[发明专利]基于同步共振的高分辨率差压式流量传感器及检测方法

说明书

技术领域

本发明属于差压式流量传感器，尤其涉及一种基于同步共振的高分辨率差压式流量传感器及其检测方法。

背景技术

近年来，流量传感器作为检测流体流量的主要工具，广泛应用于能源运输、医学诊断、生化实验、航空航天、公共安全等各个领域。差压式流量计应用最多的是孔板式结构，其结构牢固，性能稳定可靠，使用寿命长，且应用范围广泛，至今尚无任何一类流量计可以与之相比拟。

目前已有很多机构为获得高分辨率的流量传感器，对传感器的结构、信号传输进行了探索和设计。早在17世纪，托里拆利奠定差压式流量计的理论基础，自那以后,18、19世纪流量测量的许多类型仪表的雏形开始形成，如皮托管、文丘里管、容积、涡轮及靶式流量计等。英国格林威治大学提出了一种基于小波变换的新方法，用于评估DP流量传感器中感测线路的阻塞，从而提高对流量检测的分辨率；中国计量学院计量测试工程学院提出了一种由双锥组成的新型差压式流量传感器，其流量传感器比传统的差压流量计有压力损失小、流动状态更稳定，从而提高测量精度。但目前流量传感器量程都比较小，且当流量不足满量程的1/3时，节流形成的压差较小，导致测量误差较大。

发明内容

本发明提供一种基于同步共振的高分辨率差压式流量传感器及检测方法，通过将压强的变化转换为气体密度的变化，进而引起质量的变化，然后利用同步共振悬臂梁结构实现对质量微弱变化的检测，从而提高传感器的分辨率。

本发明采取的技术方案是：分隔膜处于底座与支撑部中间，底座内流道与支撑部压缩腔位于分隔膜两侧，第一对同步共振悬臂梁和第二对同步共振悬臂梁的一端分别与支撑部连接、另一端分别与敏感腔连接，第一对同步共振悬臂梁和第二对同步共振悬臂梁的结构相同、且第一对同步共振悬臂梁与第二对同步共振悬臂梁形成差动结构，其中第一对同步共振悬臂梁结构是：检测梁通过耦合梁与拾振梁相连，检测梁内流道一端与支撑部内流道连接、另一端与敏感腔连接，该支撑部内流道还与支撑部压缩腔连接，支撑部压缩腔、支撑部内流道、检测梁内流道和敏感腔中充满气体。

所述的拾振梁包括拾振梁基底，所述拾振梁基底上表面依次设置下绝缘层一、压电拾振片和上绝缘层一。

所述的检测梁包括检测梁基底，所述检测梁基底上表面依次设置下绝缘层二、压电激振片、上绝缘层二，检测梁基底内有检测梁内流道。

所述的检测梁内流道为多流道毛细状并行通道结构。

所述的敏感腔为空心结构，外形为球体、圆柱体、立方体或不规则几何体。

所述的气体采用高密度易压缩且理化性质稳定的气体。

一种流体流量的检测方法，包括下列步骤：

(1)将该装置的底座与节流装置固连，并保证引压流道与底座流道密封连接；

(2)将流量传感器的压电激振片与信号发生器相连、压电拾振片与后期信号处理电路相连；

(3)对传感器进行标定，在管道中通入固定流量的流体，当被测流体处于紊流状态时，利用信号发生器给压电激振片施加扫频激励，在激励频率等于检测梁的一阶固有频率下，检测梁、拾振梁振幅均产生倍增，发生同步共振，通过压电拾振片及后期处理电路可得到拾振梁频率的偏移量，此时记录拾振梁频率的偏移量；

(4)改变管道流体流量，进行重复标定，确定该传感器待标定系数K；

(5)当被测流体通过节流装置且处于紊流状态时，给检测梁施加扫频激励，发生同步共振现象后，分别记录两对同步共振悬臂梁的频率偏移量△ω₁₂、△ω₂₂，则被测流体流量为：

其中Q为被测流体流量，K为标定系数，β为同步共振悬臂梁的频率放大倍数，M为压缩腔内气体的摩尔质量，T为压缩腔内气体开尔文温度，R为气体比例常数，ρ_被测流体为被测流体密度，ω₁₂为第一对同步共振悬臂梁拾振梁的初始固有频率，△ω₁₂为测量过程中第一对同步共振悬臂梁拾振梁谐振频率的偏移量，ω₂₂为第二对同步共振悬臂梁拾振梁的初始固有频率，△ω₂₂为测量过程中第二对同步共振悬臂梁拾振梁谐振频率的偏移量。

本发明的优点是：

(1)应用理想气体定律，可实现将压强信号转变为质量信号，通过同步共振悬臂梁检结构将其转换为频率信号并放大，通过对频率偏移量的检测可实现对压强的测量，从而提高传感器的分辨率。

(2)检测梁末端采用球形密封腔，承压能力更强，且体积更大，气体分子初始含量更多，质量变化更敏感，从而提高传感器的分辨率。