摘要：研究了一種基于熱膜式工作原理的煤礦專用風(fēng)速傳感器，傳感器除具有風(fēng)速測(cè)量功能外，還具有 風(fēng)流的溫度測(cè)量功能和風(fēng)流正反方向識(shí)別功能，芯片結(jié)構(gòu)采用了冗余設(shè)計(jì)的思想，增加了風(fēng)速敏感膜冷貯備系統(tǒng)，提高了產(chǎn)品可靠性[1]，風(fēng)速傳感器采用恒溫式工作原理，測(cè)量范圍為0.1~15m/s,具有結(jié)構(gòu)可靠、 動(dòng)態(tài)特性好、測(cè)量精度高的特點(diǎn)。

　　關(guān)鍵詞：風(fēng)向；風(fēng)速；可靠性；冗余設(shè)計(jì)；傳感器

　　0 引言

　　Beminghn完成了熱線風(fēng)速傳感器的原理性實(shí)驗(yàn)，Ken-nelhy提出了電子風(fēng)速傳感器概念，King提出了無限長(zhǎng)線和 流體之間的熱對(duì)流理論，這些研究奠定了熱膜風(fēng)速傳感器 的理論基礎(chǔ)，此后，熱膜風(fēng)速傳感器發(fā)展了“恒流”和“恒溫”種不同的工作模式。熱膜風(fēng)速傳感器是根據(jù)放置在 流場(chǎng)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(cè)量風(fēng)速的。其特點(diǎn)是工作溫度較低、機(jī)械強(qiáng)度高、抗 振動(dòng)能力強(qiáng)、匹配性好、熱傳導(dǎo)損失比較小，可用于氣體流 體流速檢測(cè)。

　　風(fēng)場(chǎng)測(cè)量包括風(fēng)速及風(fēng)向，理想的風(fēng)場(chǎng)測(cè)量傳感器應(yīng) 當(dāng)能夠確定一個(gè)三維矢量。但風(fēng)場(chǎng)測(cè)量傳感器確定的三維 矢量在研制與標(biāo)定上都存在很大難度。因而，一般都是二 維矢量，即風(fēng)速及風(fēng)向。在礦井環(huán)境，風(fēng)場(chǎng)測(cè)量傳感器確定 的是典型的二維矢量，礦井風(fēng)速對(duì)礦塵懸浮、瓦斯聚集以及 通風(fēng)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(diǎn)，要求不同的風(fēng)速。礦井目前采用的傳感器 主要是電磁式、風(fēng)輪式等幾種[3]。針對(duì)礦井特點(diǎn)，本文研 究了一種集風(fēng)流溫度、正反風(fēng)向、風(fēng)速一體化的風(fēng)速傳感 器，該傳感器性能穩(wěn)定可靠，是一種理想的氣體流速、流量 檢測(cè)裝置。

　　1　傳感器工作機(jī)理與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　1.1傳感器工作機(jī)理

　　風(fēng)速傳感器是利用放置在流場(chǎng)中具有加熱電流的熱膜 敏感元件的熱量轉(zhuǎn)移與空氣的流速之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，根據(jù) 熱平衡原理，通過熱量的傳遞轉(zhuǎn)移求得空氣流動(dòng)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(jié)構(gòu)體的物理特性和幾何尺寸，后三項(xiàng)可以預(yù)先知道或 人為給定，從而可以在熱膜的溫度和空氣的流動(dòng)速度之間 建立一個(gè)對(duì)應(yīng)關(guān)系式。

　　風(fēng)速傳感器正反風(fēng)向識(shí)別基于熱膜兩邊的熱敏元件的溫差的正負(fù)，當(dāng)風(fēng)速不為零時(shí)，風(fēng)流過熱膜帶走熱量并傳遞 給一個(gè)熱敏元件，引起熱敏元件特征阻值的升高，兩熱敏電 阻產(chǎn)生溫差，假設(shè)此時(shí)溫差為正，風(fēng)向設(shè)為正向；則風(fēng)向改 變成反向時(shí)，溫差為負(fù)，由此根據(jù)溫差正負(fù)可以判斷風(fēng)的正反向。

