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1、热式流速传感器技术调研报告学 院： 制造科学与工程学院 姓 名： 谢焯俊 学 号：上课时间： 周二下午7-9小节摘要： 本文系统介绍了出现于20世纪20年代并发展至今的热式流速测量法以及相应的多种传感器原理、结构、制造工艺、应用、控制、性能、发展历程、现状和趋势，并对此类流速传感器现存问题开展了简单的讨论。关键词：流速流向测量热线/膜式流速传感器热导式流速传感器 热脉冲式流速传感器长期以来，流体流速、流量的监测一直是人类工业生产与科学技术发展过程中非常重要的领域之一。流速传感器，是一种能够探测流体流动速率（部分可同时探测速度矢量）的装置，现流体流速传感器已经被广泛地应用在：1） 汽车工业，用于
2、检测进入发动机的空气量，为汽车发动机提供准确的喷油量，充分发挥发动机效能降低环境污染节约燃油12。2） 航天工业，用于风洞试验中检测航天器的空气动力学特性从而指导工程师调整航天器的气动布局等空气动力结构，实现航天器设计的优化，同时也应用于航天推进器的燃油供给控制，实现了推进器效能的优化3。3） 燃气控制，用于电厂锅炉空气给入量与煤的比例控制，民用、工业现场的天然气、液化气、煤气、烷类等可燃气体的流量监控，燃汽轮机氢气质量流量监控等4。4） 医疗监控，用于呼吸功能测量，为呼吸疾病的诊断和治疗提供医学依据56。5） 工业监控，应用于化学、石化、食品等流程工业实验性装置，如液化气流量监测，高压泵流量
3、控制反馈，药液配比系统定流量配比控制，直接液化气态计量后气化供给工业流程或商业销售4。6） 建筑环境监控，用于空调室内空气质量与通风节能的最优化控制4。7） 科学研究，应用于流体力学，水力学，空气动力学，气象科学，环境保护学以及生态学等科学研究中充当了一种先进的科学仪器3789。可见，流速传感器在许多涉及流体的领域都发挥了非常重要的作用。在人类对流体状态两千多年的探索10中也逐步形成了多种测量流体流动速度的优秀方法。不同测量方式用到的传感器也有多种形式，如机械式风速传感器（风杯、螺旋桨）、皮托管风速仪（动静压）、热式流速传感器、超声波测速仪、多普勒测速仪、粒子成像测速仪等，不同的传感器有各自的
4、适用场合和流速范围11。热式测速法则利用了流体热传导以及强迫对流冷却的方式实现了热学量与流体速度的相互转化，实现了通过控制与测量与温度有关的物理量来间接地测量流体的流速。热式测速传感器经过百年的发展已经在一定的流速范围内趋于成熟，在发展的过程中出现了三种主要的热式传感器类型，分别是12:1）热线式（冷却）流速传感器.2）热导（热膜）式流速传感器.3）热脉冲式(time-of-flight)流速传感器.与此同时，基于这三种基本原理开发的具有流速矢量检测功能的新型热式流速传感器也在不断发展中。鉴于热式流速传感器普遍具有精度高（0.1mm/s）、反应迅速（1.5ms）、结构简单紧凑且无运动部件、抗振
5、动、耐高温、体积小（mm量级）、重量轻、可高度集成化IC、CMOS、MEMS工艺可用等优点，现已被广泛应用到上述应用中，同时也成为了各国研究人员研究的热点。本文将详细介绍以上三种热式流速传感器的原理、结构、性能、制造工艺、发展历程与未来趋势，同时对目前热式传感器存在的问题开展简单的讨论。一、 流体的一些特性1、 流体的粘滞性与边界层效应当液体处在运动状态时，若液体质点之间存在着相对运动，则质点间要产生内摩擦力抵抗其相对运动，这种性质称为液体的粘滞性。30通常用流体速度相同的层与层之间的切应力大小来描述流体的粘滞力大小，如下切应力（粘滞力）公式：其中，为随流体种类不同而不同的比例系数，称为动力粘
