微型風速傳感器的研究

宮占江+王輝+孫立凱+李金平

摘 要：文章在分析風速傳感器的結構和機理的基礎上，進行了微型風速傳感器的設計、結構研究、制作、測試，并對實驗結果進行了分析。傳感器的芯片是基于托馬斯流速計原理，采用硅微機械加工技術制成的。將敏感元件制成微懸橋結構，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，從而實現低風速風場測量。文章重點研究了微型風速傳感器的基本結構、恒定溫差控制電路和非線性補償技術。通過流速與流速之間互換，實現風場測量。

關鍵詞：硅微橋；風速；傳感器

中圖分類號：TP212 文獻標志碼：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、環保、航天、航空乃至日常生活等各個領域，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，選擇適當的測量方法尤為關鍵[3-6]。

本論文提供一種小型風速傳感器，應用于低風速的檢測，由于風速較低，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時間有密切聯系，傳感器在設計時要減小熱散失、降低器件的熱傳導、減小器件的熱容、減少加熱功率。所以將傳感器設計成懸橋結構，把檢測電阻和加熱電阻制作在一個橋梁上。

1 風速傳感器理論基礎[7]

通過測量氣體流經管道中間加熱元件時的冷卻效應來計量氣體的流速，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，當有氣體流過時平衡的溫度場被破壞，冷卻效應越大，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的流速成比例關系。（1）溫敏電阻器；（2）加熱電阻器；（3）溫敏電阻器。如圖1所示。

2 設計

2.1 風速傳感器芯片結構

風速傳感器芯體結構如圖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，隨著變化的風速，傳感器的靈敏度將受到影響。為縮小外界環境對傳感器靈敏度的影響，用了兩個測溫電阻來檢測環境溫度。利用加熱電阻器與兩個測溫電阻構成一個電橋，使得該電橋構成一個恒溫控制電路。使環境溫度與加熱電阻的加熱溫度保持恒定160℃。當溫度變化時，加熱溫度也相應發生變化，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。當傳感器工作時，Rh阻抗小，Rh上的溫度就低，當Rh加熱時，就有電流經過Rh。當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極，放大器馬上翻轉，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，當加熱電阻器低于160℃差值時，再增大加熱電流。反復如此，使熱源加熱電流穩定，保持恒定溫度高于環境溫度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，調零電阻為R9和R10，R8和R7調整電橋供電電流。

（1）當u2c單獨作用時，相當于反向比例放大電路，其輸出為

（2）當u2b單獨作用時，則相當于同向比例放大電路，這時其輸出為：

（3）當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構成的是一個二級級聯放大電路，u2b為同相輸入，u2c為差分輸入，采用這種方式級聯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行調節。

3 設計樣品的性能測試

通過標準風洞對傳感器進行測試，在測量范圍內均勻選取6點，即0m/s，1m/s，2m/s，3m/s，4m/s，5m/s，對研制的樣品進行性能測試，測試結果見表1。

4 結束語

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

參考文獻：

[1]劉迎春，葉湘濱.現代新型傳感器原理與應用[M].北京：國防工業出版社，1998.

[2]劉君華.智能傳感器系統[M].西安：西安電子科技大學出版社，1994.

[3]王家禎，王俊杰.傳感器與變送器[M].北京：清華大學出版社，1997.

[4]袁希光.傳感器技術手冊[M].北京：國防工業出版社，1992.

[5]蔡武昌，應啟戛.新型流量檢測儀表[M].北京：化學工業出版社，2006：131-132.

[6]李英干，范金鵬.濕度測量[M].北京：氣象出版社，1989：54-59.

[7]張國耀.計算機在風速傳感器測試技術中的應用研究[D].哈爾濱工程大學，2005，4：16-17.

[8]宋彥崢，王蒙，賈云慶.氣體流速流向傳感器及其溫度補償的研究[J].傳感器技術，2005，11：15-17.endprint