　　1. 2二維風(fēng)速氣體流場(chǎng)模型

　　傳感器的加熱電阻及感溫電阻均分布在一個(gè)直徑為L(zhǎng),厚度為D的原形膜上時(shí)，如圖1所示。

　　當(dāng)D≤L時(shí)，在不同厚度的溫度變化可以忽略不計(jì)，在 單位面積的熱導(dǎo)率與流量產(chǎn)生的熱散失和發(fā)熱產(chǎn)生的熱量qn存在如下關(guān)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(dǎo)率，W K-1 .m-1。

　　對(duì)于二維風(fēng)速測(cè)量，熱源與環(huán)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(dǎo)率， W.K-1.m-1,為黏度系數(shù)，kg m-1 s- + af為熱擴(kuò)散率，

　　從式（1)、式（2)中可知,在溫差測(cè)量中，當(dāng)表面溫度與環(huán) 境溫度保持一個(gè)恒定差值時(shí)，時(shí)間常數(shù)近似為Ps2。

　　1. 3傳感器風(fēng)向識(shí)別模型

　　風(fēng)速傳感器設(shè)計(jì)原理如圖2所示

　　測(cè)量時(shí)，作為熱源的加熱器放置在陶瓷基片中間，使被 測(cè)流體的溫度升高。加熱器兩端各放置一個(gè)測(cè)溫?zé)崦綦娮杵鳎�用于檢測(cè)加熱器兩端的溫度變化。這2個(gè)熱敏電阻器 與另外2個(gè)固定電阻器組成測(cè)量電橋。當(dāng)流體靜止時(shí)，由 于測(cè)溫電阻對(duì)稱地安裝在加熱器兩側(cè)且阻值相等，因此，測(cè)量電橋處于平衡狀態(tài);當(dāng)流體流動(dòng)時(shí)，沿管道軸向的溫度場(chǎng) 分布的對(duì)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(cè)溫電阻阻值發(fā)生變 化。兩測(cè)溫電阻阻值變化不等，使電橋輸出的電壓信號(hào)與 被測(cè)介質(zhì)的流速成比例關(guān)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(shí)，以平行于軸線方向?yàn)閄軸，垂直軸線方 向?yàn)閞軸,則此時(shí)速度被分解成^與^,由于^垂直于x 軸，^的作用結(jié)果將使熱敏元件&與&感受的溫度場(chǎng)變 化值大小及方向相等，在2個(gè)電阻上不產(chǎn)生溫度差，因此， 對(duì)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(duì)X方向風(fēng)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(cè)量r軸方向的風(fēng) 速（x軸與r軸互為正交關(guān)系），x，r面內(nèi)的任一方向風(fēng)速 V，都可通過x，r軸的輸出求得大小及方向，這樣，就可實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)場(chǎng)的測(cè)量。

　　1.4　傳感器設(shè)計(jì)

　　傳感器結(jié)構(gòu)體采用99瓷氧化鋁膜片材料，經(jīng)雙面研磨 拋光成厚度0.17mm膜片，在經(jīng)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(jīng) 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(shè)計(jì)思想，制造成有貯備 系統(tǒng)的雙加熱敏感膜，在加熱敏感膜相對(duì)的2個(gè)舌型梁 上，加工2個(gè)標(biāo)稱阻值200Q的熱敏元件，最后，在表面形 成一層10nm的SD2保護(hù)層，傳感器芯片版圖設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)體制造方法基于激光微加工技術(shù)和平面薄 膜技術(shù)，在基片表面用磁控濺射臺(tái)沉積Pt材料，形成厚度 為1000m Pt膜;利用光刻技術(shù)，在結(jié)構(gòu)體上復(fù)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(jīng)激光精調(diào)阻和熱處理后，沉積SD2膜作為Pt敏感膜的保 護(hù)膜[4]，成為可使用的風(fēng)速傳感器芯片。

