摘要:应变式呼气流量传感器利用应变电桥对人的呼气流量进行测量。为实现对变化呼气流量的正确测量,该传感器在工作频带范围内必须满足无失真测量条件。用有限元分析软件ANSYS建立了该传感器的有限元模型。对该模型进行模态分析得出了它的前四阶振型和固有频率。对该模型进行谐响应分析,得到了该传感器的幅频特性曲线和相频特性曲线。通过分析这些仿真结果得出了该传感器在工作频带范围内符合无失真测量的条件,能对人的呼气流量进行正确的测量。
1 引言
应变式呼气流量传感器是利用应变原理测量人的呼气流量的一种传感器[1],它的结构简单,基本的测量原理与靶式流量计相同,只是将靶式流量计中的靶换成弹性元件然后直接放在流道中,并将应变片直接贴在弹性元件上。图1是我们与上海市第九人民医院共同研制的流量传感器,它被用 在家用哮喘监控仪器峰流速仪上。
它是由四个相同的薄型扇形弹性原件组成,将它们悬臂地布置在气流流经的内孔(φ26)内,当气流以不同的流速流经内孔时,气流将在弹性元件上产生一个均布作用力.该力使得悬臂部分产生一个应变,应变作用在贴在它上面的电阻应变片上,其中两个应变片贴在正面,另外两个对称贴在反面使它们组成一个全臂电桥。电桥的输出端就产生了一个随流量变化的电压变化,通过测量出该电压就可以得到被测气流的流量。图2是测量原理示意图。
人的呼气流量在一次呼气过程中是连续变化的。它的变化范围一般在0~720l/min之间变化,流量信号的最高频率为40Hz[2],因此要想对人的呼气流量进行正确的测量,传感器的工作频带至少为40Hz,下面我们建立应变式呼气流量传感器的有限元模型,然后利用模态分析和谐响应分析的方法来研究该传感器动态特性,看它在工作频带内是否满足无失真测量要求,是否能对呼气流量进行正确的测量
2 有限元模型的建立
因为四个弹性元件的形状和受力情况都相同,因此只需要选择其中的一个分析即可。弹性元件的材料选用铂青铜,它的材料特性参数如下:
弹性模量E=128×109Pa[3]
密度ρ=8230kg/m3
泊松比μ=0.31
弹性元件的厚度为2×10-4m,在建模时因为弹性元件的厚度大于8×10-5m,应变片厚度相对于弹性元件的厚度很小,所以不用考虑应变片对弹性元件的影响[4]。下面用ANASYS软件进行有限元分析。单元选取SHELL63[5],它具有弯曲及薄膜特性,与平面同方向及法线方向的负载皆可承受。单元具有x,y,z位移方向及x,y,z旋转方向的6个自由度。单元划分采用自动划分单元。边界约束采用固支,模型如图3。
3 模态分析
模态分析可以确定一个结构的固有频率和振型,该传感器近似为一个二阶低通滤波器,其频率特性直接影响工作频带的大小。因此在进行谐波分析之前应对其进行模态分析以确定其模态特性。在进行模态分析时一般不考虑阻尼,故对一个二阶系统的自由振动其运动方程为
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以上振型图是平行于弹性元件方向的投影图,由上图可以看出只有一阶振型时弹性元件才做完全的垂直于板面的横向振动。二、三、四阶振型时弹性片已经发生了局部振动已经不是完全的横向振动了,所以已经不符合测量要求。由于传感器输入信号的最高频率是40Hz,它远小于一阶振型的固有频率381.04Hz。所以测量时传感器是工作在一阶振型方式下,符合测量的要求。
4 谐响应分析
模态分析只是求出了传感器的工作振型,但是还不能确定它是否满足动态无失真测量条件,理想的无失真测量条件是系统具有水平平直的幅频特性,相频特性曲线与横轴重合。
由于系统具有幅值为A的平直幅频特性,所以系统对输入信号中任一频率分量传输时,其幅值均按同一比例因子改变;同时又由于相频特性曲线与横轴重合,故不同的频率分量相位角都是0,没有时间上的滞后。这样输出的信号就相当于输入信号幅值放大或者衰减了同一因子A。但是对于实际的传感器系统来说,要想实现完全的无失真是不可能的。只能说将失真控制在一定的范围内。对一般的测量要求,在工作频带范围内要求幅值频率误差满足下式
从幅频特性曲线可以看出在工作频带0~40Hz的范围内,应变幅值从3.362×10-8变化到3.412×10-8,将其代入(2)式求得δ=0.0149<5%。在相频特性曲线中相位角在0~40Hz的范围内小5°,也满足要求。因此相频特性曲线和幅频特性曲线是满足动态不失真测量条件的。
5 结论
通过以上对该呼气流量传感器的有限元建模和动态仿真分析,可以看出在0~40Hz的工作频带范围内,它是满足动态不失真测量条件的。该传感器可以对人的呼气流量进行不失真的正确测量。
参考文献:
[1] 王博量.医用传感器及其接口技术[M].北京:国防工业出版社,1998.
[2] 齐颂扬.医学仪器[M].北京:高等教育出版社,1989.
[3] 袁希光.传感器技术手册[M].北京:国防工业出版社,1986.
[4] 陶宝祺,王妮.电阻应变式传感器[M].北京:国防工业出版社, 1993.
[5] 刘国庆,杨庆东. ANSYS工程应用教程———机械篇[M].北京:中国铁道出版社,2003.
[6] 刘习军.工程振动与测试技术[M].天津:天津大学出版社,1999.
[7] 黄钧钦.测试系统动力学[M].北京:国防工业出版社,1996.
[作者简介]
彭晓春(1974-),男(汉族),陕西省汉中人,上海交通大学硕士研究生,振动的测量及动态测量系统;
叶庆泰(1940-),男(汉族),上海市人,上海交通大学教授、博士生导师,主要从事谐波传动、机电一体化及机械系统可靠性设计;
张少明(1962-),男(汉族),上海人,上海市第九人民医院副教授,主要研究儿科呼吸道疾病。
