CN102353806B - 热敏流速传感器温度补偿电路及方法和功率自动调节方法 - Google Patents

热敏流速传感器温度补偿电路及方法和功率自动调节方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种热敏流速传感器温度补偿电路及方法和功率自动调节方法，涉及传感器技术领域，所述电路包括惠斯通电桥和差分放大器U1；所述惠斯通电桥的两输出节点与所述U1的一端连接，所述U1的另一端输出反馈至电桥桥顶形成闭环反馈回路；所述惠斯通电桥的一个桥臂为热敏流速传感器Rh，其相对桥臂为温度传感器Rc，所述Rh和Rc为热敏电阻；电桥另外两桥臂为固定电阻Ra和Rb，电桥还包括与Rc串联的Rtb或与Rh串联的Rtb′，用于温度补偿；所述功率自动调节方法利用微处理器U2来调节Rtb或Rtb′，能够实现热敏流速传感器零点功率的自动调节。本发明扩大了温度传感器的选用范围，同时能实现热敏流速传感器零点功率的自动调节。

Description

热敏流速传感器温度补偿电路及方法和功率自动调节方法
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种恒温差检测电路中热敏流速传感器温度补偿电路及方法和功率自动调节方法。
背景技术
流速测量在国民生产和国防工业的多个领域都有需求，尤其在航空航天领域有着广泛应用。
传统的流速测量方法有皮托管/压力传感器、热式传感器等。其中，热式测量方法利用热线/热膜等热敏元件进行流速测量，是一种简单、易用的方法。
热线/热膜敏感元件是热敏电阻丝(膜)，电流通过电阻丝(膜)，使热敏电阻产生热量从而升温。当流体介质从热敏电阻周围流过时，会带走热量造成电阻冷却，从而引起热敏电阻阻值的变化，通过测量电阻阻值的大小，可以推算出流体流速的大小。
电阻阻值测量采用惠斯通电桥，有恒流、恒压和恒温差三种检测方式；其中，恒温差检测的突出优点是动态响应快、灵敏度高、易于实施温度补偿，因此广泛应用于流速测量领域。
恒温差检测是通过一个闭环回路实现对热敏流速传感器的恒温差控制，在该恒温差闭环回路中设置一个温度传感器，该传感器也是一热敏电阻，其阻值随着环境温度变化而发生变化，可以实现热敏流速传感器对于环境温度的恒温差控制。
常规恒温差控制要求温度传感器与热敏流速传感器（热线/热膜）具有相同的温度电阻系数（TCR），该条件限制了温度传感器的选用范围。并且，感应流速的热敏元件在接入恒温差闭环电路时，需要费时费力的电路调整，以满足对热敏流速传感器施加恒定功率（即恒温差）的要求。
发明内容
（一）要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：提供一种热敏流速传感器温度补偿电路及方法和功率自动调节方法，其能够在恒温差检测电路中采用与热敏流速测量元件具有不同温度电阻系数的温度传感器对热敏流速传感器进行温度补偿，扩大了恒温差检测电路中温度传感器的选用范围；同时本发明能够实现恒温差检测电路中热敏流速传感器的零点功率的自动调节，从而满足恒温差的控制要求。
（二）技术方案
为解决上述问题，本发明提供了一种热敏流速传感器温度补偿电路，包括惠斯通电桥和差分放大器U1；
所述惠斯通电桥的两输出节点分别与所述U1的两个输入端连接，所述U1的输出端输出反馈至电桥桥顶形成闭环反馈回路；
所述惠斯通电桥中的一个桥臂为热敏流速传感器Rh，用于检测流速，其相对桥臂为温度传感器Rc；所述Rh和Rc为热敏电阻；所述惠斯通电桥另外两个桥臂为固定电阻Ra和Rb，Rh与Rb串联，Rc与Ra串联，
Figure GDA00001754894600021
其中，Rc0和Rh0分别为温度传感器和热敏流速传感器在零摄氏度下的电阻值，αc和αh分别为温度传感器和热敏流速传感器的温度电阻系数；所述Rh和Rc的温度电阻系数可以为任意值，两者可相等也可不相等。
