家用電器風壓傳感器的優化設計

黃鴻益 張小蘭

（1.廣東萬和熱能科技有限公司 佛山 528300；2.海信家電集團股份有限公司 佛山 528300）

前言

目前，家電市場上銷售的燃氣熱水器、抽油煙機、空氣凈化器等帶有風機的產品，均需使用到風壓開關這一關鍵零部件，用于檢測設備的進排氣裝置是否處于正常工作狀態。風壓開關是通過氣體壓強產生的壓力，作用在壓力膜上，使壓力膜產生形變，推動微動開關動作以實現信號的通斷檢測。這種風壓檢測方式，只能輸出數字信號0 或1，不能準確輸出風壓大小，風機的轉速無法根據風壓的大小進行反饋調節。且微動開關屬于機械開關，存在動作行程、裝配誤差、觸發彈簧彈力不一致等原因，導致風壓開關存在個體差異性大、測量精度低、故障率高等問題[1]。而且由風機產生的風壓相對較低，燃氣熱水器風機產生的最大風壓約為200 Pa，而現有的風壓傳感器的大部分量程較高約（10 ～300）kPa，無法滿足小量程的測量需求[2]。

為此，本文設計了一種風壓傳感器，在現有風壓開關的基礎上，將微動開關替換為紅外測距傳感器，通過使用非接觸的紅外測距方式檢測壓力膜的形變量，根據形變量換算出風壓信息，并使用最小二乘法對傳感器輸出值進行溫度補償，有效提高了信號檢測精度，同時降低了傳感器個體差異和故障率。

1 傳感器的整體結構

本文設計的風壓傳感器，其中包括控制板、控制板固定座、傳感器殼體和壓力膜，控制板通過固定座安裝固定于殼體的外側。傳感器殼體設有氣腔、負壓檢測口和正壓檢測口，負壓檢測口和正壓檢測口分別與氣腔連通，傳感器殼體的一端開設有與氣腔連通的第一通孔，壓力膜的周緣與第一通孔的周緣密封貼合，壓力膜的一面設有凸塊；控制板上設有紅外測距模塊及相應的控制電路，紅外測距模塊測量凸塊與傳感器之間的距離。

待測空氣通過負壓檢測口或正壓檢測口與氣腔連通，控制板控制紅外測距電路的紅外發射端發射紅外線。當氣體壓強作用在壓力膜上，壓力膜產生彈性形變，凸塊與紅外發射端之間距離也隨之發生變化，凸塊反射的紅外線強度也不同，紅外接收端接收凸塊反射回來的紅外線，根據接收紅外線的強度輸出對相應電壓的信號至控制板單片機，使用單片機的AD 轉換功能將電壓信號轉換成AD 值輸出，進而換算出壓力膜的形變量。

壓力膜可以理解為勁度系數為 K 的彈簧，當其壓縮或拉伸的距離（形變量）為Δx時，所產生的壓力或拉力為：

而氣體壓強 P 作用在壓力膜面積 s 的區域內，產生的壓力為：

當壓力膜所受的壓力/拉力和風壓產生的壓力平衡后，必然滿足：

由此可得：

根據公式（4），就可以通過壓力膜的形變量，計算出風壓。

風壓傳感器設有調節組件，其中包括調節彈簧、調節螺釘、調節板、及密封帽。殼體另一端的第二通孔與氣腔連通；調節板設于氣腔內，且一面設有調節凸頭，調節凸頭與壓力膜接觸抵靠；調節彈簧一端與調節螺釘接觸抵靠，另一端伸入第二通孔與調節板的另一面接觸抵靠，調節螺釘設于第二通孔內并與殼體的內壁螺紋配合以調整調節彈簧的伸縮量；密封帽蓋設于第二通孔并安裝固定于殼體的外側避免泄壓；該設計的目的是，全部風壓傳感器在出廠前，可以通過調整調節螺絲，微調壓力膜的張緊力來調節紅外傳感器與凸塊的距離，保證風壓傳感器的出廠一致性，降低傳感器個體差異。

