明的传感器进行标定，建立其谐振频率与不同流量之间的关系。测量时，使用频率分析仪读出本发明传感器的谐振频率，与标定值进行对比，即可得到待测管道的流量值。
与现有技术相比，本发明所提出的谐振式流量传感器具有以下有益效果：
（1）与硅基热式流量计相比，本发明无发热元件，功耗大大降低；
（2）本发明的结构工作在机械谐振状态，对流量的灵敏度高；
（3）本发明采用机械谐振器作为敏感元件，具有天然的抗电磁干扰优势。
（4）本发明的敏感梁上的突出梁结构，可以降低气流方向改变对流量传感器输出的干扰，提高流量传感器输出的稳定性。
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。
Claims (10)
1.一种谐振式流量传感器，其特征在于，所述谐振式流量传感器包括：
衬底，
谐振敏感结构，所述谐振敏感结构设置在所述衬底上，所述谐振敏感结构包括谐振梁结构和连接于所述谐振梁结构的读出梁结构，所述谐振梁结构以锚区连接于所述衬底；
第一平衡梁，所述第一平衡梁与所述读出梁结构关于所述谐振梁结构对称设置，所述第一平衡梁连接于所述谐振梁结构；
读出端口结构，所述读出端口结构设置在所述衬底上，形成围绕所述读出梁结构的半封闭腔体；
闭环读出电路，所述闭环读出电路连接于所述读出端口结构。
2.根据权利要求1所述的一种谐振式流量传感器，其特征在于，所述谐振梁结构为侧动式机械谐振梁，包括直梁、弯梁、双音叉梁结构。
3.根据权利要求1或2所述的一种谐振式流量传感器，其特征在于，所述读出梁结构平行于所述谐振梁结构经连接梁连接于所述谐振梁结构 一侧。
4.根据权利要求3所述的一种谐振式流量传感器，其特征在于，所述第一平衡梁平行于所述谐振梁结构 经连接梁连接于所述谐振梁结构 的另外一侧。
5.根据权利要求4所述的一种谐振式流量传感器，其特征在于，还包括设置在所述谐振梁结构 与所述第一平衡梁之间的敏感梁，所述敏感梁连接于所述连接梁。
6.根据权利要求5所述的一种谐振式流量传感器，其特征在于，还包括设置在所述敏感梁上的凸出梁。
7.根据权利要求6所述的一种谐振式流量传感器，其特征在于，还包括设置在所述谐振梁结构 与所述读出梁之间的第二平衡梁，所述第二平衡梁与所述敏感梁关于所述谐振梁结构 对称设置。
8.根据权利要求1所述的一种谐振式流量传感器，其特征在于，所述读出端口包括第一端口及第二端口，其中，所述第二端口形成半封闭的腔体，所述第一端口设置于所述腔体中。
9.根据权利要求8所述的一种谐振式流量传感器，其特征在于，所述闭环读出电路包括：第一IO端口，所述第一IO端口连接于所述读出端口的第一端口；
第二IO端口，所述第二IO端口连接于所述读出端口的第二端口；
跨阻放大器，所述跨阻放大器的输入端连接第二IO端口，所述跨阻放大器将所述读出梁的振动状态转换为电压信号；
带通滤波器，所述带通滤波器的输入端连接所述跨阻放大器，将所述电压信号滤除干扰信号；
增益控制器，所述增益控制器的输入端连接所述带通滤波器，调节经所述带通滤波器输出的电压信号；
相位控制器，所述相位控制器的输入端连接所述增益控制器，调整所述增益控制器的输出电压信号的相位；
所述相位控制器的输出端连接所述第一IO端口，形成正反馈；还包括频率分析仪和缓冲放大器，所述闭环读出电路的电压经缓冲放大器后连接到所述频率分析仪。
10.一种利用权利要求1-9任一项所述的谐振式流量传感器测量气体流量的方法，其特征在于，包括：
建立谐振频率与不同流量之间的关系的标定步骤；
获取所述谐振式流量传感器的实际谐振频率；
比较所述实际谐振频率与谐振频率标定值；
获取待测管道的流量值。
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