当
Figure GDA00001754894600022
时，所述惠斯通电桥还包括与温度传感器Rc串联的Rtb，用于温度补偿，
Figure GDA00001754894600031
当
Figure GDA00001754894600032
时，所述惠斯通电桥还包括与热敏流速传感器Rh串联的Rtb′，用于温度补偿，
Figure GDA00001754894600033
其中ΔT为设定的恒温差。所述惠斯通电桥和差分放大器U1构成的闭环反馈回路为恒温差检测电路，可以实现热敏流速传感器对于环境温度的恒温差控制。
优选地，所述Rtb和Rtb′为数字电位器。
优选地，所述电路还包括微处理器U2，所述U2用于采集惠斯通电桥中热敏流速传感器Rh一侧的输出节点电压和桥顶电压，并调节电桥中的Rtb或Rtb′。
一种利用前述电路对热敏流速传感器进行温度补偿的方法，包括以下步骤：
S1：使
Figure GDA00001754894600034
其中，Rc0和Rh0分别为温度传感器和热敏流速传感器在零摄氏度下的电阻值，αc和αh分别为温度传感器和热敏流速传感器的温度电阻系数；
S2：判断
Figure GDA00001754894600035
是否成立，若是，则执行步骤S3；若否，则执行步骤S4；
S3：在输出节点前设置调节电阻
Figure GDA00001754894600036
与温度传感器Rc串联，其中ΔT为设定的恒温差；
S4：在输出节点前设置调节电阻
Figure GDA00001754894600041
与热敏流速传感器Rh串联，其中ΔT为设定的恒温差。
一种利用前述电路对热敏流速传感器进行功率自动调节的方法，包括以下步骤：
S1，在零流速状态下测量桥顶电压V1和Rh边的输出节点电压V2，A/D采样并传输到微处理器中；
S2，微处理器计算通过Rh的电流I＝V2/Rb；
S3，微处理器计算Rh的功率；
S4，判断所述Rh的功率与预设零点电功率值之差是否小于预设的Rh的功率与零点电功率值之差的阈值；若是，则执行S5；若否，则执行S6；
S5：保持Rtb或Rtb′的值不变；
S6:微处理器调节数字电位器Rtb或Rtb′的阻值，并在零流速状态下实时测量Rh的功率，直到Rh的功率达到预定功率范围。
其中，所述的步骤S3，进一步包括：若采用Rtb，计算Rh的功率I·(V1-V2)；若采用Rtb′，计算Rh的功率I·(V1-V2)-I2·Rtb'。
其中，所述方法还包括设定零点电功率值及Rh的功率与零点电功率值之差的阈值的步骤。
（三）有益效果
与现有技术相比，本发明的技术方案具有如下优点：
（1）本发明所提出的热敏流速传感器的温度补偿电路及其方法可以采用与热敏流速测量元件具有不同TCR的温度传感器来对热敏流速传感器进行温度补偿，从而扩大了恒温差检测电路中温度传感器的选用范围；
（2）本发明利用数字电位器和微处理器，实现了零点功率自动调整，以满足恒温差的要求，本发明使传感器的调节变得简单易行。
附图说明
图1为本发明实施例中所述热敏流速传感器温度补偿电路在
Figure GDA00001754894600051
时的系统框图；
图2为本发明实施例中所述热敏流速传感器温度补偿电路在
Figure GDA00001754894600052
时的系统框图；
图3为本发明实施例中所述热敏流速传感器温度补偿方法流程图；
图4为本发明实施例中所述热敏流速传感器功率自动调节方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1-2所示，本发明所述的热敏流速传感器温度补偿电路，包括惠斯通电桥和差分放大器U1；
