CN103217550B - 铂热栅式风速风向传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及铂热栅式风速风向传感器，包括铂丝、隔热基底层、过渡层、覆膜层和金属片引线，其中隔热基底层与过渡层粘接连接，铂丝绕成四个独立的栅丝结构a、b、c、d并粘接在过渡层上，四个独立的栅丝结构中的两个栅丝结构a、b水平排列，另外两个栅丝结构c、d竖直排列，且栅丝结构a、b的连线与栅丝结构c、d的连线互相垂直，铂丝引线与金属片引线焊接连接，覆膜层粘接在过渡层上，本发明传感器用于风速风向的测量，具有体积小、质量轻、精度高、长寿命、结构简单可靠的特点。

Description

铂热栅式风速风向传感器

技术领域

本发明涉及铂热栅式风速风向传感器，用于风速风向的测量，属于传感器领域。

背景技术

目前使用的风速测量传感器，主要由两种形式，一种是带旋转部件的风杯风速传感器、螺旋浆风速传感器，另一种是热线风速传感器等。风杯风速传感器和螺旋浆风速传感器因旋转质量有限，传感器器惯性较大，转动部分破坏流场，不能测量较低的风速，误差较大，使用寿命有限。热线、热模式风速传感器存在工艺难度大，输出信号微弱，后端信号处理电路复杂，而且结构易损坏的缺点。上述两种形式的风速传感器均属于一维风速传感器，不能完成风向的测量。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种铂热栅式风速风向传感器，该传感器用于风速风向的测量，具有体积小、质量轻、精度高、长寿命、结构简单可靠的特点。

本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：

铂热栅式风速风向传感器，包括铂丝、隔热基底层、过渡层、覆膜层和金属片引线，其中隔热基底层与过渡层粘接连接，铂丝绕成四个独立的栅丝结构a、b、c、d并粘接在过渡层上，四个独立的栅丝结构中的两个栅丝结构a、b水平排列，另外两个栅丝结构c、d竖直排列，且栅丝结构a、b的连线与栅丝结构c、d的连线互相垂直，铂丝引线与金属片引线焊接连接，覆膜层粘接在过渡层上，并将铂丝覆盖。

在上述铂热栅式风速风向传感器中，四个独立的栅丝结构a、b、c、d在过渡层上对称排布，即：若栅丝结构a、b的连线与栅丝结构c、d的连线的交点为O，则四个独立的栅丝结构a、b、c、d与交点O的距离相等。

在上述铂热栅式风速风向传感器中，铂丝的直径为0.01～0.1mm，单个栅丝结构的阻值为100Ω～200Ω。

在上述铂热栅式风速风向传感器中，隔热基底层为热导率低于5W/(m·K)的非金属材料。

在上述铂热栅式风速风向传感器中，隔热基底层为聚酰氧胺板或环氧树脂板，厚度为0.3～1mm。

在上述铂热栅式风速风向传感器中，过渡层为非金属材料。

在上述铂热栅式风速风向传感器中，过渡层为无碱玻璃纤维布。

在上述铂热栅式风速风向传感器中，铂丝采用平面绕线工艺绕成四个独立的栅丝结构a、b、c、d，在使用时，过渡层上先均匀喷涂一层胶，铂丝边绕制边粘接在过渡层上。

在上述铂热栅式风速风向传感器中，覆膜层为聚酰氧胺薄膜，厚度为0.02～0.06mm。

在上述铂热栅式风速风向传感器中，金属片引线为镍片引线、不锈钢片引线或铜箔引线，厚度为0.02～0.06mm。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

（1）相对于带旋转部件的风杯风速传感器、螺旋浆风速传感器，本发明能克服风杯风速传感器和螺旋浆风速传感器因旋转质量有限，传感器器惯性较大，转动部分破坏流场，不能测量较低的风速，误差较大，使用寿命有限的缺点，本发明的原理基于流体外掠平板的传热理论，采用测量温差的方式得到风速和风向，本发明具有无机械运动机构、对流场的破坏小、测量惯性小、能测量低风速、精度高、长寿命等优点；

