CN112946315B - 一种无电磁流量计的流速计 - Google Patents

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Abstract

本发明属于流体检测技术领域，具体为一种无电磁流量计的流速计。本发明流速计包括流速传感器（温度传感器）和功率放大器，集成设计并封装完成的芯片。流速传感器将芯片表面水流的信息以芯片温度的形式输入，随后由谐振电路转换为一定频率的输出信号。功率放大器实现前级的输出信号的功率放大，从而由天线输出发射到信息处理端。芯片整体利用表面温度与表面流体流速的作用关系，而后再以不同频率脉冲信号输出的形式，避免了输出信号的高功耗和传统流速计高额的面积开销。其面积微小的分布式的特性可以在水面和水下航行器表面广泛覆盖，提高信息收集的综合性。

Description

一种无电磁流量计的流速计
技术领域
本发明属于流体检测技术领域，具体涉及一种无电磁流量计的流速计。
背景技术
自上个世纪声呐的发明以来，航海和船舶行业得以在信息探测技术方面步入了现代化。利用声波在水中的传播和反射特性，通过电声转换和信息处理进行测距的技术，也可以利用这种技术对水流环境进行测速。根据船只静止时的水流速度和船只运行时船只各个方向上的水流速度综合比较，可以确定船只的姿态等航行信息。声呐是水声学中应用最广泛、最重要的一种装置。
然而，巨大的收音装置影响了船只的空间体积，降低了其隐蔽性和制造成本。影响声呐工作性能的因素除声呐本身的技术状况外，外界条件的影响很严重声波在传播途中受海水介质不均匀分布和海面、海底的影响和制约，会产生折射、散射、反射和干涉，会产生声线弯曲、信号起伏和畸变，造成传播途径的改变，严重影响声呐的作用距离和测量精度。运载平台的自噪声主要与航速有关，航速越大自噪声越大，声呐作用距离就越近，反之则越远；目标反射本领越大，被对方主动声呐发现的距离就越远；目标辐射噪声强度越大，被对方被动声呐发现的距离就越远。受制于现代船只的绝对移动速度已经接近声速所需要的进行的运动补偿、成像处理更加复杂。
电磁流量计是20世纪50~60年代随着电子技术的发展而迅速发展起来的新型流量测量仪表。电磁流量计应用电磁感应原理，根据导电流体通过外加磁场时感生的电动势来测量导电流体流量。然而电磁流量计对外部工作环境有着极高的要求，且设备需要严格维护，类似于空速管的管道式电磁流量计需求的空间开销相比传统声呐部件只大不小。
声呐和电磁流量计的诸多缺点使得用于探测船只速度和潜艇姿态的集成电路芯片的需求日益提高。脱离了传统电磁流量计和声呐的识别测速原理。以芯片阵列为基础的测速装置有以下优点：
1、芯片的船只表面分布特性可以使得在空间范畴中的信息收集更加广泛综合；
2、可用频带宽，信息容量大。电磁信号只需要在船内的计算机和流速计芯片之间传递，不受制于电磁信号在水中的剧烈衰减以及声波信号在一定距离以外的低分辨率；
3、低功耗，低使用面积使得船舶设计能够更多地提升其他方面性能，而不必过多为了测速阵列模块牺牲其更重要的功能模块。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种测量精度高、体积小的无电磁流量计的流速计。
本发明提供的无电磁流量计的流速计，其结构参见图1所示，包括单片集成的流速计传感器（温度传感器）和功率放大器，集成设计并封装完成的芯片；其中：
所述流速计传感器，包括LC谐振网络和CMOS晶体管构成的负电阻。具体包括两个片上无源电感L1与L2，16个NMOS管M1-M16；其中，两个电感L1与L2的一端共同连接电源电压VDD，另一端与两个不同的NMOS管栅极相连，这两个NMOS管源极相连，漏极共接偏置电压，从而组成一个电容；这样由两个NMOS管组成的电容一共有七个，它们以并联的方式连接，从而组成电容阵列；上述两个电感和14个电容组成耦合网络；耦合网络电路最下端有另外两个交叉耦合的NMOS管，即一个NOMS的漏极与另一个NMOS的栅极相连，同时两个源极共接地；
所述功率放大器，包括三级功率放大器，以及在输入、输出端与各个级联的放大器之间的一共四个变压器匹配网络；该匹配网络由并联电容和四个片上无源电感组成；所述三级功率放大器由差分对管和各自漏极交叉连接到对管体端的电容组成。
本发明提供的无电磁流量计的流速计中，所述温度传感器用于检测在环境中的芯片区域的温度变化对CMOS电容阵列的电容值大小的影响，并将其转换为输出信号的频率；由于芯片在不同环境中的温度由芯片表面流体流速直接决定，所有信息都包含在信号频率中，从而便于低功耗发射和处理；所述功率放大器对温度传感器输出的信号进行功率放大，便于以电磁信号在空间中进行无线传播。
优选地，本发明中，所述晶体管均为MOSFET，即场效应晶体管。
本发明设计的无电磁流量计的流速计，可以用于水面和水下航行器（如潜艇）测速和姿态探测系统，通过检测芯片表面的温度以确定水流矢量，从而经过功率放大后将信息蕴含在输出电磁波的频率中。可以经过天线的发射将其传输到远程控制运算端进行进一步的处理和分析。
本发明流速计中，流速传感器芯片表面水流的信息以芯片温度的形式输入，随后由谐振电路转换为一定频率的输出信号。功率放大器实现前级的输出信号的功率放大，从而由天线输出发射到信息处理端。芯片整体利用表面温度与表面流体流速的作用关系，而后再以不同频率脉冲信号输出的形式，避免了输出信号的高功耗和传统流速计高额的面积开销。其面积微小的分布式的特性可以在水面和水下航行器表面广泛覆盖，提高信息收集的综合性。
附图说明
图1为流速计芯片示意图。
图2为流速计传感器电原理图。
图3为功率放大器电原理图。
具体实施方式
下面结合附图对所发明的无电磁流量计的流速计做进一步说明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，在图中可能未表示出某些公知的部分。
在下文中描述了本发明的许多特定的细节，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。
图1示出流速计芯片示意图。
如图1所示，流速信息通过流速计传感器（温度传感器）101的感知和信号转换，输出不同频率的电信号，经过功率放大器102进行功率放大后，得到最终输出信号，或者经由天线发射到信号处理端接收。
图2示出流速计传感器电原理图。
如图2所示，流速计传感器（温度传感器）101包括两个片上无源电感L1与L2，16个NMOS管M1-M16。两个电感L1与L2一端共接电源电压VDD，另一端与两个不同的NMOS管M16与M15的栅极相连，这两个NMOS管源极相连，漏极共接偏置电压，从而组成一个电容；这样由两个NMOS管组成的电容一共有七个，即M16与M15，M14与M13，…M4与M3，它们以并联的方式连接，从而组成电容阵列；电感与电容阵列组成耦合网络；耦合网络电路最下端有另外两个交叉耦合的NMOS管M2与M1，即NOMS管M2漏极与另一个NMOS管管M1的栅极相连，同时两个源极共接地。芯片在环境中的温度由芯片表面流体流速直接决定，随着流速的变化，芯片的温度也发生相应变化，从而使得芯片内的电容值发生变化，不同的电容值可以使流速计传感器输出不同频率的信号，将芯片区域温度变化对CMOS电容阵列的电容值大小的影响转换为输出信号的频率，因此，流速信息都包含在信号频率中。
图3示出功率放大器电原理图。
如图3所示，功率放大器对流速计传感器输出的信号进行功率放大便于以电磁信号在空间中进行无线传播，从而传输给远程信息处理端进行进一步的处理分析。其包括三级功率放大器和输入、输出端与各个级联的放大器之间一共四个变压器匹配网络。匹配网络由并联电容C1、C4、C7、C10和四个片上无源电感K1、K2、K3、K4组成。放大器部分由一对差分相连的晶体管M1-M6对和各自漏极交叉连接到对管体端的电容C2和C3、C5和C6、C8和C9组成。
在本文中，术语"包括"、"包含"或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得所述包括的一系列要素（如过程、方法、物品或者设备）不仅包括那些要素，还包括没有明确列出的其他要素。在没有更多限制的情况下，由语句"包括一个……"限定的要素，并不排除在包括所述要素外还存在另外的相同要素。
本发明中，实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。根据以上描述，可作很多的变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (3)

