Проектирование сенсора теплового потока на основе круглой мембраны

Техническое задание: 2

Введение.. 3

Принцип работы: 4

Проектирование термопар.. 6

Выходной сигнал сенсора.. 8

Подключение сенсора: 9

Топология датчика.. 10

Технологический маршрут изготовления сенсора.. 11

Листинг расчетов в MathCAD.. 12

Заключение.. 15

Список литературы... 16

Техническое задание:

Спроектировать сенсор теплового потока на основе круглой мембраны.

Максимальный диаметр : 10 мм.

Толщина мембраны: 5 мм

Термопары: поликремний p – типа – Al.

Плотность потока излучения не больше 100

Диапазон температур: -40 +60 С

Напряжение питания: 5 В

Назначение прибора – Измерение мощности излучения лазера.

Введение

Данный сенсор можно применять для измерения плотности теплового потока лазера, следовательно можно оценивать его мощность. А также его можно модифицировать в сенсор плотности теплового потока в среде, путем присоединения к его чувствительной области теплопроводящей поверхности, которая «забирает» тепловой поток из среды и переносит на сенсор. В случае с лазером, его излучение попадает прямиком на чувствительную область мембраны, без дополнительных (в данном случае) надстроек. Таким образом этот датчик является основой для всех подобных сенсоров, которые отличаются лишь способом передачи тепла на чувствительную область.

Принцип работы:

Лазерное излучение падает на зачерненную центральную часть круглой мембраны (чувствительная область), и разогревает ее. Затем поток тепла устремляется из этой части во вторую часть мембраны, к ее краям. Температура на краях мембраны постоянная (комнатная). Таким образом, по всей мембране создается градиент температур, который зависит от мощности лазерного излучения, и регистрируется термопарами, которые располагаются во второй части мембраны.

Рис.1 Схематичное изображение мембраны сенсора.

Допущения: вся мощность лазера поглощается и разогревает зачерненную область, затем тепловой поток равномерно распределяется по части 1 и выходит в часть 2 перпендикулярно цилиндру под зачерненной областью, следовательно, перегрев не зависит от координаты Z.  Он зависит лишь от координаты Y, то есть радиуса. Поэтому в данном случае удобнее всего применить цилиндрическую систему координат.

Решение для перегрева, для данного сенсора, разделяется также на две части: в первой – перегрев зачерненной области, на которую падает излучение, во второй – перегрев оставшейся части мембраны, в которой расположены термопары. Так как термопары располагаются вне зачерненной области (области 2), то распределение температур для зачерненной области (области 1) можно не рассматривать.

Распределение перегрева для части 2 имеет вид:

В этой формуле:

q-мощность падающего излучения

h-толщина мембраны

k-коэффициент теплопроводности кремния(96 Вт/м*к)

Для первой части примем, для простоты и наглядности, что температура постоянная. В итоге получаем график распределения перегрева:

По оси х отложен радиус, по оси у отложен перегрев.

Проектирование термопар

Термопары в данном сенсоре сделаны на основе соединения алюминия и поликремния. Термопары целесообразно делать вокруг зачерненной области, как можно ближе к ней одним концом и вторым как можно ближе к границе мембраны. Схематически топология выглядит следующим образом:

Схематичная топология расположения термопар сенсора.

Необходимо понимать, что термопар может быть намного больше, чем показано на рисунке, это дает больший выходной сигнал.

Т.к. одна термопара дает на выходе разность потенциалов, то термопары электрически соединяются последовательно следующим образом:

Электрическое соединение термопар.

Формула расчета выходного сигнала для термопар:

- коэффициент термо ЭДС (для термопары данного типа).

-расность температур на концах термопар (перегрев, посчитанный ранее).

N- количество термопар.

Коэффициент  для термопары Si* - Al равен 100 [мкВ/градус].

               Выходной сигнал сенсора

Для 32 термопар получен график выходного сигнала:

Для увеличения чувствительности сенсора  необходимо увеличивать количество термопар до максимально возможного (ограничивается технологией изготовления).

            Подключение сенсора:

Так как напряжение питания 5 В, то выход сенсора необходимо увеличить до 5 В. Но сначала получить напряжение относительно земли, для этого сначала стоит вычитатель. Делается это с помощью операционных усилителей: