风向风速传感器的原理及其检测研究

王乐

（宁夏煤矿安全监察局安全技术中心，宁夏 银川 750001）

风作为一种常见的自然现象，其对于人们生产与生活各个方面都有着十分重要的影响。尤其是在气象勘测领域中，可根据风的变化来对异常天气进行预估，进而减少可能造成的损失。在农业的生产领域中，其可利用风速和风向信息来对播种和喷洒农药等工作时机进行掌握；在工业生产领域中，风向与风力的变化也对污染物会造成一定的影响，由此对于一些高要求节能减排的工业也会受到该方面的限制。由此基于实际生产需要，对于风向与风速的检测尤其重要，这也是风向风速传感器研制的主要动力和原因。

1 风向风速传感器的工作系统构成

1.1 芯片结构

本文所选择研究的风向风速传感器测量系统是采取MEMS技术加工的芯片。基于传感器工作原理分析，热温差型的风向风速传感器包含测温元件（主要用于芯片上下游温差测量）、加热元件（加热传感器，能够使温度场超过环境温度）、温度传感器（主要用于芯片平均温度测量）。

使用多晶硅加热条作为传感器加热元件，使用P型铝热电堆/多晶硅作为测温元件，使用PNP晶体管测量芯片平均温度。加热电阻是通过串并联4个多晶硅加热条构成，以中心点为中心对称分布在芯片表面，从而保证芯片表面均匀受热。作为传感器的温敏元件，4个铝热电堆/多晶硅利用两两串联，包围了加热电阻，能够对两个正交方向的芯片表面温度差进行测量。使用纵向的方式布置中心PNP晶体管，使寄生晶体管效应得到避免。其集电极的组成成分为硅衬底，利用接地方式。这种连接和配置方式虽然对大部分电流镜和放大器不适用，但是却能够通过连接二极管的方式用于芯片平均温度测量。

1.2 芯片封装的方法

在传感器加工完成后，需要先后开展划片、清洗、烘干等步骤，在陶瓷基板下方贴一种导热性能较好的导热贴，拥有29W/(m·K)的热导率。这种热导胶具有光滑、柔软的优势，同时存在触变性，在微电子等领域的芯片贴装中的应用非常广泛。使用一种精细陶瓷材料作为陶瓷基板，其拥有高达32W/(m·K)的热导率，能够实现对芯片热量的快速传导，从而更好地连接空气和纵向上芯片热场。同时陶瓷拥有平滑的表面，具有耐磨损、耐腐蚀、硬度高等优势，在较为恶劣的自然环境下能够保证传感器不被破坏，能够有效提升传感器运行的稳定性。

在芯片粘贴完陶瓷基板后需进行烘干，并将具有绝缘特性的胶均匀涂抹在陶瓷基板与芯片四周的连接处，再利用软边带粘合。在固定完软边带后需要再次烘干，然后有效的键合芯片与软边带之间的引线。为了对机械破坏和外部腐蚀进行有效预防，需要将保护胶涂抹在引线上。

在完成上述步骤后，还需要将黑化铝环装在陶瓷基板与芯片的外围，并且利用环氧树脂胶水有效的粘合两者。经过黑化处理的铝环拥有更强的热辐射作用，能够使陶瓷外围温度与环境温度更加接近。

最后，粘合铝环与带有测温二极管的塑料底座。测温二极管能够对环境温度进行测量，在CTD模式下可以有效的反馈与控制温度。

1.3 测控电路

想要构建一个完善的风速风向检测系统，除了制作高性能的传感器芯片外，还需要一个与之相匹配的外围电路。作为敏感元件，传感器芯片主要用于风速风向变化的检测；加热元件完成热场的构建，测温元件对热场变化进行检测；外部硬件电路主要包括检测和控制两个部分。

控制部分的作用就是设置敏感芯片控制模式，检测电路主要是处理测温元件输出的信号，从而为单片机采集信息提供方便。软件系统的主要作用就是采集电路的输出信息和完成补偿控制。有效的处理这些信息能够完成风速风向信息的获取，并且能够有效的传输或显示风速风向信息。

设计与实现CTD硬件控制电路是构建整个系统的关键部分。CTD控制模式需要一直保持恒定的环境温度与芯片温度差值。与已有电路相结合开展优化，合理的偏置环境测温以及芯片测温的二极管，再与放大器输出相结合实现加热功率调整，从而对环境温度和芯片温度的差值进行有效控制。

该控制电路的反馈控制部件为环境温度二极管，能够满足自动控制CTD硬件的需求，能够更为平稳的完成控制过程，同时拥有更快的电路响应速度。另外，有效的匹配了环境温度二极管和芯片测温二极管，可以完成两者温度系数的间接调整。在相同的温度系数下在硬件上可以实现对温漂的有效抑制。

在这个过程中还需要对一些问题进行特别注意：

（1）加热功率的合理选择，随着功率的不同与之对应的温差也不同。如果设置过小的温差，将会在很大程度上降低高风速下的传感器灵敏度；同时也不能设置过低的加热功率，否则可能达不到理想的芯片温度，最终将无法使CTD控制的条件得到满足。

（2）在采集和放大信号时应该对元器件进行合理选择。对于部分特定的传感器芯片来说，必须与其输出信号特征相结合来选择器件类型，保证周围的环境噪声不会淹没传感器输出的小信号。

（3）输出范围的合理调整，其主要是为单片机采样提供便利。单片机采样拥有2.5V的最大电压、6V以上的加热电压，所以应该与加减法电路相配合完成加热电压输出范围的合理调整，保证单片机能够有效地对其完成采样，并最终显示在LCD上。

准确的对应所有原器件，完成焊接工作后将电源和传感头接入，就可以进行最后的测试工作。

1.4 传感器系统的测试分析

（1）量程。在传感器系统中量程属于重要的指标。经过相关测试，本传感器系统至少能够达到40m/s的量程，能够使自然环境中的使用需求得到有效满足。

（2）风速精度。对风速采用热温差模式测量，表征方式为单一方向输出电压，最终结果显示，当风速处于0～15m/s的范围时，拥有0.5m/s以内的风速测量误差，当风速超过15m/s的范围时，拥有4.18%的最大测量误差，能够使国家风向风速观测要求得到满足。

（3）风向精度。与国家相关要求相结合，应保持5°以内的风向误差，本系统能够使相关要求得到满足。

2 风向风速传感器的原理

2.1 风向传感器

风向传感器由光电组件、各类码盘、单风标组成，属于光电型传感器。当风向变化推动封标转动时，通过轴的转动能够使其下方的格雷码盘一起跟着转动，在狭缝中转动光电组件，会有光信号产生在经过放大整形后，会根据当时的风向幅度输出相对应的12V6位格雷码（习惯上低电平为0，高电平为1），当风向信号处于转动状态时以5.6度的分辨率为步进变化。拥有0～360°的测量范围，共包括方位64个。

2.2 风速传感器

本文中研究的风速传感器为WAA-15，其属于光电型风速计，拥有三风杯、低门限、高响应的特点，将齿盘装接在风速计转轴上作为转换器，在光电三极管和光电耦合器发光管之间安置齿盘，能够实现同时转动，在印制电路板上布置光电耦合器。转盘的尺度较多，当轴转动时会带动齿盘转动，齿盘上的齿度会切割发光管LED发射的光束，光电三极管会输出相应的脉冲。当光束被每个齿遮住时会出现低电平表现，当轴转动一周后，由于光束被多次切割会出现一高一低的脉冲信号输出。所以，无论国内仿制的传感器，还是WAA-15，其输出的频率信号均与风速成正比。

3 风向风速传感器的检测

3.1 风向传感器的检测

在检测风向传感器时主要依靠其产生的格雷码和封标方位。6位格雷码所包含的方位是64个，在检测的过程中应先进行典型方位选择，并检测和判断相应的格雷码。与格雷码对应表相结合，格雷码与四个典型方位存在以下对应关系：0°（360°）对应000000,90°对应110000，180°对应101000,270°对应011000。与对应表相结合能够有效的检查传感器，并完成传感器是否正常的判断，在实际检测过程中可以通过以下流程进行：

首先，检测典型方向的格雷码。将主设备向与传感器的信号连线全部断开，仅对地线连接供电进行保留，然后检测传感器格雷码。将风向标分别转至四个典型方位，通过万用表对断开信号线的电平进行测量，格雷码的低电平0为0V，格雷码的高电平1为12V。在这种环境下，测出的格雷码必须与典型方向所对应的格雷码相同。通过这种方式能够对传感器内稳压防护电路、脉冲整形电路、格雷码盘是否正常进行判断。

其次，是检测六位码的单码。通过上述检查还不能够对传感器是否正常进行准确判断。与四个典型方向的格雷码相结合，在上述的检测中还没有有效的检测三个低位码的变化。所以，为了检测三个低位码对应的光敏管和LED发光管是否正常，还应该借助指针式万用表进行深入测量。万用表需要与六根信号线进行分别连接，测量过程中需要转动风标，转动幅度不可以少于360°，在0～12V两个点上每根信号线的电平都至少应该产生一次变动。在检测完成后，能够对传感器内光敏管和LED发光管是否正常进行准确判断，与典型方向格雷码检测相配合，可以全面、准确的检测风向传感器是否正常。

3.2 风速传感器的检测

在检测风速传感器时主要分为两个方面的内容，分别为风速数据处理电路检测和传感器检测。

首先，在检测风速数据处理电路时，应该先将传感器断开，并且向风速处理电路输入风速信号，风速信号可以利用低频信号发生器产生，并保持5～12V的幅度，保持100Hz的频率。在风速信号的输入端连接信号发生器输出端，处理设备上的风速数据结果应为10m/s。并与v=0.1f相结合，调整低频信号发生器的输出频率，分别模拟几组高中低风速信号，并且与测试终端的显示相结合完成多次验证。

其次，在检测传感器时，应该先将处理电路与传感器之间的两根风速连接线断开，并且在传感器上连接电源线，通过数字万用表完成传感器输出脉冲频率信号的测量。在工作经验能够满足相关要求时，测量工作也可以通过指针式万用表完成，从而判断转动风杯时的指针抖动情况。在条件允许的情况下，可以通过示波器来明确脉冲频率和形状，对传感器是否正常进行准确判断。在这个过程中需要注意的是，通过上述检测措施仅能对风速传感器电路能否正常工作进行判断，却无法准确的判断风速测量数据的准确性，必须与风洞试验检测相配合，才能得出准确的结果。

4 结语

综上所述，在检测风速风向传感器的过程中，相关人员应该充分掌握风向传感器和风速传感器的工作原理及检测方法，从而有效的检测风向风速传感器能否准确的测量风向风速信息。

另外，相关人员除了利用上述的检测方法外，还应该重视风传感器的保养和维修工作，在开展各项工作的过程中，必须对传感器及其相关设备的信号传输方式、处理方式、信号格式以及工作原理进行充分掌握，从而有效提升相关工作的质量。