1.一种无电磁流量计的流速计，其特征在于，包括单片集成的流速传感器和功率放大器，集成设计并封装完成的芯片，其中：
所述流速传感器，包括LC谐振网络和CMOS晶体管构成的负电阻；具体由两个片上无源电感L1与L2，16个NMOS管M1-M16组成；其中，两个电感L1与L2的一端共同连接电源电压VDD，另一端与两个不同的NMOS管栅极相连，这两个NMOS管源极相连，漏极共接偏置电压，从而组成一个电容；这样由两个NMOS管组成的电容一共有七个，它们以并联的方式连接，从而组成电容阵列；上述两个电感L1与L2和七个电容组成耦合网络；耦合网络电路最下端有另外两个交叉耦合的NMOS管，即一个NMOS的漏极与另一个NMOS的栅极相连，同时两个源极共接地；
所述功率放大器，包括三级功率放大器，以及在输入、输出端与各个级联的放大器之间的一共四个变压器匹配网络；该匹配网络由并联电容和四个片上无源电感组成；所述三级功率放大器由差分对管和各自漏极交叉连接到对管体端的电容组成。
2.根据权利要求1所述的无电磁流量计的流速计，其特征在于，所述流速传感器用于检测在大气环境中的芯片区域的温度变化对CMOS电容阵列的电容值大小的影响，并将其转换为输出信号的频率；由于芯片在大气环境中的温度由芯片表面流体流速直接决定，所有信息都包含在信号频率中，从而便于低功耗发射和处理；所述功率放大器对温度传感器输出的信号进行功率放大，便于以电磁信号在空间中进行无线传播。
3.根据权利要求1所述的无电磁流量计的流速计，其特征在于，所述NMOS管均为场效应晶体管。
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