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流量傳感器的原理及構造

2019-10-30

流量傳感器是檢測氣體流量及流速的傳感器。流量傳感器一般有旋槳式、浮子式、超聲波式、熱線式等。歐姆龍的流量傳感器采用 MEMS 熱線式，與其他類型相比具有相對優異的特性。

各種流量傳感器的方式及其特點

一、流量傳感器的構造

歐姆龍的流量傳感器為氣體專用，可測量各種氣體的質量流量。流量傳感器的基本構成由測量流量的 MEMS 流量傳感器芯片、放大其輸出的放大電路、以及根據使用用途經CAE(computer-aided engineering)優化的流路結構構成。由于氣流是矢量流，因此這三個構成要素的優化設計非常重要。

流量傳感器內部結構例

歐姆龍的 MEMS 流量傳感器有以下 3 大類。它們分別是輸出流量的質量流量傳感器、輸出流速的風量傳感器、檢測細微差壓的差壓傳感器。

流量傳感器的形狀及尺寸因被測氣體的種類、流量、接頭形狀而異。

MEMS 流量傳感器芯片的基本結構如圖 3 所示。這種傳感器芯片采用使用熱線的質量流量檢測方式。其芯片中央具有加熱器，上游側的熱電堆 (A)及下游側熱電堆 (B)配置在加熱器的兩側，熱電堆附近配置有基座測溫體，它們均是采用半導體工藝制造的。加熱器和熱電堆列組的底部形成空腔，使得熱電堆可高效檢測加熱器的熱量。

流量傳感器芯片結構

二、質量流量傳感器的檢測原理

如圖 4 所示，恒定電流流向芯片中央的加熱器，產生熱量。無風時，加熱器周圍的熱分布是對稱的，因此 Vu 和 Vd 兩個熱電堆的電動勢相等。

另一方面，傳感器表面有氣體流動時，熱源隨著氣流偏向下游側，下游熱電堆的電動勢變大，Vd＞Vu。兩個熱電堆的輸出差大致與通過傳感器表面的氣體質量流量的平方根成正比。輸出靈敏度和質量流量取決于氣體的組成比。可以通過放大電路進行放大，以電子方式檢測氣體流量。風量傳感器經調整后輸出的電壓與質量流量為 25°C、101.3kPa 時的流速相當。