6、度。两流层间流速增加与其距离的比值又称为流速梯度。图1-1 （层流绕无攻角壁面流动时的流速分布）粘滞力普遍存在于常规流体中。由于流体的这种粘滞性，可以解释上图现象，即紧贴固体壁面的流体流速为零，其他流层的流速随着该层流体距离固体壁面法向距离的增大而增大，最终恢复到自由来流的流速大小。边界层是高雷诺数绕流中紧贴物面的粘性力不可忽略的流动薄层，通常认为是从壁面开始，沿法线方向至速度与自由流速度U相等（严格地说是等于0.990U或0.995U）的位置之间的流层，边界层又称流动边界层、附面层。2、 雷诺数、层流与湍流1883年，雷诺（Reynolds）曾用试验揭示了实际液体运动存在的两种型态即层流和湍
7、流（也称紊流）的不同本质。图1-2 （雷诺实验装置）图1-3（雷诺实验结果区分层流与湍流）雷诺实验的结果，发现临界流速与液体的密度，动力粘度及管径都有密切关系，并提出液体型态可用下列量纲一的数来判断：Re即为雷诺数。运动粘度。判断流体型态，以下临界雷诺数Recr为标准：实际雷诺数大于下临界雷诺数时就是湍流，小于下临界雷诺数时一定是层流（下临界雷诺数Recr为流体从湍流转变为层流临界点处的雷诺数，与之对应的上临界雷诺数Recr则是流体从层流转变为湍流临界点处的雷诺数，通常Recr Recr 且Recr极不稳定）。30图1-4（不同雷诺数下流体中圆柱体尾流的湍流型态）湍流的基本特征是许许多多大小不
8、等的涡体相互混掺着前进，它们的位置、型态、流速都在时刻不断地变化着30。图1-5（相同雷诺数，不同攻角下的翼面湍流）由于湍流广泛存在于各种流体中，对工程设计与实践都有不可忽略的巨大影响，同时湍流又具有极大的不确定性，给相关的数学建模与数学分析带来了很大的困难，因此对湍流的研究一直是流体力学领域中的重点和难点，人们一直在探寻一种能够全面描述湍流现象的流体力学模型，而在其中热式传感器发挥了不可忽视的重要作用。二、 热式流速传感器的发展20世纪初期，英国人首先完成了热线用于流场测量的原理性实验，随后McGill大学的提出了无限长线和流体之间的热对流理论，他研究了热线散失的热量Qd与流体速度v，以及热
9、线与流体之间的温度差T =(Tw-Tf)（通常为20到80）几个量之间的关系，给出了具体的表达式式中为流体密度，A、B为特定系数，它们实际上反映了热线式风速传感器本身的热学特性和被测流体热学特性的影响，在传感器的设计过程中需要通过对传感器原型进行标准流速实验来测定A、B的值。因为热线的发热功率为，根据基本的能量守恒定律可知，最终可以得到热线测流速的原理方程：King表达式被大家普遍采纳，从此多国研究人员开始对热线进行实验性研究4。最早发明的热式气体质量流量传感器是热线式气体流量传感器，利用放在流场中具有加热电流的细金属丝与流体发生强迫对流冷却来测量流体的流速、流量，因具有连续测量的特点使其在很
10、长一段时间内具有难以替代的优势。图2-1 （热线式探头的核心是红圈内的超细金属丝）但由于热线式气体流量传感器受多个参量的影响，存在着交叉灵敏度，这影响它的稳定性以及灵敏度，同时热线式传感器测量的流量与其输出电信号的对应关系是非线性的，要进行补偿。到了近几十年，由于电子技术的飞速发展，各种补偿技术不断提高，使热线式流量传感器的精度大大提高，测量范围扩大，目前已在低速、亚声速、跨声速和低超声速流场测量中得到了广泛应用。虽然如此，热线式传感器仍旧存在许多问题，首先热线的一致性很差，难以进行批量生产；其次，当测低速流体时，热紊乱很大，严重影响其低速测量精度；热线的抗污染腐蚀能力差，价格高，易损坏；利用
