氣體加速度傳感器的研制

于 瑤，翁永志，袁同安，葉 超

（三江學院a.物理教研室；b.電氣與自動化工程學院；c.機械工程學院，江蘇 南京201012）

1 引 言

在一個圓柱形密閉腔中加熱氣體，熱空氣上升，冷空氣下降，氣體形成對流.這種對流的氣體具有擺的特性［1］.加速度傳感器的工作原理正是利用了氣體的這種特性，當密閉腔靜止時，腔內的溫度場對稱分布，在腔內基準面上對稱位置設置的2個溫度傳感器之間應該沒有溫差，但是當密閉腔沿著基準面方向運動時，氣流在運動的方向上發生形變，2個溫度傳感器之間就有溫差，這個溫差的變化和加速度之間存在的關系正是本文要探索的問題.這個以學生為主，進行具有探索與研究性質的實驗，經過學習原理、選擇材料、制作傳感器、實驗操作并通過作圖的方法找出變化量之間的關系的全過程，有助于開拓學生的思維，提高學生的動手實踐能力，使學生變被動學習為主動學習.

2 實驗原理

氣體擺的工作介質是氣體分子，敏感元件是熱敏金屬絲.

在圓柱形金屬管內，將2根熱敏金屬絲r1和r2沿管中心軸線對稱的位置置于管內，如圖1（a）所示.金屬管兩頭密封，內部形成密閉腔，只留出4根熱敏絲作引出線，如圖1（b）所示.

圖1 傳感器示意圖

給r1和r2通電，使之發熱成為密閉腔中的熱源，在密閉腔中，靠近熱源處的氣體由于溫度高而向上流動，聚集在管壁附近的氣體因為溫度低、密度大，受重力場的作用向下流動，氣體在垂直向上的方向形成了自然對流.氣體對流和擺的特性相似，稱為氣體擺.

熱源r1和r2與軸心對稱，可以等效成位于軸心處有一熱源［1］，如圖2所示.

圖2 氣體擺現象

用1對熱敏絲r1和r2做加熱元件，既可以形成氣體擺在密閉腔內實現溫度場的分布，又由于熱敏金屬絲的電阻具有隨著溫度的變化的特性，而變化可作敏感元件用來檢測溫度的改變所對應的加速度.將熱敏絲r1和r2放在惠斯通電橋中，作為2個可變的電阻臂，電橋的固定電阻臂是R1和R2，并取R1＝R2，見圖3.當金屬密閉腔靜止時，r1和r2在對流場中所處位置對稱，上升氣流穿過熱敏絲時，對2根熱敏絲的影響相同，電阻值r1＝r2，電橋平衡，輸出電壓ΔV 為0.當密閉腔垂直于Y軸方向作加速度運動時，如圖1（a）所示運動方向，管內的氣流變形，對2根熱絲的影響不同，熱氣流加熱r2的強度高于r1的強度.由于r1和r2受熱不等，因此阻值r1≠r2，從電橋輸出的電壓ΔV不再為0.通過實驗找出加速度a與ΔV的關系，即用電壓的變化來反映加速度，可以將它做成測量加速度的傳感器.

圖3 傳感器原理圖

3 實驗方法

從原理可見，選擇1對合適的熱敏絲是關鍵.熱敏絲既要發熱好還要對溫度很敏感.實驗時以電阻率和溫度系數等物理參量作為選材參考，如：鎢絲具有很好的發熱性能，但是實驗中發現它對熱的敏感很差；鎳鉻材料熱敏感好但發熱效果不佳.在現有的材料中發現用于楊氏模量測量的鋼絲既具有良好的發熱性能，又具有較好的熱敏感性，而且價格低廉，可用于實驗.

密閉腔必須選用導熱性能好的金屬材料，可以將腔內的熱量及時傳出來，這樣做可以確保邊界條件接近穩定.反之若材料導熱不好，管壁的溫度會逐漸升高，邊界條件不穩定會給測量帶來很多麻煩.實驗選用黃銅管做密閉腔材料，直徑為2.992cm，壁厚為0.756cm，長為15.950cm；選用1對直徑為0.20mm的鋼絲，平行對稱于軸心且相距為7.0mm固定在管內，銅管兩端用橡膠塞密封后接入惠斯通電橋中［2］.

為了提高熱效率，電橋中取R?r，讓流經熱敏絲r1和r2的電流占電橋工作電流的95%以上.由于惠斯通電橋的4個臂電阻不能完全相同，在橋路的固定臂中間加了電位器，當密閉腔靜止，2根熱敏絲平置時，協助電橋調平衡［2］，如圖4所示.

圖4 增加電位器的惠斯通電橋

加速度的測量是把通有電流的金屬密閉腔搭載在小車上，構成整體，讓小車從不同角度θ的坡面滑下（坡面與小車滑輪接觸比較光滑，摩擦阻力忽略不計），見圖5.這樣做的好處是加速度測量可以在實驗室內進行，但是缺點是測量范圍小，只能測到g以內的加速度.

圖5 加速度的測量

小車對應的加速度為

4 數據處理

4.1 求a-ΔV 關系

通過多次反復做實驗，得到a和ΔV數據如表1所示，并繪制a與ΔV的關系圖.

表1 實驗數據

如圖6所示，通過對a與ΔV的擬合，得到函數關系為

a與ΔV之間是線性關系，ΔV單位為mV.

圖6 氣體加速度與輸出電壓的關系

4.2 計算密閉腔內的溫度

實驗所用的鋼絲直徑0.20mm，在室溫t0＝17.0℃下，用雙臂電橋測出2根鋼絲的電阻Ro＝4.008Ω，鋼絲的溫度系數α＝60×10-4℃-1，通電后鋼絲的阻值隨溫度發生變化為Rt，Rt與溫度的關系是：

加不同的電流I、電壓V，可得Rt＝V／I，由此可求出鋼絲的溫度t：

流過鋼絲的電流大小既要滿足鋼絲發熱的需求，使傳感器有良好的靈敏度，又要盡量減少功耗.實驗中，給鋼絲r1和r2通電流I＝0.60A，測得Vi＝3.2V，熱電阻值Rt＝5.3Ω.由（4）式估算出密閉腔熱源處的溫度約為71℃.

5 結束語

氣體加速度傳感器是大學物理實驗教學課程中的一個課題實驗，在教師的指導下，學生抱著極大的熱情和興趣投入到傳感器的研制中，從圖1（b）可見，傳感器的實物還非常粗糙.受普通物理實驗室條件的限制，該傳感器離實用器件在性能及工藝和大小等方面都相差甚遠.但這并不影響學生初次涉足課題研究的訓練，并取得了成功.氣體加速度傳感器于2011年獲得江蘇省大學生物理及實驗創新競賽二等獎.

［1］張福學.密閉腔內氣流的擺的特性［J］.中國工程科學，2002，4（8）：51-53.

［2］史朦朦，張海波，李路，等.用氣體擺的原理制作平衡姿態傳感器［J］.物理實驗，2011，31（9）：13-15.

［3］李興毅.輸出電壓無非線性誤差的電橋電路傳感器［J］.物理實驗，2006，26（9）：30-32.

［4］曹迎春，熊永紅，李升，等.簡易水平測傾儀的設計［J］.物理實驗2007，27（3）：23-25.