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基于铜悬臂梁开关的低功耗热式流量计研制

发布时间:2019-04-16 17:01:49 浏览:

热式流量计需要不断对流体进行加热, 因此在电路的设计中必须要考虑节能。本文提出采用铜悬臂梁作为电路开关, 利用悬臂梁的静态特性, 感应气体流动, 实现电路的控制, 对加热器供电并检测流速和计加累积数。无气流时电路关断, 既降低功耗又减轻电路设计的复杂难度[1]

1 系统原理

如图1所示, 悬臂梁开关由一个金属悬臂梁和一个金属触点两部分构成。将悬臂梁置于通道中, 使得悬臂梁弯曲方向与通道中气体的流向平行。当有流体通过时, 流体压力使悬臂梁向下弯曲, 悬臂梁末端与触点接触, 信号导通;当没有外界流体后, 悬臂梁末端与触点脱离接触, 电路断开。

图1 通道中流量计结构

图1 通道中流量计结构   下载原图

2 悬臂梁原理

2.1 悬臂梁的仿真

使用intelliSuite仿真软件对铜悬臂梁进行建模仿真, 对铜悬臂梁施加条件, 从悬臂梁的根部向尖端添加气流, 利用微观条件下气流引起的黏着力对悬臂梁造成形变, 使其向下弯曲, 与下端的两个节点连接, 从而电路导通。由于悬臂梁在气路中是垂直于通道的, 所以重力的效果可以忽略[2,3]

仿真结果表明, 悬臂梁的弯曲程度随悬臂梁膜厚的增大而呈指数下降, 随宽度增加而增加, 随着悬臂梁长度的增加呈指数增长。所以为了满足低压力下悬臂梁开关的作用, 应该在条件允许的条件下尽可能降低悬臂梁的厚度。

2.2 悬臂梁制作

依据上述仿真结果, 本设计采用纳米压印的技术结合微电子的光刻工艺制作了悬臂梁。悬臂梁厚度0.1μm, 长度200μm。

如图2所示, 本设计的悬臂梁底层是硅层, 主要起绝缘和支撑作用。中间是下电极和接触金属, 对梁起到一定的支撑作用, 是悬臂梁的关键层。上层是金属层, 是悬臂梁开关的悬臂梁。悬臂梁和悬臂梁接触金属之间的距离为2μm。考虑设备的抗腐蚀性以及制作成本, 本设计选取铜作为悬臂梁开关的材质。

图2 悬臂梁开关示意

图2 悬臂梁开关示意   下载原图

3 系统设计

为了验证上述设计的有效性, 本文设计了基于铜悬臂梁开关的热式流量计的控制电路, 并编写了相应的数据处理软件。系统采用LPC2104作为控制器, 采用TI公司24位数模转换器ADS1232作为A/D转换器。悬臂梁开关作为LPC2104的外部中断源, 用于触发和唤醒系统工作。

3.1 悬臂梁开关电路设计

如图3所示, 悬臂梁开关连接在LPC2104的外部管脚上, 将该管脚设置为外部中断。悬臂梁开关的一端连接5 V电平, 一端连接三级管的基极。

图3 流量计原理框

图3 流量计原理框   下载原图

当流量计的管道中有气体流动时, 悬臂梁开关闭合, 三极管导通, 此时LPC2104的管脚由低电平变为高电平, 触发LPC2104外部中断, 将流量计从低功耗睡眠状态唤醒, 进入工作状态。三极管的作用有两个: (1) 提高系统的驱动能力, 通过电源直接对电容C4充电, 使得电平快速由低电平变为高电平。 (2) 保护悬臂梁开关。电容和电阻组成低通滤波网络, 滤除悬臂梁开关震动对电路的影响, 提高采集精度[4]

3.2 算法设计

本文中热式质量流量计采用“热耗散”的原理, 其热耗散过程遵循“金氏定律”。金氏定律的加热丝热散失率各参量间的关系为:

 

其中:S是加热器面积, H/S是单位长度热散失率;T是热丝高于自由流速的平均升高温度;λ是流体的热导率;Cv是定容比热容;ρ是密度;U是流体的流速;d是热丝直径。

所以耗散功率P与温度差ΔT、流速之间的关系如式 (2) 所示:

 

其中:f是常数。

根据热传导理论, 设定系统的加热功率P, 即可测量得到温度差ΔT, 依此可计算得到系统的流速。

4 实验

依据上述理论, 本文设计了一个基本样机并进行了测试, 对悬臂梁开关功能进行了测试。在实验中, 将悬臂梁放置在管道内部, 通过示波器实时监测悬臂梁2管脚和LPC2104的管脚上的电压, 当管道内有气体流过时, 这两个管脚上如果是高电平5 V, 说明悬臂梁在气体流动产生的压力压迫下实现了开关作用;如果都为低电平0 V, 说明悬臂梁没有动作, 悬臂梁没能关闭。如果悬臂梁在流动空气压迫下产生抖动, 关闭不完全, 此时悬臂梁2号管脚上会有方波出现, 此时单片机管脚电压处于0~5 V。通过测试, 在上述流量下, 这两个管脚均为高电平5 V左右, 说明悬臂梁开关工作正常, 达到了设计目的。

5 结语

本文利用低功耗热式流量计开关的结构原理, 设计了基于铜材质的悬臂梁开关, 并对其性能作仿真分析和实验验证, 结果表明铜材质的悬臂梁适合作为热式流量计的开关, 功能满足需求, 具有实际应用价值。