气流式倾角传感器敏感元件的有限元分析

纪明明+唐桂林+唐敏

摘要：笔者按照1：1的尺寸建立敏感元件实体模型，利用有限元分析软件，通过计算气流式倾角传感器敏感元件密闭腔体内的温度场及速度矢量场的分布，更加直观、准确地研究分析其敏感机理。

关键词：气流式传感器；有限元分析；敏感机理

一、气体摆

气流式传感器是以测量倾斜角度、物体姿态等物理量的传感装置。敏感元件密闭腔体中的自然对流气体具有如同固体摆一样的特性，即当敏感元件相对于水平面发生倾斜时，敏感元件中的自然对流气体的流动方向仍能保持竖直向上。由于这种特性与固体摆以及液体摆的特性十分相似，所以将其称之为“气体摆”。根据敏感元件的实际尺寸，采用1：1比例建立敏感元件密闭腔体的实体物理模型，采用有限元仿真的计算分析方法计算敏感元件内的温度场和速度矢量场的分布状况，进一步提高建模计算的精确度，从而更加合理地验证和解释气流式倾角传感器的敏感机理。

二、敏感元件的有限元分析

敏感元件实体模型中密闭腔体内流动的气体为自然对流气体。采用圆柱状的外腔体和腔体内两个水平放置且两两相对平行的小圆柱体，代表性质稳定不容易被空气氧化的材质为金属铂的热敏电阻，两热敏电阻丝与流动空气共同组成三维密闭腔体，并且两热敏电阻丝作为热源温度设定为常规实际温度。敏感元件密闭腔体表面温度设定为常温，边界的热物理性质设定为不锈钢。

笔者采用ANSYS软件的FLOTRAN CFD分析功能对腔体内的三维实体流场进行计算分析。仿真求解的过程一般步骤包括建立模型和对建立的模型进行施加载荷和计算。笔者选用对角矩阵法求解器进行计算，这是由TDMA法的优点决定的，其运算速度快，并能针对自然对流问题运算，可以得到比较准确的计算结果。最终的计算结果可以以图形方式显示气流速度矢量图和温度场云图。

笔者分析计算得到敏感元件内部的气流场和温度场。敏感元件密闭腔体内的两根热敏电阻丝具有两个作用：一是对两根热敏电阻丝通电时，由于电流的热效应，两根热敏电阻丝会发热，可以作为密闭腔体内的热源，并且两根热面电阻丝是平行水平放置的，因此会对密闭腔体内的气体进行加热；二是两根热敏电阻丝接入测量电桥，同时作为测量电路中检测电桥的两个臂，流场的改变会使流经两根热敏电阻丝表面的气流速度发生变化，进而使得两根热敏电阻丝自身的电阻值随气流速度的变化而发生改变。

两根热敏电阻丝通电时会发热作为热源，会加热密闭腔体内热敏电阻丝周围的气体，使气体的温度上升；气体温度升高以后，会增大气体自身的动能，因此会使气体向竖直方向上发生流动，最终会在密闭腔体中形成对流；气流会在两根热面电阻的上方并沿豎直向上的方向发生对流聚集，汇聚的最终结果是形成一个相对对称的温度场。当密闭腔体发生倾斜时，即器件发生一个角度输入时，密闭腔体内的对流场会发生相应的改变，与此同时温度场也会重新分布。这时密闭腔体内的对流场不再呈相对对称的分布，但是在腔体内气流的汇聚方向不会因为腔体水平或者倾斜而发生改变，即对流场的气流汇聚方向仍然保持竖直向上，其方向没有因为密闭腔体发生倾斜而改变竖直向上的汇集方向。产生这种现象的原因是腔体内存在浮升力，在这种力的作用下，密闭腔体内自然对流气体的流动方向会与浮升力的方向一致，即密闭腔体内的对流气体总会保持竖直向上的方向，不会随着密闭腔体的水平或倾斜而发生改变。这与固体摆及液体摆的特性十分类似。

对比水平与倾斜一定角度的密闭腔体内的速度矢量图，笔者发现，虽然密闭腔体内的自然对流气体的汇聚方向仍然保持竖直向上，但是总的气流流速分布发生了变化，这种变化的结果是密闭腔体内的温度场会产生重新分布，使流经两根热源表面的气体的流动速度发生改变。流过热敏电阻表面的气流速度发生改变，会导致热敏电阻的自身温度发生相应改变，热敏电阻的自身电阻阻值会随着热敏电阻本身的温度变化而发生相应变化。由于两根热敏电阻在扮演密闭腔体热源这一角色的同时，还作为电路中测量电桥的两个测量臂，两热敏电阻自身阻值的改变会使测量电桥失去平衡。没有发生倾斜之前，测量电桥保持平衡状态，平衡状态下电路输出电压值为零。当密闭腔体发生倾斜即输入一个角度以后，测量电桥则会输出一个与倾斜角度相对应的电压值，并且输出的电压值与密闭腔体发生倾斜的角度呈一一对应的关系。这种特性即可作为此为气流式倾角传感器敏感元件的敏感倾斜角度的敏感依据。采用三维实体建立的物理模型可以使仿真计算结果更加准确，借助仿真软件计算结果的视图观察功能，可以直观、实时地观察计算结果，分析变化过程。

参考文献：

[1]张福学.自然对流气体的摆特性及其在传感器中的应用[J].中国工程科学，2002，4（8）.

[2]王国强.实用工程数值模拟技术及其在ANSYS上的实践[M].西安：西北工业大学出版社，1998.endprint