氣流式傾角傳感器敏感元件的有限元分析

紀明明+唐桂林+唐敏

摘要：筆者按照1：1的尺寸建立敏感元件實體模型，利用有限元分析軟件，通過計算氣流式傾角傳感器敏感元件密閉腔體內的溫度場及速度矢量場的分布，更加直觀、準確地研究分析其敏感機理。

關鍵詞：氣流式傳感器；有限元分析；敏感機理

一、氣體擺

氣流式傳感器是以測量傾斜角度、物體姿態(tài)等物理量的傳感裝置。敏感元件密閉腔體中的自然對流氣體具有如同固體擺一樣的特性，即當敏感元件相對于水平面發(fā)生傾斜時，敏感元件中的自然對流氣體的流動方向仍能保持豎直向上。由于這種特性與固體擺以及液體擺的特性十分相似，所以將其稱之為“氣體擺”。根據敏感元件的實際尺寸，采用1：1比例建立敏感元件密閉腔體的實體物理模型，采用有限元仿真的計算分析方法計算敏感元件內的溫度場和速度矢量場的分布狀況，進一步提高建模計算的精確度，從而更加合理地驗證和解釋氣流式傾角傳感器的敏感機理。

二、敏感元件的有限元分析

敏感元件實體模型中密閉腔體內流動的氣體為自然對流氣體。采用圓柱狀的外腔體和腔體內兩個水平放置且兩兩相對平行的小圓柱體，代表性質穩(wěn)定不容易被空氣氧化的材質為金屬鉑的熱敏電阻，兩熱敏電阻絲與流動空氣共同組成三維密閉腔體，并且兩熱敏電阻絲作為熱源溫度設定為常規(guī)實際溫度。敏感元件密閉腔體表面溫度設定為常溫，邊界的熱物理性質設定為不銹鋼。

筆者采用ANSYS軟件的FLOTRAN CFD分析功能對腔體內的三維實體流場進行計算分析。仿真求解的過程一般步驟包括建立模型和對建立的模型進行施加載荷和計算。筆者選用對角矩陣法求解器進行計算，這是由TDMA法的優(yōu)點決定的，其運算速度快，并能針對自然對流問題運算，可以得到比較準確的計算結果。最終的計算結果可以以圖形方式顯示氣流速度矢量圖和溫度場云圖。

筆者分析計算得到敏感元件內部的氣流場和溫度場。敏感元件密閉腔體內的兩根熱敏電阻絲具有兩個作用：一是對兩根熱敏電阻絲通電時，由于電流的熱效應，兩根熱敏電阻絲會發(fā)熱，可以作為密閉腔體內的熱源，并且兩根熱面電阻絲是平行水平放置的，因此會對密閉腔體內的氣體進行加熱；二是兩根熱敏電阻絲接入測量電橋，同時作為測量電路中檢測電橋的兩個臂，流場的改變會使流經兩根熱敏電阻絲表面的氣流速度發(fā)生變化，進而使得兩根熱敏電阻絲自身的電阻值隨氣流速度的變化而發(fā)生改變。

兩根熱敏電阻絲通電時會發(fā)熱作為熱源，會加熱密閉腔體內熱敏電阻絲周圍的氣體，使氣體的溫度上升；氣體溫度升高以后，會增大氣體自身的動能，因此會使氣體向豎直方向上發(fā)生流動，最終會在密閉腔體中形成對流；氣流會在兩根熱面電阻的上方并沿豎直向上的方向發(fā)生對流聚集，匯聚的最終結果是形成一個相對對稱的溫度場。當密閉腔體發(fā)生傾斜時，即器件發(fā)生一個角度輸入時，密閉腔體內的對流場會發(fā)生相應的改變，與此同時溫度場也會重新分布。這時密閉腔體內的對流場不再呈相對對稱的分布，但是在腔體內氣流的匯聚方向不會因為腔體水平或者傾斜而發(fā)生改變，即對流場的氣流匯聚方向仍然保持豎直向上，其方向沒有因為密閉腔體發(fā)生傾斜而改變豎直向上的匯集方向。產生這種現象的原因是腔體內存在浮升力，在這種力的作用下，密閉腔體內自然對流氣體的流動方向會與浮升力的方向一致，即密閉腔體內的對流氣體總會保持豎直向上的方向，不會隨著密閉腔體的水平或傾斜而發(fā)生改變。這與固體擺及液體擺的特性十分類似。

對比水平與傾斜一定角度的密閉腔體內的速度矢量圖，筆者發(fā)現，雖然密閉腔體內的自然對流氣體的匯聚方向仍然保持豎直向上，但是總的氣流流速分布發(fā)生了變化，這種變化的結果是密閉腔體內的溫度場會產生重新分布，使流經兩根熱源表面的氣體的流動速度發(fā)生改變。流過熱敏電阻表面的氣流速度發(fā)生改變，會導致熱敏電阻的自身溫度發(fā)生相應改變，熱敏電阻的自身電阻阻值會隨著熱敏電阻本身的溫度變化而發(fā)生相應變化。由于兩根熱敏電阻在扮演密閉腔體熱源這一角色的同時，還作為電路中測量電橋的兩個測量臂，兩熱敏電阻自身阻值的改變會使測量電橋失去平衡。沒有發(fā)生傾斜之前，測量電橋保持平衡狀態(tài)，平衡狀態(tài)下電路輸出電壓值為零。當密閉腔體發(fā)生傾斜即輸入一個角度以后，測量電橋則會輸出一個與傾斜角度相對應的電壓值，并且輸出的電壓值與密閉腔體發(fā)生傾斜的角度呈一一對應的關系。這種特性即可作為此為氣流式傾角傳感器敏感元件的敏感傾斜角度的敏感依據。采用三維實體建立的物理模型可以使仿真計算結果更加準確，借助仿真軟件計算結果的視圖觀察功能，可以直觀、實時地觀察計算結果，分析變化過程。

參考文獻：

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