（2）相对于热线、热膜式风速传感器，本发明采用热电阻原理测量温度，通过温度差得到风度，后端处理电路简单，能克服其工艺难度大，输出信号微弱，后端信号处理电路复杂，而且结构易损坏的缺点，具有工艺简单、输出信号大、结构可靠的优点；

（3）相对于常见的风速传感器不能测量风向的局限性，本发明通过测量正交方向的风速，推算出风向，因此能同时测量风速和风向；

（4）相对于常见的风速传感器的结构，本发明采用隔热基底层、过渡层、覆膜层组成的三层薄膜工艺，整机厚度约1mm，节省安装空间，对气流扰动小；

（5）本发明同时具有质量轻、精度高、长寿命、结构简单可靠的特点。

附图说明

图1为本发明风速风向传感器原理示意图；

图2A为本发明风速风向传感器结构示意图；

图2B为本发明风速风向传感器结构剖面图（图2A中A-A向剖面图）。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

如图2A所示为本发明风速风向传感器结构示意图，图2B为本发明风速风向传感器结构剖面图（图2A中A-A向剖面图），由图可知该传感器包括铂丝1、隔热基底层2、过渡层3、覆膜层4和金属片引线5。其中隔热基底层2与过渡层3粘接连接，铂丝1绕成四个独立的栅丝结构a、b、c、d并粘接在过渡层3上，四个独立的栅丝结构中的两个栅丝结构a、b水平排列，另外两个栅丝结构c、d竖直排列，且栅丝结构a、b的连线与栅丝结构c、d的连线互相垂直，铂丝1引线与金属片引线5焊接连接，覆膜层4通过胶6粘接在过渡层3上，并将铂丝1覆盖。

如图2A所示，本实施例中给出的四个独立的栅丝结构a、b、c、d在过渡层3上对称排布，即：若栅丝结构a、b的连线与栅丝结构c、d的连线的交点为O，则四个独立的栅丝结构a、b、c、d与交点O的距离相等。

铂丝1的直径为0.01～0.1mm，单个栅丝结构的阻值为100Ω～200Ω。铂丝1在绕制前需经过严格的酸洗、清洗和退火工序，以去除铂丝1表面的杂质及固有应力。采用平面绕线工艺绕成四个独立的栅丝结构a、b、c、d，在使用时，过渡层3上先均匀喷涂一层胶6，铂丝1边绕制边粘接在过渡层3上。保证栅丝结构的一致性。

隔热基底层2为热导率低于5W/(m·K)的非金属材料，可以为聚酰氧胺板或环氧树脂板，厚度为0.3～1mm。

过渡层3采用柔韧性良好、绝缘、耐温的非金属材料，可以为无碱玻璃纤维布，在使用时，先均匀的喷涂一层胶6。

覆膜层4采用聚酰氧胺薄膜，厚度为0.02～0.06mm。

金属片引线5采用镍片引线、不锈钢片引线或铜箔引线，厚度为0.02～0.06mm。

本发明传感器的装配工艺如下：

先采用喷胶工艺在过渡层3上用喷枪喷涂一层薄而均匀的胶液，然后将隔热基底层2与过渡层3用胶粘贴，然后采用平面绕线工艺将铂丝1绕制并粘接在过渡层3上，将铂丝1绕成四个独立的栅丝结构，且对称分布，在绕线过程中喷酒精蒸汽可增大其喷涂胶液的粘性，使铂丝1与过渡层3粘接良好，然后将铂丝1引线与金属片引线5焊接，最后用胶将覆膜层4粘贴在过渡层3上。通过加压，最终将铂丝1、隔热基底层2、过渡层3、覆膜层4粘接牢固，之后加温固化，固化后整机厚度小于1mm。

本发明采用热温差原理测量风速，如图1所示为本发明风速风向传感器原理示意图，其中曲线1为零风速时的温度分布，曲线2为风速V1时的温度分布。对栅丝结构的铂丝通以电流，栅丝结构处的温度升高，其温度高于环境温度，对于并排的两个栅丝结构而言，在零风速时，其栅丝结构处的温度最高，在测量中心对称点A、B处呈现两个对称波峰；在有风吹过传感器的表面时，会对表面不均匀冷却，传感器表面风向的上游同时会带走一小部分热量到下游，在A、B处会出现温度差，其风速与温度差有一定的函数关系：

