基于MEMS的液压系统流量传感器的理论与实验研究

论文摘要

随着机电液一体化技术的发展和故障诊断理论水平的进步,管路流量作为系统状态信息的丰富载体,越来越受到人们的重视,而液压工业需求价格低、快响应、满足一定精度的流量传感器的呼声也越来越强烈,因此具有体积小、功耗低、性能稳定、易于集成、批量生产成本极低的微机电(MEMS)传感器大有希望在此扮演重要角色。本文在本研究小组提出了新的测量方法的基础上,通过对新方法建立数学模型,进行数值仿真与物理实验实现了液压系统流量的初步测试。具体工作如下:1.概括了新兴的MEMS技术特点及最新成果,确定了适合本课题的MEMS传感器类型——压阻式MEMS压力传感器,进而对其工作机理和技术参数进行了研究分析,选出了比较适合本课题研究的MEMS传感器。2.推导了新型传感器的流量—压差关系数学模型,并对异径结构的参数进行了数值优化,设计制作了异径结构装置,并应用FLUENT软件对其进行仿真分析,研究了传感器内部的速度场和压力场,验证了所建立的数学模型并发现了有待完善之处,确定了力敏芯体的植入部位,并获得了压力差—流速曲线,之后仿真分析了实验条件下新流量传感器模型的流场特性。3.在实验中对MEMS芯体进行了标定,制作了传感器样机,根据系统提供的油源进行测试,并用高精度的涡轮流量计对流量传感器的测量结果进行了比较,表明该新型传感器能够用于液压系统的流量测量,通过分析差异,得出传感器受结构参数影响的一般规律。同时与仿真曲线对比,分析了该传感器产生误差的原因,提出了改进办法。一个新的传感器从理论产生到走出实验室还有很长的道路要走。该研究继续下去将对流量—压差机理进行深入探讨,建立与实际更加贴近的数学模型,优化出具有高信噪比、低能耗的结构参数,通过大量的实验来掌握这种新型流量传感器的测量规律,为今后在工程上的广泛应用打下坚实的基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 流量测量的一般概述
• 1.2 液压系统中的流量测量概述
• 1.2.1 流量测量在液压系统中的意义与特点
• 1.2.2 液压系统中流量测量的国内外研究现状
• 1.3 基于MEMS传感器的液压系统流量测量新方法
• 1.4 论文的研究背景及主要研究内容
• 1.4.1 论文的研究背景
• 1.4.2 论文的主要研究内容
• 第2章 MEMS简介及对MEMS传感器的选型
• 2.1 MEMS简介及国内外研究现状
• 2.2 MEMS微传感器的特点
• 2.3 MEMS力学流量传感器的原理及选型
• 2.3.1 力学流量传感器的原理
• 2.3.2 压阻式MEMS压力传感器工作原理
• 2.3.3 MEMS力学传感器的选型
• 2.4 本章小结
• 第3章 新型流量传感器的建模与尺寸优化
• 3.1 流量—压差关系模型的导出
• 3.2 异径管结构的优化设计
• 3.3 本章小结
• 第4章 新型流量传感器的仿真分析
• 4.1 CFD及其软件介绍
• 4.1.1 CFD简介
• 4.1.2 FLUENT软件概述
• 4.2 新流量传感器内外流场的计算机建模
• 4.2.1 异径管内外流场的计算步骤
• 4.2.2 异径管内外流场的几何建模
• 4.2.3 计算网格的划分
• 4.2.4 计算模型的建立
• 4.3 传感器内外流场仿真的一般性分析
• 4.3.1 仿真的条件
• 4.3.2 仿真结果与分析
• 4.4 传感器内MEMS力敏芯体置入位置的确定
• 4.5 压力差随流速变化的仿真分析
• 4.6 异径管上开口及支撑对流场影响的仿真分析
• 4.7 本章小结
• 第5章 新型流量传感器的实验研究
• 5.1 MEMS芯体的标定及传感器制作
• 5.1.1 MEMS芯体的标定
• 5.1.2 传感器制作
• 5.2 实验系统及测试条件
• 5.3 传感器实测和分析
• 5.3.1 基本测试
• 5.3.2 不同结构参数的测试对比
• 5.3.3 实验与仿真的对比标定
• 5.3.4 传感器的误差实验与分析
• 5.4 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 本文总结
• 6.2 相关工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 研究生履历