微孔转换器的流阻测试系统的研究

　　由流体力学可知，凡是有流体流动的部位，都会产生压力损失。流经小孔有节流损失;流经管道有沿程损失;流经弯头等处有局部损失。这些损失统称为 流阻。已经发现，流体在直通道、不同截面形状微小通道中的流动特性与常规尺度直通道有较大的差异，如临界 Re<2300，摩擦系数 f 较常规尺度直通道为大等等。伴随着计算机和航空航天技术的飞速发展，微小通道的流动越来越引起了人们的注意[1]。

　　计算机可以对流体传送管道内部的温度、差压、静压力等物理量进行采样，得出流体传送管道内部的各种参数，从而可以对流体的流阻进行测量。本系统设计的任务是专为测试微孔转换器传导性能而设计的流阻测量系统。该系统气流稳定、精度高、重复性好。

　　1　系统测试装置

　　转换器的检测采用采集气体通过率的方法来进行，其原理如图 1 所示。

　　系统的转换器装载机构采用了硅橡胶垫的密封软加载材料，介质气体选用了高纯氮气，在氮气的入口加装了过滤孔径小于 10μm 的过滤器，因此对被检测后的转换器无损伤、无污染。质量流量计(MFC1), 该流量 SLM1( 标准升 / 分 ) 的大小可由质量流量计(MFC1)来设定，可控制气体的流量和防止气压过高冲坏压力传感器。当流量一定的气体通过测试系统时，由于转换器的阻力产生流阻， 此时在质量流量计 MFC2上读出的数值就是实际通过转换器的气体流量 SLM2( 标准升 / 分 )。

　　关于流阻的定义、名称及单位各种文章、书籍中不尽一致[2]。单位面积流阻是材料两端的压强差与流过材料的气体流量之比，即

　　式中 R 表示单位面积流阻，P 表示压差，Q 表示流量，r 表示流阻 ,A 表示试样面积。单位面积流阻 R 的单位为 Pa·s/m3(N·s/m5)，英文名：airflowresistance。

　　2　硬件设计

　　2.1　系统的硬件总体设计

　　根据系统所提出的具体要求，设计系统的整体结构框图如图 2，采用 C8051F020 单片机作为流阻测试系统电路的核心器件，使用了多种功能的新型接口芯片扩展接口电路。接口电路包括流量、压力检测电路、通讯电路、数据信息储存电路、时钟电路、键盘电路等。

　　2.2　信号处理电路

　　信号处理电路采集传感器的输出值，并送入C8051F020 供作数据分析。传感器的参数包括：设定的流量 MFC1(单位：L/min)，实际流过转换器的流量 MFC2(单位：L/min)，流经转换器的液体压差 P(单位：MPa)。流量数据由信号处理电路采集传感器电压信号进行转换得到，A/D 转换器使用C8051F020 片上 12 位 A/D 转换器，流量的设定信号和实际测量信号分别通过 AIN0.0 和 AIN0.1 输入给 C8051F020。压强信号由传感器通过串口送到C8051F020 的数据端口 P0.1，传送方式 20mA 电流环。电路设计如图 3。