CN103592461A - 二维流速矢量测量传感器及其制作方法、信号的处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种二维流速矢量测量传感器及其制作方法、信号的处理方法，该二维流速矢量测量传感器包括基底，该基底上设有圆形的热敏电阻区域，该热敏电阻区域被均分为至少三个扇形区域，每一个该扇形区域均布置有一个迂回结构的热敏电阻丝，以便该热敏电阻丝均匀分布在该扇形区域内。本发明提供的二维流速矢量测量传感器，其结构简单，测量方便。

Description

二维流速矢量测量传感器及其制作方法、信号的处理方法

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种二维流速矢量测量传感器及其制作方法、信号的处理方法。

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、生物医疗等领域有着重要作用。传统的流速测量方法有皮托管/压力传感器、热式传感器等测量方法，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。电阻阻值测量采用惠斯通电桥，可采用如恒流、恒压和恒温差模式进行检测。其中恒温差检测方法的特点是动态响应快、灵敏度高、易于实施温度补偿，因此广泛应用于热式流速测量领域。这种方法通过一个闭环回路实现对热敏流速传感器的恒温控制，在恒温差电路中设置一个温度传感器检测环境温度，其阻值随着环境温度变化而发生变化，热敏元件温度与环境温度的温差通过电桥被检测出，通过放大器影响加热功率，从而实现热敏流速传感器对于环境温度的恒温差控制。

对流速矢量测量传统采用机械风标等方式，测量装置大、可靠性差；也有采用多压力传感器/皮托管的方式检测流速大小和方向，但传感器结构复杂、难以集成；采用微型热敏结构可以实现传感器的小型化和集成化，已有技术提出采用多个微型加热元件与多个微型温度测量元件的组合方式进行流速矢量检测，但该种方式中传感器结构仍然复杂，元件较多，需要加热元件对局部环境加热，再利用分布式的多个温度传感器进行温场的检测。

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：提供一种二维流速矢量测量传感器及其制作方法、信号的处理方法，以克服现有技术中流速矢量测量传感器结构复杂的缺点。

（二）技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供了一种二维流速矢量测量传感器，包括基底，所述基底上设有圆形的热敏电阻区域，所述热敏电阻区域被均分为至少三个扇形区域，每一个所述扇形区域均布置有一个迂回结构的热敏电阻丝，以便所述热敏电阻丝均匀分布在所述扇形区域内。

进一步地，还包括设置在所述热敏电阻丝上的保护层。

进一步地，所述热敏电阻丝的厚度为50～500nm。

进一步地，还包括所述各热敏电阻丝的恒温差电路，所述恒温差电路包括惠斯通电桥和差分放大器L；

所述惠斯通电桥的两输出节点与所述差分放大器L的一端连接，所述差分放大器的另一端输出反馈至电桥桥顶形成闭环反馈回路；

所述惠斯通电桥中的一个桥臂为所述二维流速矢量测量传感器中的热敏电阻丝R_h，用于检测热敏电阻丝温度，其相对桥臂为温度传感器R_c，用于测量环境温度并进行温度补偿；

所述惠斯通电桥另外两个桥臂为固定电阻R_a和R_b，R_h与R_b串联，R_c与R_a串联，

其中，R_c0为温度传感器R_c在零摄氏度下的电阻值，R_h0为热敏电阻丝R_h在零摄氏度下的电阻值，α_c为温度传感器R_c的温度电阻系数，α_h为热敏电阻丝R_h的温度电阻系数，所述惠斯通电桥还包括与温度传感器R_c串联的R_tb，用于调节所述热敏电阻丝R_h的温度，所述恒温差电路输出电压U为热敏电阻丝输出。