所述惠斯通电桥的两输出节点分别与所述U1的两个输入端连接，所述U1的输出端输出反馈至电桥桥顶形成闭环反馈回路；
所述惠斯通电桥中的一个桥臂为热敏流速传感器Rh，用于检测流速，其相对桥臂为温度传感器Rc，所述Rh和Rc为热敏电阻。所述惠斯通电桥另外两个桥臂为固定电阻Ra和Rb，Rh与Rb串联，Rc与Ra串联，
Figure GDA00001754894600053
其中，Rc0和Rh0分别为温度传感器和热敏流速传感器在零摄氏度下的电阻值，αc和αh分别为温度传感器和热敏流速传感器的温度电阻系数；所述Rh和Rc的温度电阻系数可以为任意值，两者可相等也可不相等。
当
Figure GDA00001754894600061
时，所述惠斯通电桥还包括与温度传感器Rc串联的Rtb，用于温度补偿，
Figure GDA00001754894600062
当
Figure GDA00001754894600063
时，所述惠斯通电桥还包括与热敏流速传感器Rh串联的Rtb′，用于温度补偿，其中ΔT为设定的恒温差。所述惠斯通电桥和差分放大器U1构成的闭环反馈回路为恒温差检测电路，可以实现热敏流速传感器对于环境温度的恒温差控制。
优选地，所述Rtb和Rtb′为数字电位器。
优选地，所述电路还包括微处理器U2，所述U2用于采集惠斯通电桥中热敏流速传感器Rh一侧的输出节点电压和桥顶电压，并调节电桥中的Rtb或Rtb′。
如图3所示，本发明所述的一种利用前述电路对热敏流速传感器进行温度补偿的方法，包括以下步骤：
S1：使
Figure GDA00001754894600065
其中，Rc0和Rh0分别为温度传感器和热敏流速传感器在零摄氏度下的电阻值，Rc0□Rh0，αc和αh分别为温度传感器和热敏流速传感器的温度电阻系数；
S2：判断是否成立，若是，则执行步骤S3；若否，则执行步骤S4；
S3：在输出节点前设置调节电阻与温度传感器Rc串联，其中ΔT为设定的恒温差；
S4：在输出节点前设置调节电阻
Figure GDA00001754894600071
与热敏流速传感器Rh串联，其中ΔT为设定的恒温差。
如图4所示，本发明所述的利用前述电路对热敏流速传感器进行零点功率自动调节的方法，包括以下步骤：
S1，在零流速状态下测量桥顶电压V1和Rh边的输出节点电压V2，A/D采样并传输到微处理器中；
S2，微处理器计算通过Rh的电流I＝V2/Rb；
S3，微处理器计算Rh的功率；
本步骤中，若采用Rtb，计算Rh的功率I·(V1-V2)；若采用Rtb′，计算Rh的功率I·(V1-V2)-I2·Rtb'。
S4，判断所述Rh的功率与预设零点电功率值之差是否小于预设的Rh的功率与零点电功率值之差的阈值；若是，则执行S5；若否，则执行S6；
S5：保持Rtb或Rtb′的值不变；
S6:微处理器调节数字电位器Rtb或Rtb′的阻值，并在零流速状态下实时测量Rh的功率，直到Rh的功率达到预定功率范围。
所述方法还包括设定零点电功率值及Rh的功率与零点电功率值之差的阈值的步骤。
由于ΔT与施加于热敏流速传感器上的零点电功率成正相关，热敏流速传感器的电功率容易被测量得到，因此可以通过调节热敏流速传感器上的电功率来调节ΔT，即设定一个零点电功率，通过微处理器对数字电位器Rtb或Rtb′进行调节，使功率达到预定范围。
微处理器调节电阻Rtb或Rtb′的方法是：如果实际功率小于预定功率，增大调节电阻（即数字电位器）Rtb的阻值，或者减小调节电阻（即数字电位器）Rtb′的阻值；反之，减小调节电阻（即数字电位器）Rtb的阻值，或者增大调节电阻（即数字电位器）Rtb′的阻值。以上电功率自调节结束后，传感器开始流速测量。