11、热线测量流速时会有较大的电子噪声，导致它的相应速度下降等等的因素限制了它的进一步发展。为克服热线探头以上的种种缺陷，Ling等人于1956年引入了热膜探头作为湍流研究的工具。而在1992年，Mark Sheplak 采用铱作为热膜材料、蓝宝石作为衬底研制出了“狗骨头”型热膜式锲型衬底热膜探头原型。图2-2 （初期热膜式探头结构）图2-3（“狗骨头”式热膜传感器结构，pad是热平板，测量时流体流速与sensor平行）伴随着微电子加工技术发展以及MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）技术的兴起，热膜式气体质量流量传感器成为新的研究焦点。热膜式气体质量流量传感器作
12、为热线式气体质量流量传感器的改进产品，采用硅微机械加工技术制成，具有体积小、成本低 、稳定性好、兼容性强、精确度高、功耗低、响应时间短等特点13。而到了现在，热式传感器已经发展到了相当成熟的阶段，同时基于热对流原理的流速传感器新技术也仍在不断涌现。荷兰Delft大学提出了基于分时Sigma2delta调制技术的热风向风速传感器完全基于标准的IC工艺，加工技术和传感器测量工作时全部使用CMOS技术，高度集成化提高了传感器的机械强度以及电路集成能力。瑞士苏黎世ETH物理电子学实验室也进行了另外一种形式的研究，他们的传感器基于标准CMOS工艺，可以测量0-38m/s的风速，整个功耗只有2mW。密西根
13、大学应用多个传感器集成的方法，对热风速计进行了探讨，并对这一类传感器的发展产生了重大的影响。韩国Kyungpook National University 基于MEMS工艺研制了悬浮膜的热膜式风速传感器，传感器测量的最大风速可达到25m/s11。Ito et al.通过在铂电阻丝上加装碳纳米管提高了铂丝与流体之间的导热率，实现了传感器灵敏度的提高14。日本Fumio YOSHINO等人，利用由3根热线构成的三维热线式测速探头对湍流开展了系统的研究8。目前风速传感器主要朝高度集成化、智能化、多功能化、数字化、网络化、自适应化发展11。三、 热线（冷却）式流速传感器图3-1 （热线式流速传感器原理
14、热耗散）热线式(Hot-wire)流速传感器，又称冷却式流速传感器，泛指利用对流冷却原理测速的传感器。图3-2 （热线式流速传感器原理）此类流速传感器的核心部件是一根放置于流场中通有加热电流的细金属丝，当相对温度较低的流体绕金属丝流动时通过热传导与强迫对流迫使金属丝降温冷却，利用电路检测金属丝的电阻、电压降、电流从而控制金属丝的发热功率、热电阻（间接控制温度）、电压降、电流大小等电学量，利用不同流速下对应的电学量大小来反映流速大小。图3-3（最简单的热线流速传感器探头）制作热线、热膜使用的材料通常为具有电阻温度系数很高的铂、钨、铂铑合金，将上述金属拉制成非常细（1-10um）而短（0.2-3m
15、m）的金属丝，在其上再溅射一层极薄（0.5-2um）的石英膜绝缘保护层，最后将该金属丝固定于两根纤细的镍合金支杆端点处悬空拉直，热线式传感器的核心部件就完成了415。图 3-4 （用镍电阻丝盘绕布置成桥式布局的热线、膜式流速传感器在标准流场中进行标定）16还有的则用一片很薄（厚度0.1um）的金属薄膜或铂丝筛网替代金属丝，并只在一个面上与流经该表面的流体接触同样能够达到冷却测速的效果，这就构成了广义上的热膜式（Hot-film）传感器4。图3-5 （Hot-film传感器表面的对流冷却）利用IC或MEMS工艺，可将热线式流速传感器集成在很小的一块硅晶片上，制成具有很高灵敏度与反应速度的热式流速传感器。图 3-6 （MEMS工艺制作的铂丝热线式流速传感器）Bailey et al.成功制作了一个纳米级的Pt热线式流速传感器，其尺寸仅有100nm x 2um x 60um（如图3-6）16。图 3-7 （Malley等利用MEMS工艺所制作的热膜式流量计）17热线式流速传感器除普通的单线式外，还可以是组合的双线式或三线式，用以测量各个方向的速度分量。从热线输出的电信号，经放大、补偿和数字化后输入计算机，可提高测量精度，自动完成数据后处理过程，扩大测速功能，如同时完成瞬时值