　　2.2　信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)與制造

　　在風(fēng)速傳感器工作的熱平衡過程中，涉及風(fēng)速、加熱電 流、熱膜溫度3個(gè)物理量，它們之間具有一定的內(nèi)在聯(lián)系。 當(dāng)膜溫保持恒定時(shí),膜電流和風(fēng)速之間建立的函數(shù)關(guān)系，利 用這個(gè)關(guān)系測(cè)定風(fēng)速的方法稱之為恒溫法。由于恒溫法工 作的風(fēng)速傳感器熱滯后效應(yīng)很小,頻率響應(yīng)很寬，同時(shí)，又 具有很高的量程比，因此，在實(shí)際中被較多采用。

　　恒溫風(fēng)速傳感器調(diào)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(dāng)加有電流的熱膜置于流場(chǎng)當(dāng)中 時(shí)，由于流體流動(dòng)的關(guān)系，熱膜溫度將發(fā)生改變，這種改變 將導(dǎo)致電橋偏離平衡,從而輸出不平衡信號(hào),這個(gè)不平衡信 號(hào)經(jīng)過放大后又反饋到電橋中，以抑制熱膜溫度改變，補(bǔ)償 熱膜電阻的變化,從而使電橋恢復(fù)平衡，使熱膜溫度保持恒定。

　　3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

　　測(cè)試條件:環(huán)境溫度為21 "C,濕度為32 % RH,—個(gè)大氣 壓下,風(fēng)速測(cè)試采用中國(guó)天津海洋儀器廠生產(chǎn)的EDE14風(fēng) 洞，風(fēng)速傳感器標(biāo)定范圍為0〜15m/s,傳感器的響應(yīng)特性曲 線如圖5所示。從圖5(a)可以看出:風(fēng)速傳感器在風(fēng)速范圍 0~15m/s,輸出0 03 ~4. 98V,特征曲線平滑規(guī)則;圖5(b)所 示風(fēng)速傳感器熱響應(yīng)時(shí)間曲線，測(cè)試儀器選用標(biāo)準(zhǔn)水槽和X-Y函數(shù)記錄儀，選擇正常大氣環(huán)境21 C和水槽80 C 2個(gè)溫 度環(huán)境,測(cè)試結(jié)果表明：90 %響應(yīng)時(shí)間為0.35S.　　

　　
　　溫度測(cè)試采用標(biāo)準(zhǔn)油槽和冰水槽，熱敏元件標(biāo)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(gè)熱敏元件對(duì)應(yīng)的阻值幾乎均為200~291Q , 特征曲線呈較好的線性。

　　對(duì)于風(fēng)速傳感器而言，影響測(cè)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(fēng)速傳感器的環(huán)境適應(yīng)性，首先,要解決環(huán)境溫 度變化對(duì)風(fēng)速測(cè)量的影響。解決的方法:傳感器經(jīng)多溫度 點(diǎn)的風(fēng)速校準(zhǔn),構(gòu)建風(fēng)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(cè)目標(biāo)參 量與傳感器輸出量之間的關(guān)系，以消除溫度的影響。

　　4　結(jié)論

　　1)針對(duì)煤礦對(duì)風(fēng)速監(jiān)測(cè)的需求，基于熱膜式原理，制 造出一種具有冗余結(jié)構(gòu)和方向識(shí)別的風(fēng)速傳感器；

　　2)風(fēng)速傳感器采用恒溫式工作原理，通過測(cè)試，可實(shí) 現(xiàn)0. 2~15m/s范圍內(nèi)的風(fēng)速測(cè)量，熱響應(yīng)時(shí)間為0. 5 s,溫 度傳感器不但能測(cè)試0〜120 "C的風(fēng)溫，而且，運(yùn)用2個(gè)熱 敏元件的溫差實(shí)現(xiàn)風(fēng)向識(shí)別；

　　3)環(huán)境溫度變化對(duì)風(fēng)速傳感器影響較大，通過風(fēng)速與 溫度的兩傳感器信息融合，建立被測(cè)目標(biāo)參量與傳感器輸 出量之間的關(guān)系，可有效地減小溫度的影響。（作者：馮德謙,張敬財(cái),初奇?zhèn)?李慧穎）

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