CN101769936B - 一种拖动力原理和热线原理集成式微型风速传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种拖动力原理和热线原理集成式微型风速传感器，涉及传感器技术，包括：热式测量风速部分，其双端固支悬梁支撑热线电阻，热线电阻用作测量，风吹热线后热线电阻发生变化，通过测量热线电阻的变化测量风速，热线电阻对小风速的测量有很高灵敏度。还包括：机械式测量风速部分，其薄板是迎风结构，敏感梁用作测量，风吹薄板使敏感梁弯曲，通过测量敏感梁弯曲程度来测量不同方向风作用力大小；应变传感器覆于敏感梁上，把梁弯曲信号转变为可测量电信号。本发明传感器是用热式和机械式两种原理结合测量风速，对大小风速都具高灵敏度；封装体积小。可广泛用于国防航空、气象环境、交通运输、工业制造、农业生产等方面。

Description

一种拖动力原理和热线原理集成式微型风速传感器

技术领域

本发明涉及传感技术领域，特别涉及微型风速传感器，是一种拖动力原理和热线原理集成式微型风速传感器。

背景技术

风速是气象观测中一个重要的信息参数，对于国防航空、气象环境、交通运输、工业制造、农业生产等有重要的作用。常规的风速传感器主要有风杯传感器、压力式测风传感器、超声式测风传感器、微波式测风传感器、压差式测风传感器、离子式测风传感器、激光式测风传感器等。虽然在这些传感器中，有些具有非常大的测量范围、有些精度非常高等特点，但是都具有体积大的缺点。随着MEMS技术的发展，在国防航空、气象环境、交通运输、工业制造、农业生产领域中迫切需要具有体积小，重量轻，成本低的特点的MEMS微型风速传感器。

目前，国内外微型测风传感器主要有热式测风传感器和力式测风传感器两种。热式测风传感器是基于热源在风流流过后产生的热梯度的原理来测量风速。随着风速的变化，热源向风中传递的热量也在变化，这引起热源热梯度的变化，通过电路测量电阻阻值的变化能够得到风速的信息。该类传感器体积最小，结构简单，可集成，成本低，应用最广泛，缺点是高风速测量不稳定。

力式测风传感器是基于风作用于敏感结构，引起敏感结构的形变的原理来测量风速，通过测量敏感结构的形变获得风速信息。随着风速的变化，风施加在敏感结构上的力变化，引起敏感结构形变的变化，通过电路检测敏感结构形变的变化，能够得到风的信息。该类传感器体积小，结构相对复杂，成本较低，缺点是小风速测量精度低。

发明内容

目前国内外微型风速风向传感器中热式测风传感器缺点是高风速测量不稳定；力式测风传感器缺点是小风速测量精度低。为了解决现有技术所存在的问题，本发明的目的是提供一种测量大小风速精度都很高的拖动力原理和热线原理集成式微型风速传感器。

为了实现上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种拖动力原理和热线原理集成式微型风速传感器，包括边框8；其还包括热式测量风速部分1和机械式测量风速部分2，位于边框8内；其中，

热式测量风速部分1包括：双端固支悬梁3和热线电阻4；

双端固支悬梁3位于边框8内上部，两端固定于边框8的两侧边内侧，走向与边框8轴向正交；

热线电阻4覆置于双端固支悬梁3的表面，热线电阻4的端头位于边框8侧边的表面；

机械式测量风速部分2包括：薄板5、敏感梁6、应变传感器7；

薄板5位于边框8内下部，侧边与敏感梁6一端固接，敏感梁6另一端固定于边框8侧边内侧，敏感梁6走向与边框8轴向相同或垂直；

应变传感器7覆置于敏感梁6的表面，应变传感器7的端头位于边框8侧边的表面。

所述的传感器，其所述热线电阻4的数目至少为一根；形状可以为U形或其它形状。

所述的传感器，其所述热线电阻4为两根，两U形或其它形状热线电阻4，以热线电阻头相对的方式覆置于双端固支悬梁3的表面，热线电阻两端头为两引出线接线端，接线端分别位于边框8两侧边的表面。