以上功率自调节的方法还可以用于对热敏流速传感器零点功率的自检测，在每次传感器启动时，系统自动检测在零流速状态下的功率是否达到预定功率范围，如果是，保持调节电阻值，传感器开始流速测量；如果功率偏离预定范围，则启动功率自调节，将功率调节到设定范围内，然后传感器开始流速测量。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (7)

1.一种热敏流速传感器温度补偿电路，其特征在于，包括惠斯通电桥和差分放大器U1；
所述惠斯通电桥的两输出节点分别与所述U1的两个输入端连接，所述U1的输出端输出反馈至电桥桥顶形成闭环反馈回路；
所述惠斯通电桥中的一个桥臂为热敏流速传感器Rh，用于检测流速，其相对桥臂为温度传感器Rc，所述Rh和Rc为热敏电阻；所述惠斯通电桥另外两个桥臂为固定电阻Ra和Rb，Rh与Rb串联，Rc与Ra串联，
Figure FDA00001754894500011
其中，Rc0和Rh0分别为温度传感器和热敏流速传感器在零摄氏度下的电阻值，αc和αh分别为温度传感器和热敏流速传感器的温度电阻系数；
当
Figure FDA00001754894500012
时，所述惠斯通电桥还包括与温度传感器Rc串联的Rtb，用于温度补偿，
Figure FDA00001754894500013
当
Figure FDA00001754894500014
时，所述惠斯通电桥还包括与热敏流速传感器Rh串联的Rtb′，用于温度补偿，
Figure FDA00001754894500015
2.如权利要求1所述的热敏流速传感器温度补偿电路，其特征在于，所述Rtb和Rtb′为数字电位器。
3.如权利要求2所述的热敏流速传感器温度补偿电路，其特征在于，还包括微处理器U2，所述U2用于采集惠斯通电桥中热敏流速传感器Rh一侧的输出节点电压和桥顶电压，并调节电桥中的Rtb或Rtb′。
4.一种利用权利要求1中所述电路对热敏流速传感器进行温度补偿的方法，其特征在于,包括以下步骤：
S1：使其中，Rc0和Rh0分别为温度传感器和热敏流速传感器在零摄氏度下的电阻值，αc和αh分别为温度传感器和热敏流速传感器的温度电阻系数；
S2：判断
Figure FDA00001754894500022
是否成立，若是，则执行步骤S3；若否，则执行步骤S4；
S3：在输出节点前设置调节电阻
Figure FDA00001754894500023
与温度传感器Rc串联，其中ΔT为设定的恒温差；
S4：在输出节点前设置调节电阻
Figure FDA00001754894500024
与热敏流速传感器Rh串联，其中ΔT为设定的恒温差。
5.一种利用权利要求3中所述电路对热敏流速传感器的功率进行自动调节的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，在零流速状态下测量桥顶电压V1和Rh边的输出节点电压V2，A/D采样并传输到微处理器中；
S2，微处理器计算通过Rh的电流I＝V2/Rb；
S3，微处理器计算Rh的功率；
S4，判断所述Rh的功率与预设零点电功率值之差是否小于预设的Rh的功率与零点电功率值之差的阈值；若是，则执行S5；若否，则执行S6；
S5：保持Rtb或Rtb′的值不变；
S6:微处理器调节数字电位器Rtb或Rtb′的阻值，并在零流速状态下实时测量Rh的功率，直到Rh的功率达到预定功率范围。
6.如权利要求5所述的对热敏流速传感器的功率进行自动调节的方法，其特征在于，所述的步骤S3，进一步包括：若采用Rtb，计算Rh的功率I·(V1-V2)；若采用Rtb′，计算Rh的功率I·(V1-V2)-I2·Rtb'。
7.如权利要求5所述的对热敏流速传感器的功率进行自动调节的方法，其特征在于，还包括设定零点电功率值及Rh的功率与零点电功率值之差的阈值的步骤。
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