[其他]时间分割多功能传感技术

说明书

本发明属于电子学测量技术，属于根据被测对象热交换特性变化取得电信号的方法和装置发明。

根据被测对象热交换性质变化取得电信号的方法已经成为无机械转动部件高响应速度测量流体流速流量的主要电子学手段，也是进行流体状态监测和成分分析的重要方法。目前根据被测对象热交换性质变化以半导体器件取得电信号的典型方案如US3988928和US3992940，前者加热体和测温元件不在同一空间位置，需通过介质热耦合，热惯性较大，同时因加热体和测温元件之间的热阻而引入热滞误差。后者由于加热参数与测温参数互相影响，为信号处理带来不便，影响测量精度。本发明目的在于克服上述两种方法的缺陷，为流体速度、流量、成份、导热系数及真空度的快速高精度动态测量提供一种新的方法和装置。

图1    一个交替工作在反向击穿和正向导通状态用于测量的p-n结供电方式示意图。1-用于测量的p-n结，2-反向击穿电流，3-反向击穿电流波形，4-正向电流，5-正向电流波形，6-交替接通正反向电流的开关。

图2    保持p-n结反向击穿加热功率不变以其正向电压之差为输出信号的测量装置电路框图。

图3    正反向供电分离电路的三种构成方式。

图4    一种应用本发明的具体电路。

采用交替工作在反向击穿和正向导通两种状态的p-n〔1〕，以其处于反向击穿状态时产生的热量使〔1〕的温度高于被测介质环境温度，向被测介质散发热量，以其处于正向导通状态时的结电压测量由于被测介质热交换性质变化而引起的〔1〕的温度变化。通过测量〔1〕处于反向击穿状态时的加热功率或加热电流变化量或通过测量〔1〕处于正向导通状态时的正向电压变化量，获得反映被测介质流速、流量、导热系数、成份、真空度变化的电信号。

由于采用同一个p-n结〔1〕兼做热源和感温元件，加热元件和感温元件之间热阻为零，正向导通和反向击穿状态交替的频率在0.1赫兹到10000赫兹之间，在状态交替的一个周期内，正向导通时间与反向击穿时间的比在10^-3到10³范围内。

为了消除环境因素造成的误差，采用两个或两个以上各自分别处于上述正反向交替工作状态的p-n结，置于待测流场中不同空间位置，通过测量对应反向击穿加热功率或加热电流或正向电压之差获得反映被测介质流速、流量、导热系数、成份、真空度变化的电信号。在进行上述测量时，有一个交替双向导通的p-n结置于参考流场中，指的是测量介质流速流量时，将上述交替处于正反向状态的一个p-n结置于流速不变的被测介质中;测量导热系数时，将上述交替处于正反向状态的一个p-n结置于已知导热系数的介质中;测量介质成份时，将上述交替处于正反向状态的一个p-n结置于已知导热系数的介质中;测量成份时，将上述交替处于正反向状态的一个p-n结置于已知成份的流体介质中;测量真空度时，将上述交替处于正反向状态的一个p-n结置于已知气压的被测介质中。另外的上述交替处于正反向状态的p-n结则置于被测流体介质中。

分别保持上述p-n结反向击穿加热功率不变，以其对应正向电压之差为输出信号。或分别保持上述p-n结正向电压不变，以其对应加热功率之差或反向电流之差为输出信号。

在分别保持上述p-n结反向击穿加热功率不变，以其对应正向电压之差为输出信号的情况下，测量电路框图如下：交流电源〔7〕输出的电压信号经过正反向供电分离电路〔8〕分别向交替工作在反向击穿和正向导通状态置于被测流场中的p-n结〔9〕和置于参考流场中的p-n结〔10〕供电，〔9〕和〔10〕的正向电压分别输入差分放大器〔11〕的两个输入端，〔11〕输出的电压信号加在有源滤波器〔12〕的输入端上，〔12〕的输出电压（或电流）由指示仪表〔13〕显示，指示出被测流场流速、流量、导热系数、成份、真空度的变化。