所述的传感器，其所述薄板5的形状为正方形或长方形或圆型。

所述的传感器，其所述敏感梁6的数目至少为一根，敏感梁6的位置以薄板5的轴向中线两边对称排列。

所述的传感器，其所述敏感梁6可以为两根，位于薄板5下侧与边框8下侧边内侧之间。

所述的传感器，其所述敏感梁6可以为四根，两根位于薄板5下侧与边框8下侧边内侧之间，另两根分别位于薄板5两侧与边框8两侧边内侧之间，另两根走向与边框8轴向正交。

所述的传感器，其所述应变传感器7的数目与敏感梁6的数目相同，应变传感器7可以为U形或其它形状，为U形时，以U形头向边框8内的方式覆置于敏感梁6的表面，U形的两端头为两引出线接线端，接线端分别位于边框8侧边的表面。

本发明的优点：大小风速的测量精度都很高；利用微电子机械系统(MEMS)技术将器件制作得很小(可以小于9毫米×8毫米×0.35毫米)；采用MEMS技术，降低器件的成本，减小器件的功耗。

本发明的传感器可以广泛应用于国防航空、气象环境、交通运输、工业制造、农业生产等领域。

附图说明

图1为本发明拖动力原理和热线原理集成式微型风速传感器立体示意图；

图2为本发明拖动力原理和热线原理集成式微型风速传感器俯视图；

图3为图1中的Y-Y线剖面示意图。

具体实施方式

本发明拖动力原理和热线原理集成式微型风速传感器的工作原理如下。

(1)热式测量风速部分：

风吹过热线电阻导致热线电阻的阻值减小，通过测量热线电阻阻值的变化获得风速信息。具体原理如下：

风作用下热线电阻的功率P与风速V的关系如下式表示：

$P=(a+b{V}^{0.5})T_0=\frac{U^2}{R+\mathrm{\ΔR}}$

其中U是热线电阻上施加的电压输入，T₀为电阻温度与环境温度的差值，a、b是和传感器结构相关的系数，通过实验值确定，R为热线电阻阻值，ΔR为热线电阻阻值变化量。由风吹引起的热电阻阻值的变化率Δ_T可以用下式表示：

${\mathrm{\Δ}}_T=\frac{\mathrm{\ΔR}}{R}=1-\frac{U^2}{(a+b{V}^{0.5})T_{0}R}$

(2)机械式测量风速部分：

风吹过微型薄板会导致敏感梁结构的弯曲，敏感梁上的应变传感器将这种弯曲形变转变为某一种电学参量(例如：电压差)的变化，通过测量电学参量获得风速信息。具体原理如下：

风作用于薄板的力F是薄板长度的函数F(y)，敏感梁所受的力矩T如下式所示：

$T=\underset{0}{\overset{h}{\∫}}F\left(y\right)\mathrm{dy}$

其中y为薄板的长度，h为薄板的总长度。根据力矩得出敏感梁的应变ε如下式所示：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{\mathrm{Tt}}{2\mathrm{EI}}$

其中t为敏感梁的厚度，E为悬敏感梁杨氏弹性模量，I为敏感梁的惯性矩。

敏感梁的形变弯曲引起应变传感器的电学量的变化率Δ_M等于Gε，G为应变传感器的应变系数。

Δ_M＝Gε

风作用于薄板的力F如下式所示：

$F\left(y\right)=C_D\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}{V}_y^2\mathrm{wdy}$

其中C_D是拖动力系数，ρ为空气的密度，V_y为沿薄板长度方向的风速，w薄板的宽度，y薄板的长度。故应变传感器的电学量的变化率Δ_M表达式为：

${\mathrm{\Δ}}_M=\frac{{\mathrm{GC}}_D\mathrm{\ρwt}\underset{0}{\overset{h}{\∫}}{V}_y^2\mathrm{dy}}{4\mathrm{EI}}$

