風向風速傳感器的原理及其檢測研究

王樂

（寧夏煤礦安全監(jiān)察局安全技術中心，寧夏 銀川 750001）

風作為一種常見的自然現(xiàn)象，其對于人們生產與生活各個方面都有著十分重要的影響。尤其是在氣象勘測領域中，可根據(jù)風的變化來對異常天氣進行預估，進而減少可能造成的損失。在農業(yè)的生產領域中，其可利用風速和風向信息來對播種和噴灑農藥等工作時機進行掌握；在工業(yè)生產領域中，風向與風力的變化也對污染物會造成一定的影響，由此對于一些高要求節(jié)能減排的工業(yè)也會受到該方面的限制。由此基于實際生產需要，對于風向與風速的檢測尤其重要，這也是風向風速傳感器研制的主要動力和原因。

1 風向風速傳感器的工作系統(tǒng)構成

1.1 芯片結構

本文所選擇研究的風向風速傳感器測量系統(tǒng)是采取MEMS技術加工的芯片?；趥鞲衅鞴ぷ髟矸治?，熱溫差型的風向風速傳感器包含測溫元件（主要用于芯片上下游溫差測量）、加熱元件（加熱傳感器，能夠使溫度場超過環(huán)境溫度）、溫度傳感器（主要用于芯片平均溫度測量）。

使用多晶硅加熱條作為傳感器加熱元件，使用P型鋁熱電堆/多晶硅作為測溫元件，使用PNP晶體管測量芯片平均溫度。加熱電阻是通過串并聯(lián)4個多晶硅加熱條構成，以中心點為中心對稱分布在芯片表面，從而保證芯片表面均勻受熱。作為傳感器的溫敏元件，4個鋁熱電堆/多晶硅利用兩兩串聯(lián)，包圍了加熱電阻，能夠對兩個正交方向的芯片表面溫度差進行測量。使用縱向的方式布置中心PNP晶體管，使寄生晶體管效應得到避免。其集電極的組成成分為硅襯底，利用接地方式。這種連接和配置方式雖然對大部分電流鏡和放大器不適用，但是卻能夠通過連接二極管的方式用于芯片平均溫度測量。

1.2 芯片封裝的方法

在傳感器加工完成后，需要先后開展劃片、清洗、烘干等步驟，在陶瓷基板下方貼一種導熱性能較好的導熱貼，擁有29W/(m·K)的熱導率。這種熱導膠具有光滑、柔軟的優(yōu)勢，同時存在觸變性，在微電子等領域的芯片貼裝中的應用非常廣泛。使用一種精細陶瓷材料作為陶瓷基板，其擁有高達32W/(m·K)的熱導率，能夠實現(xiàn)對芯片熱量的快速傳導，從而更好地連接空氣和縱向上芯片熱場。同時陶瓷擁有平滑的表面，具有耐磨損、耐腐蝕、硬度高等優(yōu)勢，在較為惡劣的自然環(huán)境下能夠保證傳感器不被破壞，能夠有效提升傳感器運行的穩(wěn)定性。

在芯片粘貼完陶瓷基板后需進行烘干，并將具有絕緣特性的膠均勻涂抹在陶瓷基板與芯片四周的連接處，再利用軟邊帶粘合。在固定完軟邊帶后需要再次烘干，然后有效的鍵合芯片與軟邊帶之間的引線。為了對機械破壞和外部腐蝕進行有效預防，需要將保護膠涂抹在引線上。

在完成上述步驟后，還需要將黑化鋁環(huán)裝在陶瓷基板與芯片的外圍，并且利用環(huán)氧樹脂膠水有效的粘合兩者。經(jīng)過黑化處理的鋁環(huán)擁有更強的熱輻射作用，能夠使陶瓷外圍溫度與環(huán)境溫度更加接近。

最后，粘合鋁環(huán)與帶有測溫二極管的塑料底座。測溫二極管能夠對環(huán)境溫度進行測量，在CTD模式下可以有效的反饋與控制溫度。

1.3 測控電路

想要構建一個完善的風速風向檢測系統(tǒng)，除了制作高性能的傳感器芯片外，還需要一個與之相匹配的外圍電路。作為敏感元件，傳感器芯片主要用于風速風向變化的檢測；加熱元件完成熱場的構建，測溫元件對熱場變化進行檢測；外部硬件電路主要包括檢測和控制兩個部分。

