CN203688004U - 基于压电电子学效应的流量计 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种基于压电电子学效应的流量计。该流量计包括：直流电源、压力传感装置和电流表。压力传感装置设置于管道中，包括：外壳，由可变形材料制备，正电极和负电极，固定于外壳内，与直流电源的正极和负极电性连接；压电薄膜，形成于正电极和负电极之间，其两侧分别与该正电极和负电极电性接触。电流表串联于直流电源、压力传感装置中正电极和负电极所组成电路中；其中，在管道中流体流动的作用下，外壳产生形变，进而使正电极和负电极之间的相对位置发生变化，导致压电薄膜受到压力作用产生电荷移动，该电荷移动被电流表感知。与现有技术相比，本实用新型流量计对安装位置管路要求宽松，应用范围更广。

Description

基于压电电子学效应的流量计

技术领域

本实用新型涉及流体测量技术领域，尤其涉及一种新型的基于压电电子学效应的流量计。

背景技术

2007年，王中林教授的科研团队发现了压电电子学效应。压电半导体纳米线如氧化锌、氮化镓、及氮化铟等在受到外加应力时会在纳米线表面产生压电电荷并生成压电电场，进而调节半导体纳米线的输运行为。压电半导体纳米线的这一效应使他们被广泛应用于制造各类传感器，如振动、压力、及气态探测传感器等。在2012年《能量及环境科学》杂质第5卷第8528页的文章中，王中林教授的研究团队展示了压电电子学器件测量环境风速的应用。

目前，现有技术存在一种基于压电电子学的涡街流量计。但是，由于该涡街流量计在测量过程中需要产生并利用卡门漩涡，这就要求涡街流量计不能放在会干扰卡门漩涡或产生其他漩涡的管段中，如弯头管段附近，有机械震动的管道，及内壁不光滑、有明显凸凹、积垢和起皮的管道。因此，上述涡街流量计的应用范围有限。

实用新型内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本实用新型提供了一种基于压电电子学效应的流量计，以克服涡街流量计对安装位置管道结构要求严格的缺陷。

(二)技术方案

本实用新型基于压电电子学效应的流量计包括：直流电源、压力传感装置和电流表。压力传感装置设置于管道中，包括：外壳，由可变形材料制备，正电极和负电极，固定于外壳内，与直流电源的正极和负极电性连接；压电薄膜，形成于正电极和负电极之间，其两侧分别与该正电极和负电极电性接触。电流表串联于直流电源、压力传感装置中正电极和负电极所组成电路中；其中，在管道中流体流动的作用下，外壳产生形变，进而使正电极和负电极之间的相对位置发生变化，导致压电薄膜受到压力作用产生电荷移动，该电荷移动被电流表感知。

优选地，本实用新型流量计中，正电极和负电极分别固定与外壳的左右两内侧面。

优选地，本实用新型流量计中，外壳的两外侧面与管道内流体流动的方向垂直，该两外侧面其中之一受到流体流动所产生的压力导致外壳产生形变。

优选地，本实用新型流量计中，外壳呈长方形；外壳的内部为一长方体内腔，正电极和负电极分别固定与长方形内腔的左右两内侧面。

优选地，本实用新型流量计中，正电极和负电极采用如下方式其中之一固定与外壳的左右内两侧面：粘结、贴合和嵌入。

优选地，本实用新型流量计中，压电薄膜为压电材料纳米线阵列。

优选地，本实用新型流量计中，压电材料包括：氧化锌、氮化镓或氮化铟；纳米线的直径介于50纳米至900纳米之间，长度介于1微米至100微米之间。

优选地，本实用新型流量计中，正电极和负电极其中之一为钛衬底、铝衬底或锌衬底；其中另一为形成与压电材料纳米线阵列上的铝薄层、钛薄层或锌薄层；压电材料纳米线阵列为采用湿化学法生长于钛衬底、铝衬底或锌衬底上。

优选地，本实用新型流量计中，外壳的材料为软塑料或硅胶材料。

优选地，本实用新型流量计中，直流电源为能够提供0.5V～5V直流电压的电源；电流表的测量精度大于0.05μA，其测量范围的最大值大于5μA；流量计还包括：开关，串联于直流电源、压力传感装置中正电极和负电极、电流表所组成电路中。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本实用新型基于压电电子学效应的流量计具有以下有益效果：