为解决上述问题，本发明还提供一种如上述任意一种的二维流速矢量测量传感器的制作方法，包括：

A：在表面绝缘的基底上形成掩模板，所述掩模板上具有与所述热敏电阻丝的结构对应的图形；

B：在所述掩模板上沉积热敏材料层；

C：剥离所述掩模板形成热敏电阻丝的结构。

进一步地，在步骤A之后、步骤B之前还包括：在所述掩模板上沉积粘附层。

进一步地，在步骤C之后还包括：在所述热敏电阻丝上沉积保护层。

为解决上述问题，本发明还提供一种对上述任意一种传感器的信号的处理方法，包括：

S1：采集所述二维流速矢量测量传感器中的各热敏电阻丝的输出信号；

S2：构造BP神经网络模型，并对所述BP神经网络模型进行标定；

S3：将所述热敏电阻丝的输出信号输入所述标定后的BP神经网络模型，得到所述输出信号对应的流速大小信息和方向信息。

进一步地，步骤S2包括：

S21：构造BP神经网络模型，并初始化所述BP神经网络模型，包括设置所述BP神经网络模型的权参数W₁和W₂的初值；

S22：在预设的流速矢量下采集所述二维流速矢量测量传感器的热敏电阻丝的输出数据，将所述输出数据输入所述BP神经网络模型，得到所述BP神经网络模型的输出数据；

S23：将所述BP神经网络模型的输出数据与所述预设的流速矢量进行比较，若所述BP神经网络模型的输出数据与所述预设的流速矢量之间的误差小于或等于设定的阈值，则标定结束，否则，修正所述BP神经网络模型的权参数并返回S22继续进行标定。

（三）有益效果

本发明提供的二维流速矢量测量传感器，能够实现360度全方位的二维矢量流测量，其结构简单、紧凑、测量方便，由于将加热元件和温度测量元件合二为一，在简化结构的同时还节省了功耗。

附图说明

图1是本发明实施方式提供的一种二维流速矢量测量传感器的结构图；

图2是本发明实施方式提供的又一种二维流速矢量测量传感器的结构图；

图3是本发明实施方式提供的一种恒温差电路的示意图。

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。

本发明实施方式提供了一种二维流速矢量测量传感器，包括基底，所述基底上设有圆形的热敏电阻区域，所述热敏电阻区域被均分为至少三个扇形区域，每一个所述扇形区域均布置有一个迂回结构的热敏电阻丝，以便所述热敏电阻丝均匀分布在所述扇形区域内。

其中，该二维流速矢量测量传感器还包括设置在所述热敏电阻丝上的保护层。

其中，所述基底的材料可以为玻璃或者聚酰亚胺薄膜。

其中，所述热敏电阻丝的厚度为50～500nm，该热敏电阻丝的材料可以为具有温度电阻特性的金属、半导体等材料，通过刻蚀加工使薄膜图形化，形成热敏电阻丝和焊盘。热敏电阻线分布在一个圆的等分n个扇形区（n≥3）内，例如可以采用迂回曲桥的线结构，从而使整个扇区面积内均匀发热。

本发明实施方式提供的二维流速矢量测量传感器，其基底上设有圆形的热敏电阻区域，该热敏电阻区域被均分为至少三个扇形区域，每一个扇形区域均布置有一个迂回结构的热敏电阻丝，各热敏电阻丝具有相同结构，并具有相同电阻值，热敏丝两端分别连接焊盘用于电信号输入和输出，该热敏电阻丝既作为加热元件，也作为温度测量元件，当传感器工作时，对各个热敏丝进行电加热，使它们温度升高至高于环境温度的一个相等温差，在流体静止的环境中，热敏丝作为一个热源，与环境和基底进行热交换，并达到热平衡，此时在热敏元件的周围以及上方形成一个圆形的温度场，当有流体沿某个方向流经传感器时，该温度场将沿流速方向产生变形，造成圆形内各点温度的变化，该温度的变化被分布在圆内的各个热敏丝所检测，将由于温度变化造成的各热敏丝电阻变化信息通过恒温差电路转化成电压信号输出、采集并进行数据融合就可以获得流速的大小和方向。

图1是本发明实施方式提供的一种二维流速矢量测量传感器的结构图，包括基底10，基底10上设有圆形的热敏电阻区域，所述热敏电阻区域被均分为四个扇形区域，每一个所述扇形区域均布置有一个迂回结构的热敏电阻丝，包括热敏电阻丝2、热敏电阻丝3、热敏电阻丝5和热敏电阻丝6，其中，每一个热敏电阻丝的两端设置有焊盘，用于与调理电路进行电气连接，在图1中，热敏电阻丝2两端的焊盘为焊盘4和焊盘8，热敏电阻丝3两端的焊盘为焊盘4和焊盘1，热敏电阻丝5两端的焊盘为焊盘4和焊盘7，热敏电阻丝6两端的焊盘为焊盘4和焊盘9，焊盘4为各热敏电阻丝的共地焊盘。其中，基底10的表面光洁，可以采用绝缘、导热率低的材料，例如选择玻璃、聚酰亚胺薄膜等材料，此外，该二维流速矢量测量传感器还包括覆盖在热敏电阻丝上的保护层，为纳米厚度的绝缘膜，如选择聚对二甲苯系聚合物沉积在芯片表面对传感器进行保护。

