西安石油大学理学院，陕西 西安710065陕西省油气资源光纤探测工程技术研究中心，陕西 西安710065陕西省油气井测控技术重点实验室，陕西 西安710065CNPC重点实验室——油藏光纤动态检测研究室，陕西 西安710065
流量是科学研究及工业生产中的一项重要参数。在众多流量测量仪表中，涡街流量计是一种常用类型。由于光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating，FBG）具有灵敏度高、体积小和抗电磁干扰强等特点，基于FBG的涡街流量传感技术具有重要研究意义。概述了FBG涡街流量传感机理，分析了涡街发生体下游的流体状态与升力变化。从已有研究成果入手，分析提炼了基本型涡街发生体作用下的旋涡属性、涡街信号处理、消除管道振动和小流量测量四个关键性问题。最后，总结并展望了该项技术利用光学方法抑制干扰信号、小口径管道涡街流量测量和FBG传感封装与增敏三个方面，还提出了未来可能发展的研究方向，以期发展新型涡街流量计。
光纤布拉格光栅 涡街流量计 涡街发生体 fiber Bragg grating vortex street flow sensor vortex generator
贾振安 1,2,3,4任杰 1,2,3,4党硕 1,2,3,4高宏 1,2,3,4白燕 1,2,3,4
1 西安石油大学理学院，陕西 西安710065
2 陕西省油气资源光纤探测工程技术研究中心，陕西 西安710065
3 陕西省油气井测控技术重点实验室，陕西 西安710065
4 CNPC测井重点实验室——油藏光纤动态监测研究室，陕西 西安710065
光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating, FBG)热式流量传感技术具有测量阈值低、灵敏度高等优点，是近年来流量测量领域的研究热点。概述了FBG热式流量传感原理，总结了当前该技术研究的重点和难点问题(主要分为传感器加热、结构设计、温度补偿和封装增敏四个方面)，旨在发现问题、展望未来。从近年来的典型研究成果入手，分析了电加热、光加热两种传感器加热方式和热线式传感结构。温度补偿和封装增敏部分则作为专题来研究,其中温度补偿旨在解决传感器加热换热与环境温度交叉敏感问题。最后归纳分析了该技术在大流量时的低灵敏度特性，并讨论了提升传感器灵敏度未来可能的研究方向和相关方法。
光纤布拉格光栅 流量测量 热式流量传感器 灵敏度 fiber Bragg grating flow measurement thermal flow sensor sensitivity
1 上海交通大学 微米/纳米加工技术国家级重点实验室
2 微纳电子学系, 上海 200240
设计了一种可以实现二维风速测量的电容式纤毛传感器, 其特点为通过差分电容检测流速, 传感器运动结构所对应的背硅被完全刻蚀。采用有限元分析软件, 通过流体-固体-静电场的多物理场仿真, 分析得到了传感器的差分电容与风速的变化关系。结合电容传感器AD7746的理论精度, 计算得出传感器的风速灵敏度为0.25mm/s。此外, 设计了基于SOI硅片的传感器微加工制备的工艺流程。
光学 精密工程
2022, 30(16): 1968
1 上海交通大学 1. 微米/纳米加工技术国家级重点实验室
2 2. 微纳电子学系, 上海 200240
针对流速传感器的高分辨率需求, 提出了一种基于双稳态势能调节的仿生纤毛流速传感器。该传感器由纤毛、电极层、上部结构层、中间连接层和下部支撑层等多层结构构成, 其中上部结构层一方面采用不对称梳齿结构实现差分电容检测, 另一方面布置周期性调制梳齿实现系统势能函数呈现双稳态。通过流体-固体力学-静电多物理场耦合分析, 得到电容随流速的变化关系, 分辨率优于0.001m/s, 另外通过调制梳齿的静电场分析, 绘制出系统势能函数曲线。最后, 基于MEMS加工技术, 通过设计合理的工艺流程制备出了该传感器。
双稳态 电容 纤毛 流速传感器 MEMS MEMS bistable capacitance hair flow sensor