(1)本实用新型流量计的测量原理基于压电电子学效应。不需要产生或利用卡门漩涡，因而与现有技术涡街流量计相比，其对安装位置管路要求宽松，应用范围更广；

(2)本实用新型流量计使用相同灵敏度的压电电子学材料，因而测量非常精确，优于目前商用流量计的程度。

附图说明

图1为根据本实用新型实施例基于压电电子学效应的流量计的示意图；

图2为图1所示流量计中压力传感装置的立体图。

【主要元件】

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本实用新型的保护范围。

本实用新型利用压电材料的压电电子学效应以及半导体封装技术，制备了一种流量计，其具有应用范围广，对安装位置管路要求宽松的优点。

在本实用新型的一个示例性实施例中，提供了一种基于压电电子学效应的流量计。图1为据本实用新型实施例基于压电电子学效应流量计的示意图。请参照图1，本实施例流量计包括：直流电源10、压力传感装置20、电流表30和开关40。其中，压力传感装置20设置于管道中，包括：外壳21，由可变形材料制备，形成一长方体内腔，其左右两侧面与所述管道内液体(气体)流动的方向垂直，其左侧面或右侧面受到液体(气体)流动所产生的压力；正电极22和负电极23，设置于长方体内腔内，分别固定与长方体内腔的左右两侧面，与直流电源10的正极和负极电性连接；压电薄膜24，形成于正电极和负电极之间。电流表30串联于直流电源10、压力传感装置20中正电极22和负电极23所组成电路中。开关40，串联于直流电源10、压力传感装置20中正电极22和负电极23、电流表所组成电路中。

以下分别对本实施例差压式流量计的各个组成部分进行详细说明。

直流电源10、电流表30、开关40均为电路中常用的部件。其中，该直流电源10可以选择能够提供0.5V～5V电压的普通直流电源。由于在测量过程中电流的变化幅度较小，电流表30应当选择测量精度大于0.05μA的电流表，其测量范围的最大值大于5μA。

需要说明的是，虽然本实施例流量计中具有开关40，但在本实用新型的其他实施例中，该开关也可以省略，同样能够实现本实用新型。

图2为图1所示流量计中压力传感装置的立体图。以下结合图1和图2来介绍压力传感装置中的各个部分。

外壳由软塑料材料制备，起到封装压电薄膜24、正电极22和负电极23的作用。外壳的侧面的尺寸为1厘米(长)×1厘米(宽)。需要说明的是，除了软塑料材料之外，该外壳还可以由硅胶等弹性系数小于80MPa的材料制备。

本实施例中，正电极22为钛衬底。压电薄膜24为采用湿化学法生长于钛衬底上的直径约为500纳米，长度约为5微米的氧化锌纳米线阵列。负电极24为形成于氧化锌纳米线阵列上的铝薄层。铝薄层及钛衬底分别作为压力传感器的两个电极，在他们上面用银膏25粘结上导线以进行电学性质测量。其中，在钛衬底上生长氧化锌纳米线阵列的方法可以参见文献1(表面自由电荷对氧化锌纳米发电机输出的屏蔽影响及其作为自供能气体传感器的潜在应用，《纳米技术》，2013年第24卷第225501页)，此处不再赘述。

请参照图2，两电极与外壳两内侧面隔开预设距离，通过双面胶粘结在一起。但是，由于电极依然固定在外壳侧面，因此外壳侧面所受的压力依然能够传导至电极。但在本实用新型其他实施例中，电极与外壳内侧面可以相互贴合，甚至电极嵌入外壳内侧面中，同样能够实现本实用新型。

本实施例中，正电极和负电极分别为钛衬底和铝薄层，压电薄膜采用氧化锌纳米线阵列。但本实用新型并不以上述实施例为限，该正电极和负电极可以互换，并且用于生成压电薄膜材料的衬底还可以为铝和锌，另一电极还可以为银。并且，除了氧化锌纳米线阵列之外，压电薄膜还可以为：氮化镓纳米线阵列或氮化铟纳米线阵列等压电材料纳米线阵列，其中，该些纳米线的直径介于50纳米至900纳米之间，长度介于1微米至100微米之间。

