- 關于礦用風速傳感器研究報告
- 來源：賽斯維傳感器網 發表于 2014/8/4
摘要：研究了一種基于熱膜式工作原理的煤礦專用風速傳感器，傳感器除具有風速測量功能外，還具有 風流的溫度測量功能和風流正反方向識別功能，芯片結構采用了冗余設計的思想，增加了風速敏感膜冷貯備系統，提高了產品可靠性[1]，風速傳感器采用恒溫式工作原理，測量范圍為0.1~15m/s,具有結構可靠、 動態特性好、測量精度高的特點。
關鍵詞：風向；風速；可靠性；冗余設計；傳感器
0 引言
Beminghn完成了熱線風速傳感器的原理性實驗，Ken-nelhy提出了電子風速傳感器概念，King提出了無限長線和 流體之間的熱對流理論，這些研究奠定了熱膜風速傳感器 的理論基礎，此后，熱膜風速傳感器發展了“恒流”和“恒溫”種不同的工作模式。熱膜風速傳感器是根據放置在 流場中具有加熱電流的熱膜溫度隨流體速度變化而變化原 理來測量風速的。其特點是工作溫度較低、機械強度高、抗 振動能力強、匹配性好、熱傳導損失比較小，可用于氣體流 體流速檢測。
風場測量包括風速及風向，理想的風場測量傳感器應 當能夠確定一個三維矢量。但風場測量傳感器確定的三維 矢量在研制與標定上都存在很大難度。因而，一般都是二 維矢量，即風速及風向。在礦井環境，風場測量傳感器確定 的是典型的二維矢量，礦井風速對礦塵懸浮、瓦斯聚集以及 通風阻力有很大影響，為改善礦井氣候條件，須在井下不同的工作地點，要求不同的風速。礦井目前采用的傳感器 主要是電磁式、風輪式等幾種[3]。針對礦井特點，本文研 究了一種集風流溫度、正反風向、風速一體化的風速傳感 器，該傳感器性能穩定可靠，是一種理想的氣體流速、流量 檢測裝置。
1 傳感器工作機理與結構設計
1.1傳感器工作機理
風速傳感器是利用放置在流場中具有加熱電流的熱膜 敏感元件的熱量轉移與空氣的流速之間的對應關系，根據 熱平衡原理，通過熱量的傳遞轉移求得空氣流動速度，熱膜 的熱量可通過熱膜溫度表征，溫度變化的大小和快慢決定 于空氣的速度、熱膜和空氣之間的溫度差、空氣的物理特 性、結構體的物理特性和幾何尺寸，后三項可以預先知道或 人為給定，從而可以在熱膜的溫度和空氣的流動速度之間 建立一個對應關系式。
風速傳感器正反風向識別基于熱膜兩邊的熱敏元件的溫差的正負，當風速不為零時，風流過熱膜帶走熱量并傳遞 給一個熱敏元件，引起熱敏元件特征阻值的升高，兩熱敏電 阻產生溫差，假設此時溫差為正，風向設為正向；則風向改 變成反向時，溫差為負，由此根據溫差正負可以判斷風的正反向。
1. 2二維風速氣體流場模型
傳感器的加熱電阻及感溫電阻均分布在一個直徑為L,厚度為D的原形膜上時，如圖1所示。
當D≤L時，在不同厚度的溫度變化可以忽略不計，在 單位面積的熱導率與流量產生的熱散失和發熱產生的熱量qn存在如下關系
式中Ps為傳感器材料密度，kg.m-3; c3為比熱，J.kg1，K-1; ks為熱導率，W K-1 .m-1。
對于二維風速測量，熱源與環境差值為AT,則熱散失qf為
式中X為流過熱源表面的距離，m+ kf為流體的熱導率， W.K-1.m-1,為黏度系數，kg m-1 s- + af為熱擴散率，
從式（1)、式（2)中可知,在溫差測量中，當表面溫度與環 境溫度保持一個恒定差值時，時間常數近似為Ps2。
1. 3傳感器風向識別模型
風速傳感器設計原理如圖2所示
測量時，作為熱源的加熱器放置在陶瓷基片中間，使被 測流體的溫度升高。加熱器兩端各放置一個測溫熱敏電阻器，用于檢測加熱器兩端的溫度變化。這2個熱敏電阻器 與另外2個固定電阻器組成測量電橋。當流體靜止時，由 于測溫電阻對稱地安裝在加熱器兩側且阻值相等，因此，測量電橋處于平衡狀態;當流體流動時，沿管道軸向的溫度場 分布的對稱性遭到破壞，致使熱源前端的電阻上溫度低于 熱源后端電阻上的溫度，因而，引起測溫電阻阻值發生變 化。兩測溫電阻阻值變化不等，使電橋輸出的電壓信號與 被測介質的流速成比例關系。