惯性导航系统(INS)与光流组合导航方法在众多场合拥有极为广泛的应用, 其中, 光流信息的准确与否直接影响导航参数的优劣。为解决光照极弱或者光流传感器离地高度小于摄像头焦距所导致的光流信息误差较大使导航参数严重失真而无法连续导航的问题, 提出一种基于Elman神经网络的速度预测方法。环境适宜的情况下, 在线训练神经网络模型, 而处于特殊环境使光流信息信任价值很小时, 使用训练完成的神经网络对载体速度进行预测。另外, 基于INS动态误差模型的卡尔曼滤波器(KF)通过融合INS以及速度数据得到误差向量使之对导航参数进行补偿修正。小型四轴飞行器飞行试验表明, 神经网络的预测值能够在较短时间内高精度地逼近真实值, 证明了上述算法的正确性和有效性。通过与真实值相比较, 平均姿态误差为0.1%, 平均速度误差为1%, 平均位置误差为2.4%。
组合导航 光流传感器 神经网络 INS误差模型 小型飞行器 integrated navigation optical flow sensor neural network INS error model small air-vehicle
1 中国计量大学光学与电子科技学院, 浙江杭州 310018
2 国家海洋局南海维权技术与应用重点实验室, 广东广州 510310
针对平台运动导致的视频抖动问题, 提出了一种基于光流传感器的视频稳像技术。该方案首先通过对一般光流传感器的改进, 使其具有旋转运动下输出准确运动矢量的能力, 然后利用光流传感器获得相邻两帧图像之间的运动矢量, 并通过坐标变换计算出主相机的实时平移和旋转信息; 其次, 对原视频图像序列进行运动补偿, 以获得稳定的图像序列, 最终实现了视频稳像。实验结果表明, 稳像后的图像序列与未稳像之前相比峰值信噪比提高了 11.86 dB。该方案在视频抖动较大的情况下, 能够明显减小图像序列的抖动现象, 具有稳像效果好的特点, 满足视频稳像的性能要求, 对提高平台抗扰能力有着较高的实用性。
电子稳像 运动补偿 光流传感器 旋转运动 electronic image stabilization motion compensation optical flow sensor rotational motion
中国科学技术大学精密机械与精密仪器系, 安徽 合肥 230026
利用飞秒激光双光子直写技术, 在微流控芯片内部集成了一款三维(3D)弹簧状流量传感器。加工的弹簧状流量传感器可以循环拉伸多次, 且变形可逆。另外, 不同的激光曝光能量能够加工不同厚度的弹簧状流量传感器, 从而可以检测出不同范围的流速, 最小可检测10-12量级的流速。该流量传感器可以用于多种微流控器件中, 尤其适用于需要将流速检测与微流控器件结合的场合以及超低流速的检测应用中。
激光器 流体控制 流量传感器 飞秒激光 弹簧
上海交通大学 微纳电子学系, 微米/纳米加工国家级重点实验室, 上海市北斗导航与位置服务重点实验室, 上海 200240
针对流速传感器大多存在测量量程小、柔性小而无法适应较大量程和复杂曲面的测量问题, 提出了一种宽量程柔性MEMS流速传感器, 结合热损失和热温差的工作原理实现对流速的测量。选取聚酰亚胺(PI)作为柔性衬底材料和铂(Pt)薄膜为热敏材料, 采用金属牺牲层MEMS工艺制造了带空腔的柔性流速传感器芯片, 尺寸为9 mm×7 mm×30 μm。设计了采用双惠斯通电桥的恒温差测控电路。测量结果表明: 制造的柔性MEMS流速传感器的TCR为0.2418%/℃, 实验实现了0~36 m/s的输入风速测量, 在低速、高速段内的灵敏度分别为2和0.295 mV/(m/s)。同时, 测量电路还展现出良好的温度补偿效应。所提出的柔性MEMS流速传感器具有宽量程、测试精度高、灵敏度高和易于实施温度补偿的优点, 有望用于航空航天、**等领域。
流速传感器 柔性 双电桥电路 恒温差模式 MEMS MEMS flow sensor flexible double bridge circuit constant temperature difference mode