控制部分的作用就是設置敏感芯片控制模式，檢測電路主要是處理測溫元件輸出的信號，從而為單片機采集信息提供方便。軟件系統(tǒng)的主要作用就是采集電路的輸出信息和完成補償控制。有效的處理這些信息能夠完成風速風向信息的獲取，并且能夠有效的傳輸或顯示風速風向信息。

設計與實現(xiàn)CTD硬件控制電路是構建整個系統(tǒng)的關鍵部分。CTD控制模式需要一直保持恒定的環(huán)境溫度與芯片溫度差值。與已有電路相結合開展優(yōu)化，合理的偏置環(huán)境測溫以及芯片測溫的二極管，再與放大器輸出相結合實現(xiàn)加熱功率調整，從而對環(huán)境溫度和芯片溫度的差值進行有效控制。

該控制電路的反饋控制部件為環(huán)境溫度二極管，能夠滿足自動控制CTD硬件的需求，能夠更為平穩(wěn)的完成控制過程，同時擁有更快的電路響應速度。另外，有效的匹配了環(huán)境溫度二極管和芯片測溫二極管，可以完成兩者溫度系數(shù)的間接調整。在相同的溫度系數(shù)下在硬件上可以實現(xiàn)對溫漂的有效抑制。

在這個過程中還需要對一些問題進行特別注意：

（1）加熱功率的合理選擇，隨著功率的不同與之對應的溫差也不同。如果設置過小的溫差，將會在很大程度上降低高風速下的傳感器靈敏度；同時也不能設置過低的加熱功率，否則可能達不到理想的芯片溫度，最終將無法使CTD控制的條件得到滿足。

（2）在采集和放大信號時應該對元器件進行合理選擇。對于部分特定的傳感器芯片來說，必須與其輸出信號特征相結合來選擇器件類型，保證周圍的環(huán)境噪聲不會淹沒傳感器輸出的小信號。

（3）輸出范圍的合理調整，其主要是為單片機采樣提供便利。單片機采樣擁有2.5V的最大電壓、6V以上的加熱電壓，所以應該與加減法電路相配合完成加熱電壓輸出范圍的合理調整，保證單片機能夠有效地對其完成采樣，并最終顯示在LCD上。

準確的對應所有原器件，完成焊接工作后將電源和傳感頭接入，就可以進行最后的測試工作。

1.4 傳感器系統(tǒng)的測試分析

（1）量程。在傳感器系統(tǒng)中量程屬于重要的指標。經(jīng)過相關測試，本傳感器系統(tǒng)至少能夠達到40m/s的量程，能夠使自然環(huán)境中的使用需求得到有效滿足。

（2）風速精度。對風速采用熱溫差模式測量，表征方式為單一方向輸出電壓，最終結果顯示，當風速處于0～15m/s的范圍時，擁有0.5m/s以內的風速測量誤差，當風速超過15m/s的范圍時，擁有4.18%的最大測量誤差，能夠使國家風向風速觀測要求得到滿足。

（3）風向精度。與國家相關要求相結合，應保持5°以內的風向誤差，本系統(tǒng)能夠使相關要求得到滿足。

2 風向風速傳感器的原理

2.1 風向傳感器

風向傳感器由光電組件、各類碼盤、單風標組成，屬于光電型傳感器。當風向變化推動封標轉動時，通過軸的轉動能夠使其下方的格雷碼盤一起跟著轉動，在狹縫中轉動光電組件，會有光信號產生在經(jīng)過放大整形后，會根據(jù)當時的風向幅度輸出相對應的12V6位格雷碼（習慣上低電平為0，高電平為1），當風向信號處于轉動狀態(tài)時以5.6度的分辨率為步進變化。擁有0～360°的測量范圍，共包括方位64個。

2.2 風速傳感器

本文中研究的風速傳感器為WAA-15，其屬于光電型風速計，擁有三風杯、低門限、高響應的特點，將齒盤裝接在風速計轉軸上作為轉換器，在光電三極管和光電耦合器發(fā)光管之間安置齒盤，能夠實現(xiàn)同時轉動，在印制電路板上布置光電耦合器。轉盤的尺度較多，當軸轉動時會帶動齒盤轉動，齒盤上的齒度會切割發(fā)光管LED發(fā)射的光束，光電三極管會輸出相應的脈沖。當光束被每個齒遮住時會出現(xiàn)低電平表現(xiàn)，當軸轉動一周后，由于光束被多次切割會出現(xiàn)一高一低的脈沖信號輸出。所以，無論國內仿制的傳感器，還是WAA-15，其輸出的頻率信號均與風速成正比。

