微型風(fēng)速傳感器的研究

宮占江+王輝+孫立凱+李金平

摘 要：文章在分析風(fēng)速傳感器的結(jié)構(gòu)和機(jī)理的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了微型風(fēng)速傳感器的設(shè)計、結(jié)構(gòu)研究、制作、測試，并對實驗結(jié)果進(jìn)行了分析。傳感器的芯片是基于托馬斯流速計原理，采用硅微機(jī)械加工技術(shù)制成的。將敏感元件制成微懸橋結(jié)構(gòu)，加熱電阻器與感溫電阻器排布在懸橋上，降低了功耗，提高了傳感器靈敏度，從而實現(xiàn)低風(fēng)速風(fēng)場測量。文章重點(diǎn)研究了微型風(fēng)速傳感器的基本結(jié)構(gòu)、恒定溫差控制電路和非線性補(bǔ)償技術(shù)。通過流速與流速之間互換，實現(xiàn)風(fēng)場測量。

關(guān)鍵詞：硅微橋；風(fēng)速；傳感器

中圖分類號：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）03-0155-02

Abstract： Based on the analysis of the structure and mechanism of the wind speed sensor， the design， structure research， manufacture and test of the micro wind speed sensor are carried out， and the experimental results are analyzed. The chip of the sensor is based on the principle of Thomas velocity meter and is made of silicon micromachining technology. The sensing element is made into a micro suspension structure， and the heating resistor and the temperature resistor are arranged on the suspension bridge， which reduces the power consumption， improves the sensitivity of the sensor， and realizes the measurement of low wind speed and wind field. In this paper， the basic structure of micro wind speed sensor， constant temperature difference control circuit and nonlinear compensation technology are studied. The measurement of wind field is realized through the exchange of velocities.

Keywords： silicon microbridge； wind speed； sensor

引言

在氣象、環(huán)保、航天、航空乃至日常生活等各個領(lǐng)域，都離不開流體[1-2]。流體測量的方法種類繁多，對于氣體的測量來說測量條件也基本相同，選擇適當(dāng)?shù)臏y量方法尤為關(guān)鍵[3-6]。

本論文提供一種小型風(fēng)速傳感器，應(yīng)用于低風(fēng)速的檢測，由于風(fēng)速較低，所以對傳感器的靈敏度有一定的要求。傳感器的靈敏度與元件的熱容量、加熱功率及電阻的響應(yīng)時間有密切聯(lián)系，傳感器在設(shè)計時要減小熱散失、降低器件的熱傳導(dǎo)、減小器件的熱容、減少加熱功率。所以將傳感器設(shè)計成懸橋結(jié)構(gòu)，把檢測電阻和加熱電阻制作在一個橋梁上。

1 風(fēng)速傳感器理論基礎(chǔ)[7]

通過測量氣體流經(jīng)管道中間加熱元件時的冷卻效應(yīng)來計量氣體的流速，測量段放置三個熱敏電阻元件，在管道中間放置加熱電阻，加熱電阻兩端各放置一個測溫電阻來測量加熱電阻的溫度變化。加熱電阻通過改變電流來保持其溫度與被測氣體的溫度之間有一個恒定的溫度差，形成相對平衡的溫度場，當(dāng)有氣體流過時平衡的溫度場被破壞，冷卻效應(yīng)越大，加熱電阻的恒溫的電流也越大。此時的恒溫電流和被測介質(zhì)的流速成比例關(guān)系。（1）溫敏電阻器；（2）加熱電阻器；（3）溫敏電阻器。如圖1所示。

2 設(shè)計

2.1 風(fēng)速傳感器芯片結(jié)構(gòu)

風(fēng)速傳感器芯體結(jié)構(gòu)如圖2所示，把三個電阻排布在懸橋上，首先放置好一個加熱電阻器，然后把兩個測溫電阻器分別放置在加熱電阻器的兩端，用來測量溫度的變化。由于傳感器在室溫條件下工作，隨著變化的風(fēng)速，傳感器的靈敏度將受到影響。為縮小外界環(huán)境對傳感器靈敏度的影響，用了兩個測溫電阻來檢測環(huán)境溫度。利用加熱電阻器與兩個測溫電阻構(gòu)成一個電橋，使得該電橋構(gòu)成一個恒溫控制電路。使環(huán)境溫度與加熱電阻的加熱溫度保持恒定160℃。當(dāng)溫度變化時，加熱溫度也相應(yīng)發(fā)生變化，從而保證了傳感器的輸出靈敏度受溫度變化影響較小。

2.2 風(fēng)速傳感器電路[8]

本傳感器采用了恒定溫差法，使外界溫度與加熱電阻器相比，電阻器一直高于外界溫度160℃，如圖3所示。Rh加熱電阻器， Rc外界測溫電阻器，R2控制電流。當(dāng)傳感器工作時，Rh阻抗小，Rh上的溫度就低，當(dāng)Rh加熱時，就有電流經(jīng)過Rh。當(dāng)加熱電阻器的溫度高于外界溫度160℃時放大器正極電壓低于負(fù)極，放大器馬上翻轉(zhuǎn)，放大器的14腳輸出為低電位。這時放大器吸收了R2上的部分電流，Rh電阻上流過電流變小，加熱功率下降，當(dāng)加熱電阻器低于160℃差值時，再增大加熱電流。反復(fù)如此，使熱源加熱電流穩(wěn)定，保持恒定溫度高于環(huán)境溫度160℃。

由于傳感器的輸出信號較小，不利于探測以及上位機(jī)的信號采集，并存在線性誤差。因此采用了線性化修正及放大電路，對傳感器的輸出進(jìn)行放大及線性化修正。圖中RU和Rd為兩個測溫電阻器，R17為反饋電阻，用于線性化修正，R11和R17控制正反饋比例，調(diào)零電阻為R9和R10，R8和R7調(diào)整電橋供電電流。

（1）當(dāng)u2c單獨(dú)作用時，相當(dāng)于反向比例放大電路，其輸出為

（2）當(dāng)u2b單獨(dú)作用時，則相當(dāng)于同向比例放大電路，這時其輸出為：

（3）當(dāng)u2b和u2c共同工作時，利用疊加原理，我們可以得到輸出為：

u2b和u2c構(gòu)成的是一個二級級聯(lián)放大電路，u2b為同相輸入，u2c為差分輸入，采用這種方式級聯(lián)可以有效的抵消外界影響引起的誤差和漂移。所以適合對傳感器相對緩慢的溫度變化信號進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3 設(shè)計樣品的性能測試

通過標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)洞對傳感器進(jìn)行測試，在測量范圍內(nèi)均勻選取6點(diǎn)，即0m/s，1m/s，2m/s，3m/s，4m/s，5m/s，對研制的樣品進(jìn)行性能測試，測試結(jié)果見表1。

4 結(jié)束語

本論文本著先進(jìn)性、實用性、可靠性的基本思想，進(jìn)行了微型風(fēng)速傳感器研究。研究一種微懸橋結(jié)構(gòu)的熱膜式風(fēng)速測量元件，以及對應(yīng)的信號變換電路。同時進(jìn)行了測試，針對實驗與理論結(jié)果進(jìn)行了比較分析，證明基于熱膜原理的風(fēng)速傳感器在低風(fēng)速條件下具有較好的靈敏度、精度。

參考文獻(xiàn)：

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