2 傳感器控制板設計

3.1 紅外測距對管選擇

目前市面上的普通的紅外對管的測量距離為（2 ～20）cm 的范圍之間，受限于風壓傳感器的體積問題，無法使用這種紅外對管，因此，選擇了測量范圍為（0.5 ～4）mm 的特殊紅外對管T4642PTIRM3B。該紅外對管在保證傳感器測量精度的同時，大大縮小了紅外對管的體積。如圖2 為紅外對管測量距離與輸出信號的關系曲線。紅外接收管的接收紅外線的有效波長范圍約為（900 ～1 000）nm，由圖3 可知，當波長約為940 nm 時，傳感器的靈敏度最高。

圖1 傳感器內部結構爆炸圖

圖2 傳感器靈敏度曲線

圖3 接收波長靈敏度曲線

圖4 紅外對管應用電路

2.2 電路設計

紅外測距對管包含一個紅外發射二極管和一個紅外接收管，其中發射管發射紅外光，接收管接收被測物體表面反射回來的紅外線。紅外接收管實際上是一個光敏三極管，它的電流受外部光照控制，是一種半導體光電器件。光敏三極管是一種相當于在三極管的基極和集電極之間接入一只光電二極管的三極管，光電二極管的電流相當于三極管的基極電流。

如圖5，VCC 電源輸入經過R1 限流電阻限制電流后，經過穩壓二極管輸出穩定的2 V 電壓，給紅外對管中的紅外發射二極管供電，使其發射波長約為940 nm 的紅外光。紅外接收管的集電極連接至VCC 電源輸入，發射極Out 為傳感器的信號輸出端，輸出模擬的電壓信號。將Out 端連接至單片機的AD 采樣口，通過單片機的模數轉換功能，即可讀取紅外接收管的輸出電壓，從而計算出壓力膜的形變量。

圖5 溫度采樣電路

2.3 軟件溫度補償

風壓傳感器控制板中設有溫度采樣電路，用于采集氣腔內的溫度，使用熱敏電阻溫度探頭作為溫度傳感器，探頭設于殼體氣腔內，這樣設置的目的是，壓力膜的材質為硅膠，在不同的工作環境溫度下，其勁度系數 K 會發生變化，導致通入相同風壓的測試條件下，壓力膜的形變量會有所不同，導致風壓傳感器輸出風壓值大小會出現偏差（即溫度漂移）。

為了消除或者減少這種溫度誤差，可以利用最小二乘法進行曲線擬合，最終達到或接近理論壓力輸出值。在同一溫度下，不同風壓的實際值和傳感器的測量值之間嚴格意義上是一種非線性關系，但是由于這種誤差值相對不大，可以近似的認為是一種線性關系[4]，即公式（5）。

式中：

x—未校準的風壓值；

y—風壓實際值。

通過最小二乘法進行線性擬合，可以得出參數 m 和n 的值。而在不同的溫度下，所擬合出來的 m 和 n 的值是隨著溫度的變化而變化的，因此需要找出溫度分別和m 、 n 之間的關系。為此同樣可以根據最小二乘法再次進行曲線擬合，從而得出溫度分別和 m 、n 之間的函數關系。

式中：

T—氣腔內的溫度。

單片機只要測得氣腔內的溫度，代入公式（6）和公式（7）分別求出 m 和 n的值，再測得紅外接收管的輸出值，代入公式（5），便可求得此時的風壓。

3 應用實例

使用交流風機型燃氣熱水器進行測試，安裝1 米長排煙管（排煙管無彎曲），熱水器電源線直接連接到變頻電源上，接通電源。通過變頻電源調節熱水器輸入電壓（通過調節電壓，實現穩定調節風壓的目的），測試風壓傳感器的測量值與標準設備的測量值之間的差距，測試數據見表 1 和圖 6。

從表1 及圖6 例中可以看出，各個傳感器的輸出值與風壓實際值誤差均控制在±2 Pa 以內，且各個傳感器的之間的輸出值無明顯差異，一致性較高。

表1 5 個傳感器在不同電壓下的測試值

圖6 5 個傳感器在不同電壓下的測試值

4 結語

本文提出了一種風壓傳感器的設計方法，通過使用非接觸式的紅外測距對管，檢測風壓傳感器的壓力膜形變量，風壓測量過程無需機械式微動開關，使用非接觸式測量、能有效地提高信號檢測的準確度、靈敏度，降低信號檢測的故障率，出廠一致性較高，后續若要改變傳感器量程，可以通過更換不同勁度系數的壓力膜，得到不同量程的傳感器。可以應用在抽油煙機、燃氣熱水器、空氣凈化器等帶有風機的家電產品上，值得推廣與應用。