以下介绍本实施例差压式流量计的工作原理：请参照图1，将差压式流量计的压力传感器部分置入管道中，通过外壳固定在管道的内壁，其侧面对准液(气)体流动的方向，当管道中不存在流体时，闭合流量计开关时，可以通过电流表读出未受外力作用时通过纳米线阵列的电流；而当管道中存在流体时，流体通过流量计所在位置时，会对压力传感装置产生一个侧压力。侧压力将会改变压电半导体纳米线阵列的长度使之产生压电电场，进而影响纳米线的输运性质，根据流体流量的不同，他们对压力传感装置的侧压力及产生的压电电场也不同，从而会导致输出电流的不同。通过读取电流表的读数，即可得到相对应的流体流量值。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本实用新型差压流量计有了清楚的认识。

此外，上述对各材料和方法的定义并不仅限于实施方式中提到的各种具体结构、形状和方法，本领域的普通技术人员可对其进行简单地熟知地替换，例如：

(1)上文实施例中，外壳为长方形，但本发明并不以此为限，该外壳还可以为圆柱形、棱柱形或者棱锥形，甚至是椭圆形、球形等，只要其左右两侧面能够受到流体流动所产生的作用力即可。

(2)同理，关于外壳内部腔室的形状，其同样不受上述实施例长方体内腔的限制，其可以为圆柱形腔、棱柱形腔等各种形状，此处不再赘述。

综上所述，本实用新型提供一种可以用于气体或液体的流量测量的差压式流量计，其利用利用压电材料的压电电子学效应进行流体测量，具有应用范围广，对测量环境要求低的优点。

以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于压电电子学效应的流量计，其特征在于，包括：

直流电源；

压力传感装置，设置于管道中，包括：

外壳，由可变形材料制备，

正电极和负电极，固定于所述外壳内，与所述直流电源的正极和负极电性连接；

压电薄膜，形成于所述正电极和负电极之间，其两侧分别与该正电极和负电极电性接触；以及

电流表，串联于所述直流电源、压力传感装置中所述正电极和负电极所组成电路中；

其中，在管道中流体流动的作用下，所述外壳产生形变，进而使所述正电极和负电极之间的相对位置发生变化，导致压电薄膜受到压力作用产生电荷移动，该电荷移动被所述电流表感知。

2.根据权利要求1所述的流量计，其特征在于，所述正电极和负电极分别固定与所述外壳的左右两内侧面。

3.根据权利要求2所述的流量计，其特征在于，所述外壳的两外侧面与所述管道内流体流动的方向垂直，该两外侧面其中之一受到流体流动所产生的压力导致外壳产生形变。

4.根据权利要求3所述的流量计，其特征在于，所述外壳呈长方形；

所述外壳的内部为一长方体内腔，所述正电极和负电极分别固定与所述长方形内腔的左右两内侧面。

5.根据权利要求2所述的流量计，其特征在于，所述正电极和负电极采用如下方式其中之一固定与所述外壳的左右两内侧面：粘结、贴合和嵌入。

6.根据权利要求1所述的流量计，其特征在于，所述压电薄膜为压电材料纳米线阵列。

7.根据权利要求6所述的流量计，其特征在于，所述压电材料包括：氧化锌、氮化镓或氮化铟；

所述纳米线的直径介于50纳米至900纳米之间，长度介于1微米至100微米之间。

8.根据权利要求1所述的流量计，其特征在于，所述正电极和负电极其中之一为钛衬底、铝衬底或锌衬底；其中另一为形成与压电材料纳米线阵列上的铝薄层、钛薄层或锌薄层；

所述压电材料纳米线阵列为采用湿化学法生长于所述钛衬底、铝衬底或锌衬底上。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的流量计，其特征在于，所述外壳的材料为软塑料或硅胶材料。

10.根据权利要求1至8中任一项所述的流量计，其特征在于：

所述直流电源为能够提供0.5V～5V直流电压的电源；

所述电流表的测量精度大于0.05μA，其测量范围的最大值大于5μA；

所述流量计还包括：开关，串联于所述直流电源、压力传感装置中所述正电极和负电极、所述电流表所组成电路中。

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