本发明所指的这种拖动力原理和热线原理集成式微型风速传感器，特点是大小风速的测量精度都很高；器件体积9毫米×8毫米×0.35毫米；可批量生产等特性。

下面将结合图1～3对本发明加以详细说明，应指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

如图1，本发明拖动力原理和热线原理集成式微型风速传感器示意图，图2是本发明拖动力原理和热线原理集成式微型风速传感器俯视图，图3是图1中的Y-Y线剖面图。

本发明拖动力原理和热线原理集成式微型风速传感器的结构，包括：热式测量风速部分1和机械式测量风速部分2两部分，位于边框8内；热式测量风速部分1包括：双端固支悬梁3和热线电阻4。机械式测量风速部分2包括：薄板5、敏感梁6、应变传感器7。

实施例中，热式测量风速部分1中热线电阻4的数目N＝2，为U形状单电阻。

薄板5的形状为长方形。

敏感梁6数量M＝2或4。

敏感梁6数量M＝2时，位于薄板5一侧且以此侧中线对称，薄板5的中线走向与边框8轴线同。敏感梁6数量M＝4时，两根如前述，另两根位于薄板5两侧，其走向与边框8轴线正交。

应变传感器7布置方式是U形状单个电阻。

本发明的这种拖动力原理和热线原理集成式微型风速传感器的工作原理是：

热式测量风速部分：风吹过热线电阻4导致热线电阻4的阻值减小，通过测量热线电阻4阻值的变化获得风速信息。

机械式测量风速部分：被测风吹到传感器后，薄板5受到风的力的作用，薄板5引起敏感梁6的弯曲，敏感梁6上的应变传感器7将风所引起敏感梁6的弯曲形变量转换成相应的应变传感器7的某种电学信号的变化量，从而获得风速信息。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种拖动力原理和热线原理集成式微型风速传感器，其特征在于：包括边框(8)，热式测量风速部分(1)和机械式测量风速部分(2)，两部分位于边框(8)内；其中，

热式测量风速部分(1)包括：双端固支悬梁(3)和热线电阻(4)；

双端固支悬梁(3)位于边框(8)内上部，两端固定于边框(8)的两侧边内侧，走向与边框(8)轴向正交；

热线电阻(4)覆置于双端固支悬梁(3)的表面，热线电阻(4)的端头位于边框(8)侧边的表面；

机械式测量风速部分(2)包括：薄板(5)、敏感梁(6)、应变传感器(7)；

薄板(5)位于边框(8)内下部，侧边与敏感梁(6)一端固接，敏感梁(6)另一端固定于边框(8)侧边内侧，敏感梁(6)走向与边框(8)轴向相同或垂直；

应变传感器(7)覆置于敏感梁(6)的表面，应变传感器(7)的端头位于边框(8)侧边的表面。

2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述热线电阻(4)的数目至少为一根；形状为U形。

3.根据权利要求1或2所述的传感器，其特征在于：所述热线电阻(4)为两根，形状为U形，以热线电阻头相对的方式覆置于双端固支悬梁(3)的表面，热线电阻两端头为两引出线接线端，接线端分别位于边框(8)两侧边的表面。

4.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述薄板(5)的形状为正方形或长方形或圆型。

5.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述敏感梁(6)的数目至少为一根，敏感梁(6)的位置以薄板(5)的轴向中线两边对称排列。

6.根据权利要求1或5所述的传感器，其特征在于：所述敏感梁(6)为两根，位于薄板(5)下侧与边框(8)下侧边内侧之间。

7.根据权利要求1或5所述的传感器，其特征在于：所述敏感梁(6)为四根，两根位于薄板(5)下侧与边框(8)下侧边内侧之间，另两根分别位于薄板(5)两侧与边框(8)两侧边内侧之间，另两根走向与边框(8)轴向正交。

8.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述应变传感器(7)的数目与敏感梁(6)的数目相同，应变传感器(7)为U形，以U形头向边框(8)内的方式覆置于敏感梁(6)的表面，U形的两端头为两引出线接线端，接线端分别位于边框(8)侧边的表面。

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