图2是本发明实施方式提供的又一种二维流速矢量测量传感器的结构图，包括基底18，基底18上设有圆形的热敏电阻区域，所述热敏电阻区域被均分为三个扇形区域，每一个所述扇形区域均布置有一个迂回结构的热敏电阻丝，包括热敏电阻丝13、热敏电阻丝14和热敏电阻丝16，其中，每一个热敏电阻丝的两端设置有焊盘，用于与调理电路进行电气连接，在图2中，热敏电阻丝13两端的焊盘为焊盘11和焊盘20，热敏电阻丝14两端的焊盘为焊盘12和焊盘15，热敏电阻丝16两端的焊盘为焊盘17和焊盘19，其中，基底18的表面光洁，可以采用绝缘、导热率低的材料，例如选择玻璃、聚酰亚胺薄膜等材料，此外，该二维流速矢量测量传感器还包括覆盖在热敏电阻丝上的保护层，为纳米厚度的绝缘膜，如选择聚对二甲苯系聚合物沉积在芯片表面对传感器进行保护。

本发明实施例还提供一种制造上述二维流速矢量传感器的方法，包括：

A：在表面绝缘的基底上形成掩模板，所述掩模板上具有与所述热敏电阻丝的结构对应的图形；

B：在所述掩模板上沉积热敏材料层；

C：剥离所述掩模板形成热敏电阻丝的结构。

其中，在步骤A之后、步骤B之前还包括：在所述掩模板上沉积粘附层。

其中，在步骤C之后还包括：在所述热敏电阻丝上沉积保护层。

具体地，首先在表面绝缘的基底上面涂敷光刻胶，并将其曝光、显影、定影成为掩模板；然后沉积粘附层，该粘附层的材料可以为钛、铬等；再在掩模板上沉积热敏材料层，然后剥离形成热敏电阻丝结构；最后在热敏电阻丝上沉积保护层。该制造二维流速矢量传感器的方法具体可以采用薄膜制备工艺，从而使得传感器表面平整，并可采用柔性基底实现柔性的传感器，贴附于被测物体的表面，由于该二维流速矢量传感器采用圆形等分扇区、均匀发热的圆对称的平面设计，从而可以最大程度降低边界结构对测量的影响，提高测量性能。

此外，还可以采用以下方法制造二维流速矢量传感器，包括以下步骤：首先在表面绝缘的基底上沉积粘附层；在粘附层上沉积热敏材料层；然后刻蚀粘附和热敏材料形成热敏电阻丝结构；最后沉积保护膜。

其中，上述二维流速矢量传感器的每一个热敏电阻丝都是一个焦耳自加热的热敏电阻，由调理电路驱动，其中，该二维流速矢量测量传感器还包括与各热敏电阻丝连接的恒温差电路,参见图3，该恒温差电路包括惠斯通电桥和差分放大器L；

所述惠斯通电桥的两输出节点与所述差分放大器L的一端连接，所述差分放大器的另一端输出反馈至电桥桥顶形成闭环反馈回路；

所述惠斯通电桥中的一个桥臂为所述二维流速矢量测量传感器中的热敏电阻丝R_h，用于检测热敏电阻丝温度，其相对桥臂为温度传感器R_c，用于测量环境温度并进行温度补偿；

所述惠斯通电桥另外两个桥臂为固定电阻R_a和R_b，R_h与R_b串联，R_c与R_a串联，

其中，R_c0为温度传感器R_c在零摄氏度下的电阻值，R_h0为热敏电阻丝R_h在零摄氏度下的电阻值，α_c为温度传感器R_c的温度电阻系数，α_h热敏电阻丝R_h的温度电阻系数，所述惠斯通电桥还包括与温度传感器R_c串联的R_tb，用于调节所述热敏电阻丝R_h的温度。所述恒温差电路输出电压U为热敏电阻丝输出。

