微型风速传感器的研究

2018-01-24宫占江王辉孙立凯李金平

科技创新与应用 2018年3期

宫占江+王辉+孙立凯+李金平

摘要：文章在分析风速傳感器的结构和机理的基础上，进行了微型风速传感器的设计、结构研究、制作、测试，并对实验结果进行了分析。传感器的芯片是基于托马斯流速计原理，采用硅微机械加工技术制成的。将敏感元件制成微悬桥结构，加热电阻器与感温电阻器排布在悬桥上，降低了功耗，提高了传感器灵敏度，从而实现低风速风场测量。文章重点研究了微型风速传感器的基本结构、恒定温差控制电路和非线性补偿技术。通过流速与流速之间互换，实现风场测量。

关键词：硅微桥；风速；传感器

中图分类号：TP212 文献标志码：A 文章编号：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

在气象、环保、航天、航空乃至日常生活等各个领域，都离不开流体[1-2]。流体测量的方法种类繁多，对于气体的测量来说测量条件也基本相同，选择适当的测量方法尤为关键[3-6]。

本论文提供一种小型风速传感器，应用于低风速的检测，由于风速较低，所以对传感器的灵敏度有一定的要求。传感器的灵敏度与元件的热容量、加热功率及电阻的响应时间有密切联系，传感器在设计时要减小热散失、降低器件的热传导、减小器件的热容、减少加热功率。所以将传感器设计成悬桥结构，把检测电阻和加热电阻制作在一个桥梁上。

1 风速传感器理论基础[7]

通过测量气体流经管道中间加热元件时的冷却效应来计量气体的流速，测量段放置三个热敏电阻元件，在管道中间放置加热电阻，加热电阻两端各放置一个测温电阻来测量加热电阻的温度变化。加热电阻通过改变电流来保持其温度与被测气体的温度之间有一个恒定的温度差，形成相对平衡的温度场，当有气体流过时平衡的温度场被破坏，冷却效应越大，加热电阻的恒温的电流也越大。此时的恒温电流和被测介质的流速成比例关系。（1）温敏电阻器；（2）加热电阻器；（3）温敏电阻器。如图1所示。

2 设计

2.1 风速传感器芯片结构

风速传感器芯体结构如图2所示，把三个电阻排布在悬桥上，首先放置好一个加热电阻器，然后把两个测温电阻器分别放置在加热电阻器的两端，用来测量温度的变化。由于传感器在室温条件下工作，随着变化的风速，传感器的灵敏度将受到影响。为缩小外界环境对传感器灵敏度的影响，用了两个测温电阻来检测环境温度。利用加热电阻器与两个测温电阻构成一个电桥，使得该电桥构成一个恒温控制电路。使环境温度与加热电阻的加热温度保持恒定160℃。当温度变化时，加热温度也相应发生变化，从而保证了传感器的输出灵敏度受温度变化影响较小。

2.2 风速传感器电路[8]

本传感器采用了恒定温差法，使外界温度与加热电阻器相比，电阻器一直高于外界温度160℃，如图3所示。Rh加热电阻器， Rc外界测温电阻器，R2控制电流。当传感器工作时，Rh阻抗小，Rh上的温度就低，当Rh加热时，就有电流经过Rh。当加热电阻器的温度高于外界温度160℃时放大器正极电压低于负极，放大器马上翻转，放大器的14脚输出为低电位。这时放大器吸收了R2上的部分电流，Rh电阻上流过电流变小，加热功率下降，当加热电阻器低于160℃差值时，再增大加热电流。反复如此，使热源加热电流稳定，保持恒定温度高于环境温度160℃。

由于传感器的输出信号较小，不利于探测以及上位机的信号采集，并存在线性误差。因此采用了线性化修正及放大电路，对传感器的输出进行放大及线性化修正。图中RU和Rd为两个测温电阻器，R17为反馈电阻，用于线性化修正，R11和R17控制正反馈比例，调零电阻为R9和R10，R8和R7调整电桥供电电流。

（1）当u2c单独作用时，相当于反向比例放大电路，其输出为

（2）当u2b单独作用时，则相当于同向比例放大电路，这时其输出为：

（3）当u2b和u2c共同工作时，利用叠加原理，我们可以得到输出为：

u2b和u2c构成的是一个二级级联放大电路，u2b为同相输入，u2c为差分输入，采用这种方式级联可以有效的抵消外界影响引起的误差和漂移。所以适合对传感器相对缓慢的温度变化信号进行调节。

3 设计样品的性能测试

通过标准风洞对传感器进行测试，在测量范围内均匀选取6点，即0m/s，1m/s，2m/s，3m/s，4m/s，5m/s，对研制的样品进行性能测试，测试结果见表1。

4 结束语

本论文本着先进性、实用性、可靠性的基本思想，进行了微型风速传感器研究。研究一种微悬桥结构的热膜式风速测量元件，以及对应的信号变换电路。同时进行了测试，针对实验与理论结果进行了比较分析，证明基于热膜原理的风速传感器在低风速条件下具有较好的灵敏度、精度。

参考文献：

[1]刘迎春，叶湘滨.现代新型传感器原理与应用[M].北京：国防工业出版社，1998.

[2]刘君华.智能传感器系统[M].西安：西安电子科技大学出版社，1994.