3 風向風速傳感器的檢測

3.1 風向傳感器的檢測

在檢測風向傳感器時主要依靠其產生的格雷碼和封標方位。6位格雷碼所包含的方位是64個，在檢測的過程中應先進行典型方位選擇，并檢測和判斷相應的格雷碼。與格雷碼對應表相結合，格雷碼與四個典型方位存在以下對應關系：0°（360°）對應000000,90°對應110000，180°對應101000,270°對應011000。與對應表相結合能夠有效的檢查傳感器，并完成傳感器是否正常的判斷，在實際檢測過程中可以通過以下流程進行：

首先，檢測典型方向的格雷碼。將主設備向與傳感器的信號連線全部斷開，僅對地線連接供電進行保留，然后檢測傳感器格雷碼。將風向標分別轉至四個典型方位，通過萬用表對斷開信號線的電平進行測量，格雷碼的低電平0為0V，格雷碼的高電平1為12V。在這種環(huán)境下，測出的格雷碼必須與典型方向所對應的格雷碼相同。通過這種方式能夠對傳感器內穩(wěn)壓防護電路、脈沖整形電路、格雷碼盤是否正常進行判斷。

其次，是檢測六位碼的單碼。通過上述檢查還不能夠對傳感器是否正常進行準確判斷。與四個典型方向的格雷碼相結合，在上述的檢測中還沒有有效的檢測三個低位碼的變化。所以，為了檢測三個低位碼對應的光敏管和LED發(fā)光管是否正常，還應該借助指針式萬用表進行深入測量。萬用表需要與六根信號線進行分別連接，測量過程中需要轉動風標，轉動幅度不可以少于360°，在0～12V兩個點上每根信號線的電平都至少應該產生一次變動。在檢測完成后，能夠對傳感器內光敏管和LED發(fā)光管是否正常進行準確判斷，與典型方向格雷碼檢測相配合，可以全面、準確的檢測風向傳感器是否正常。

3.2 風速傳感器的檢測

在檢測風速傳感器時主要分為兩個方面的內容，分別為風速數(shù)據(jù)處理電路檢測和傳感器檢測。

首先，在檢測風速數(shù)據(jù)處理電路時，應該先將傳感器斷開，并且向風速處理電路輸入風速信號，風速信號可以利用低頻信號發(fā)生器產生，并保持5～12V的幅度，保持100Hz的頻率。在風速信號的輸入端連接信號發(fā)生器輸出端，處理設備上的風速數(shù)據(jù)結果應為10m/s。并與v=0.1f相結合，調整低頻信號發(fā)生器的輸出頻率，分別模擬幾組高中低風速信號，并且與測試終端的顯示相結合完成多次驗證。

其次，在檢測傳感器時，應該先將處理電路與傳感器之間的兩根風速連接線斷開，并且在傳感器上連接電源線，通過數(shù)字萬用表完成傳感器輸出脈沖頻率信號的測量。在工作經(jīng)驗能夠滿足相關要求時，測量工作也可以通過指針式萬用表完成，從而判斷轉動風杯時的指針抖動情況。在條件允許的情況下，可以通過示波器來明確脈沖頻率和形狀，對傳感器是否正常進行準確判斷。在這個過程中需要注意的是，通過上述檢測措施僅能對風速傳感器電路能否正常工作進行判斷，卻無法準確的判斷風速測量數(shù)據(jù)的準確性，必須與風洞試驗檢測相配合，才能得出準確的結果。

4 結語

綜上所述，在檢測風速風向傳感器的過程中，相關人員應該充分掌握風向傳感器和風速傳感器的工作原理及檢測方法，從而有效的檢測風向風速傳感器能否準確的測量風向風速信息。

另外，相關人員除了利用上述的檢測方法外，還應該重視風傳感器的保養(yǎng)和維修工作，在開展各項工作的過程中，必須對傳感器及其相關設備的信號傳輸方式、處理方式、信號格式以及工作原理進行充分掌握，從而有效提升相關工作的質量。