$V_1=f\left(\mathrm{\Δ}{T}_1\right)---\left(1\right)$            （1）

式中：V₁为测量方向上的速度

△T₁为测量方向上的温度差

铂丝的阻值与温度的对应关系在0℃～630℃范围内为：

R=R0(1+αT)      （2）

式中：R0为铂丝在0℃时的阻值，α为铂丝的温度系数

因此，根据式（1）、式（2），通过测量两个栅丝结构的电阻值，可以得到该方向上的风速V₁。

显然，将在并排的两个栅丝结构基础上，在增加两个栅丝结构，排列方式如图2所示，同样，可得到增加的两个栅丝结构方向上的风速为V₂。

风速、风向可由式（3）解算：

$V=\sqrt{V_1^2+V_2^2}---\left(3\right)$

$\mathrm{\θ}={\tan }^{-1}\left(\frac{V_2}{V_1}\right)---\left(4\right)$

实施例1

铂丝1的直径为0.02mm，单个栅丝结构的阻值为100Ω～200Ω；隔热基底层2为聚酰氧胺板，厚度为0.7mm；过渡层3为无碱玻璃纤维布；覆膜层4为聚酰氧胺薄膜，厚度为0.03mm。

金属片引线5为镍(N6)片引线，几何尺寸为：长30mm，宽2mm，厚0.05mm，单个栅丝结构的两镍片引出线总的电阻值为0.0627Ω，以0℃条件下的铂电阻标称电阻150Ω为例，引出线的电阻占整机电阻的0.039%，引起的测量误差为0.09℃，其误差可以忽略。

经测试，本实施例传感器的量程为0～30m/s，精确度优于3%。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.铂热栅式风速风向传感器，其特征在于：包括铂丝(1)、隔热基底层(2)、过渡层(3)、覆膜层(4)和金属片引线(5)，其中隔热基底层(2)与过渡层(3)粘接连接，铂丝(1)绕成四个独立的栅丝结构(a、b、c、d)并粘接在过渡层(3)上，四个独立的栅丝结构中的两个栅丝结构(a、b)水平排列，另外两个栅丝结构(c、d)竖直排列，且栅丝结构(a、b)的连线与栅丝结构(c、d)的连线互相垂直，铂丝(1)引线与金属片引线(5)焊接连接，覆膜层(4)粘接在过渡层(3)上，并将铂丝(1)覆盖；所述四个独立的栅丝结构(a、b、c、d)在过渡层(3)上对称排布，即：若栅丝结构(a、b)的连线与栅丝结构(c、d)的连线的交点为O，则四个独立的栅丝结构(a、b、c、d)与交点O的距离相等；所述铂丝(1)采用平面绕线工艺绕成四个独立的栅丝结构(a、b、c、d)，在使用时，过渡层(3)上先均匀喷涂一层胶，铂丝(1)边绕制边粘接在过渡层(3)上。

2.根据权利要求1所述的铂热栅式风速风向传感器，其特征在于：所述铂丝(1)的直径为0.01～0.1mm，单个栅丝结构的阻值为100Ω～200Ω。

3.根据权利要求1所述的铂热栅式风速风向传感器，其特征在于：所述隔热基底层(2)为热导率低于5W/(m·K)的非金属材料。

4.根据权利要求3所述的铂热栅式风速风向传感器，其特征在于：所述隔热基底层(2)为聚酰氧胺板或环氧树脂板，厚度为0.3～1mm。

5.根据权利要求1所述的铂热栅式风速风向传感器，其特征在于：所述过渡层(3)为非金属材料。

6.根据权利要求5所述的铂热栅式风速风向传感器，其特征在于：所述过渡层(3)为无碱玻璃纤维布。

7.根据权利要求1所述的铂热栅式风速风向传感器，其特征在于：所述覆膜层(4)为聚酰氧胺薄膜，厚度为0.02～0.06mm。

8.根据权利要求1所述的铂热栅式风速风向传感器，其特征在于：所述金属片引线(5)为镍片引线、不锈钢片引线或铜箔引线，厚度为0.02～0.06mm。