傳感器原理中，流速方向與熱敏元件、加熱電阻札組 成的軸線平行。如果流速V方向與這一軸線呈一夾角a (0°<a <90°時，以平行于軸線方向為X軸，垂直軸線方 向為r軸,則此時速度被分解成^與^,由于^垂直于x 軸，^的作用結果將使熱敏元件&與&感受的溫度場變 化值大小及方向相等，在2個電阻上不產生溫度差，因此， 對輸出沒有影響，而輸出僅與量值成正比，因此，同一量 值V在不同的方向，將使傳感器的輸出改變，且具有單軸 性，僅對X方向風速敏感，如果采用另一同樣的元件，將其 敏感軸方向與x軸垂直，這樣，可以用來測量r軸方向的風 速（x軸與r軸互為正交關系），x，r面內的任一方向風速 V，都可通過x，r軸的輸出求得大小及方向，這樣，就可實現對風場的測量。
1.4 傳感器設計
傳感器結構體采用99瓷氧化鋁膜片材料，經雙面研磨 拋光成厚度0.17mm膜片，在經激光切割成$ 15mm圓形基 片，在基片中間利用激光加工成20mm X1.0mm X0.17mm 的微橋和2 0mm X1. 0mm XQ 17mm舌型梁，在微橋上，經 平面薄膜工藝制成20Q的加熱敏感膜，為提高傳感器可 靠性水平，加熱敏感膜采用冗余設計思想，制造成有貯備 系統的雙加熱敏感膜，在加熱敏感膜相對的2個舌型梁 上，加工2個標稱阻值200Q的熱敏元件，最后，在表面形 成一層10nm的SD2保護層，傳感器芯片版圖設計如圖3 所示。
2 傳感器制造
2.1 傳感器敏感體制造方法
傳感器結構體制造方法基于激光微加工技術和平面薄 膜技術，在基片表面用磁控濺射臺沉積Pt材料，形成厚度 為1000m Pt膜;利用光刻技術，在結構體上復制出加熱敏 感膜和溫度敏感膜;利用等離子刻蝕工藝刻出敏感膜圖形； 經激光精調阻和熱處理后，沉積SD2膜作為Pt敏感膜的保 護膜[4]，成為可使用的風速傳感器芯片。
2.2 信號調理電路設計與制造
在風速傳感器工作的熱平衡過程中，涉及風速、加熱電 流、熱膜溫度3個物理量，它們之間具有一定的內在聯系。 當膜溫保持恒定時,膜電流和風速之間建立的函數關系，利 用這個關系測定風速的方法稱之為恒溫法。由于恒溫法工 作的風速傳感器熱滯后效應很小,頻率響應很寬，同時，又 具有很高的量程比，因此，在實際中被較多采用。
恒溫風速傳感器調理電路的基本原理是利用反饋控制 電路使熱膜溫度保持恒定。如圖4所示，熱膜電阻Rs是作 為電橋的一臂而存在的，當加有電流的熱膜置于流場當中 時，由于流體流動的關系，熱膜溫度將發生改變，這種改變 將導致電橋偏離平衡,從而輸出不平衡信號,這個不平衡信 號經過放大后又反饋到電橋中，以抑制熱膜溫度改變，補償 熱膜電阻的變化,從而使電橋恢復平衡，使熱膜溫度保持恒定。
3 實驗結果與分析
測試條件:環境溫度為21 "C,濕度為32 % RH,—個大氣 壓下,風速測試采用中國天津海洋儀器廠生產的EDE14風 洞，風速傳感器標定范圍為0〜15m/s,傳感器的響應特性曲 線如圖5所示。從圖5(a)可以看出:風速傳感器在風速范圍 0~15m/s,輸出0 03 ~4. 98V,特征曲線平滑規則;圖5(b)所 示風速傳感器熱響應時間曲線，測試儀器選用標準水槽和X-Y函數記錄儀，選擇正常大氣環境21 C和水槽80 C 2個溫 度環境,測試結果表明：90 %響應時間為0.35S.
溫度測試采用標準油槽和冰水槽，熱敏元件標定范圍 為0~120'C,從圖5(c)可以看出：熱敏元件在溫度范圍為 0~120 C,2個熱敏元件對應的阻值幾乎均為200~291Q , 特征曲線呈較好的線性。
對于風速傳感器而言，影響測量不確定度的因素有壓 力、溫度、濕度、氣體成分等，而溫度的影響最為突出。因 此，若提高風速傳感器的環境適應性，首先,要解決環境溫 度變化對風速測量的影響。解決的方法:傳感器經多溫度 點的風速校準,構建風速與溫度的兩傳感器信息融合模式， 采用線性回歸分析法，由多維回歸方程來建立被測目標參 量與傳感器輸出量之間的關系，以消除溫度的影響。
4 結論
1)針對煤礦對風速監測的需求，基于熱膜式原理，制 造出一種具有冗余結構和方向識別的風速傳感器；
2)風速傳感器采用恒溫式工作原理，通過測試，可實 現0. 2~15m/s范圍內的風速測量，熱響應時間為0. 5 s,溫 度傳感器不但能測試0〜120 "C的風溫，而且，運用2個熱 敏元件的溫差實現風向識別；
3)環境溫度變化對風速傳感器影響較大，通過風速與 溫度的兩傳感器信息融合，建立被測目標參量與傳感器輸 出量之間的關系，可有效地減小溫度的影響。（作者：馮德謙,張敬財,初奇偉,李慧穎）
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