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面向冷气推力器的高分辨率低噪声微流量传感器设计与标定

孙博奥 窦申成 王小庆 杨双 杨超 刘雪峰 郑福

孙博奥, 窦申成, 王小庆, 杨双, 杨超, 刘雪峰, 郑福. 面向冷气推力器的高分辨率低噪声微流量传感器设计与标定[J]. 空间科学学报, 2025, 45(2): 601-611. doi: 10.11728/cjss2025.02.2024-0147
引用本文: 孙博奥, 窦申成, 王小庆, 杨双, 杨超, 刘雪峰, 郑福. 面向冷气推力器的高分辨率低噪声微流量传感器设计与标定[J]. 空间科学学报, 2025, 45(2): 601-611. doi: 10.11728/cjss2025.02.2024-0147
SUN Boao, DOU Shencheng, WANG Xiaoqing, YANG Shuang, YANG Chao, LIU Xuefeng, ZHENG Fu. Design and Calibration of High-resolution Low-noise Micro Flow Sensors for Cold Gas Thrusters (in Chinese). Chinese Journal of Space Science, 2025, 45(2): 601-611 doi: 10.11728/cjss2025.02.2024-0147
Citation: SUN Boao, DOU Shencheng, WANG Xiaoqing, YANG Shuang, YANG Chao, LIU Xuefeng, ZHENG Fu. Design and Calibration of High-resolution Low-noise Micro Flow Sensors for Cold Gas Thrusters (in Chinese). Chinese Journal of Space Science, 2025, 45(2): 601-611 doi: 10.11728/cjss2025.02.2024-0147

面向冷气推力器的高分辨率低噪声微流量传感器设计与标定

doi: 10.11728/cjss2025.02.2024-0147 cstr: 32142.14.cjss.2024-0147
基金项目: 国家重点研发计划项目资助(2023YFF0719801)
详细信息
    作者简介:
    • 孙博奥 男, 2001年6月出生于陕西省渭南市, 现为中国科学院国家空间科学中心电子信息硕士研究生, 主要研究方向为高精度空间时频分布. E-mail: sunboao23@mails.ucas.ac.cn
    通讯作者:
    • 郑福 男, 1989年出生于河北省张家口市, 中国科学院国家空间科学中心博士, 现为中国科学院国家空间科学中心副研究员, 主要研究方向为弱信号检测与数字处理和智能信息处理. E-mail: fzheng@nssc.ac.cn
  • 中图分类号: TP212

Design and Calibration of High-resolution Low-noise Micro Flow Sensors for Cold Gas Thrusters

  • 摘要: 微流量传感器用于精确测量和控制流经推力器的气体流量, 其性能直接影响冷气推力器系统的整体表现. 针对当前微流量传感器分辨率低、噪声大和响应时间慢的问题, 研制了一种基于恒温差原理的MEMS微流量传感器系统. 该传感器采用了4个MEMS铂电阻构成恒温差架构, 通过高精度恒温差驱动电路实现温差恒定, 经过测温电桥将温度变化信号经过高精度程控放大器输入到24位高精度模数转换器(ADC)进行采样, 实现了低噪声和高精度的微流量信号采集. 测试结果显示, 该微流量传感器在0.05~1 Hz等效输出噪声小于 0.126 μL·s–1·Hz–1/2, 分辨率达到0.06 μL·s–1, 量程为0~1000 μL·s–1, 响应时间为1.2 ms. 其测量分辨率高、噪声低、响应速度快, 为空间引力波探测中的冷气推力器系统提供了关键的技术支持.

     

  • 图  1  传感器原理

    Figure  1.  Diagram of the specific design of the sensor

    图  2  传感器实物

    Figure  2.  Actual image of the sensor

    图  3  传感器系统总体设计

    Figure  3.  Overall design of the sensor system

    图  4  恒温差电路

    Figure  4.  Thermostatic differential circuitry

    图  5  测温电桥电路

    Figure  5.  Thermostatic differential circuitry

    图  6  ADC及PGA设计

    Figure  6.  ADC and PGA design

    图  7  AD采集的原始数据. (a) CHOP=0时的原始数据, (b) CHOP=1时的原始数据

    Figure  7.  Raw data collected by AD. (a) Raw data at CHOP = 0, (b) raw data at CHOP = 1

    图  8  输入短路原始采样数据

    Figure  8.  Raw sample data at input short-circuit

    图  9  输入短路噪声功率谱密度

    Figure  9.  Noise Power Spectral Density (PSD) at input short-circuit

    图  10  微流量0 μL·s–1时的原始采样数据

    Figure  10.  Raw sampling data at microflow of 0 μL·s–1

    图  11  微流量0 μL·s–1时的噪声功率谱密度

    Figure  11.  Noise Power Spectral Density (PSD) at microflow of 0 μL·s–1

    图  12  微流量10 μL·s–1时的原始采样数据

    Figure  12.  Raw sampling data at microflow of 10 μL·s–1

    图  13  微流量10 μL·s–1时的噪声功率谱密度

    Figure  13.  Noise Power Spectral Density (PSD) at microflow of 10 μL·s–1

    图  14  响应时间测试结果

    Figure  14.  Response time test results

    图  15  流量标定实验布局

    Figure  15.  Flow calibration experiment layout

    图  16  电压与流量拟合曲线

    Figure  16.  Fit curve of voltage and flow

    图  17  流量输出本底噪声

    Figure  17.  Traffic outputs noise floor

    图  18  流量输出本底噪声功率谱密度

    Figure  18.  Power spectral density of flow output noise floor

    表  1  电压与流量拟合

    Table  1.   Voltage and flow fitting

    电压/mV 微流量/ (μL·s–1) 电压/mV 微流量/(μL·s–1)
    0.31 0 3.9 228.84
    0.26 0 4.46 263.34
    1 8.83 5.53 365.17
    1.01 11.67 5.72 371.51
    1.06 21.83 6.82 516.34
    1.11 39.00 7 543.68
    1.12 48.50 7.29 587.18
    1.15 56.67 8.1 746.68
    1.87 116.67 8.44 811.85
    2.51 162.84 9.5 1079.19
    下载: 导出CSV

    表  2  微流量传感器性能对比

    Table  2.   Comparison of microflow sensor performance

    微流量传感器 分辨率/
    (μL·s–1)
    响应时间/ms 等效噪声/
    (μL·s–1·Hz–1/2)
    本文 0.06 1.2 0.126
    文献[1] 0.08 0.083
    文献[11] 7
    文献[12] 25
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-10-30
  • 修回日期:  2025-01-23
  • 网络出版日期:  2025-03-19

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