具体地，在工作中控制各个热敏电阻丝的工作温度始终为高于环境温度的统一设定温度值。在静态下，热敏电阻丝将在被测对象当地表面形成一个恒温差热源，以及以自身圆心为对称中心的、仅由热传导和自然对流决定的温度分布场。当被测表面外的流体发生流动的时候，由于引入强制对流，发热区域整体的散热率增加，同时温度分布场的形态将沿流向发生偏斜，从而导致流动上游扇区的散热强于下游，而这些都将反映在各个敏感元件（即热敏电阻丝）调理电路的输出上。

各个热敏电阻丝输出经过数据融合模型实现对流速矢量的测量。具体地，可以采用神经网络来构建模型结构，模型参数通过最小二乘学习算法进行参数估计。将上述各个传感器输出信号采集后，采用神经网络模型将流速大小、方向的信息解算出来。神经网络是一个多输入多输出的系统，将传感器各热敏电阻丝的输出读数U_1～n输入神经网络模型，先后经过归一化函数I，线性加权叠加W₁，隐函数H，线性加权叠加W₂，逆归一化函数O后，就得到待测的流速大小V和方向角θ。

本发明实施方式还提供一种上述二维流速矢量测量传感器的信号的处理方法，包括：

S1：采集所述二维流速矢量测量传感器中的各热敏丝的输出信号；

S2：构造BP神经网络模型，并对所述BP神经网络模型进行标定；

S3：将所述热敏电阻丝的输出信号输入所述标定后的BP神经网络模型，得到所述输出信号对应的流速大小信息和方向信息。

其中，在使用传感器进行流速矢量测量之前，需要对神经网络模型中的各参数（W₁和W₂）进行标定，即神经网络参数学习，步骤S2包括：

S21：构造BP神经网络模型，并初始化所述BP神经网络模型，包括设置所述BP神经网络模型的权参数W₁和W₂的初值；

S22：在预设的流速矢量下采集所述二维流速矢量测量传感器中的各热敏电阻丝的输出数据，将所述热敏电阻丝的输出数据输入所述BP神经网络模型，得到所述BP神经网络模型的输出数据；具体地，将在设定各流速矢量V_1A～mA、θ_1A～mA下采集得到的传感器电压输出组U_11～1n、U_21～2n……U_m1～mn输入网络，得到网络的输出V_1～m、θ_1～m；

S23：将所述BP神经网络模型的输出数据与所述预设的流速矢量进行比较，若所述BP神经网络模型的输出数据与所述预设的流速矢量之间的误差小于或等于设定的阈值，则标定结束，否则，修正所述BP神经网络模型的权参数并返回S22继续进行标定；

具体地，将V_1～m、θ_1～m与V_1A～mA、θ_1A～mA进行比较，若误差小于等于阈值则完成标定，若误差大于阈值则修正神经网络参数并返回S22继续标定的步骤。其中修正神经网络参数的具体步骤是将V_1～m、θ_1～m与V_1A～mA、θ_1A～mA进行比较后，根据误差的均方差最小原则计算出加权参数W₁、W₂的修正值[ΔW₁,ΔW₂]，将W₁+ΔW₁、W₂+ΔW₂作为新的加权参数。

完成标定后，使用传感器进行流速矢量测量时，将实时采集到的各敏感元件（即热敏电阻丝）的电压输出U_1～n输入进神经网络模型中，网络模型的输出就是待测流速的大小V和方向角θ。

本发明实施方式提供的二维流速矢量测量传感器，能够实现360度全方位的二维矢量流测量，其结构简单、紧凑、测量方便，由于将加热元件和温度测量元件合二为一，在简化结构的同时还节省了功耗，此外，通过使用神经网络数据融合方法，可以解决多输入输出模型的耦合和非线性问题，通过标定即可以实现对任意场合下传感器的输入输出模型建立，从而适用于复杂环境下的流场测量。

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 (9)

1.一种二维流速矢量测量传感器，其特征在于，包括基底，所述基底上设有圆形的热敏电阻区域，所述热敏电阻区域被均分为至少三个扇形区域，每一个所述扇形区域均布置有一个迂回结构的热敏电阻丝，以便所述热敏电阻丝均匀分布在所述扇形区域内。

2.根据权利要求1所述的二维流速矢量测量传感器，其特征在于，还包括设置在所述热敏电阻丝上的保护层。

3.根据权利要求1所述的二维流速矢量测量传感器，其特征在于，所述热敏电阻丝的厚度为50～500nm。

4.根据权利要求1所述的二维流速矢量测量传感器，其特征在于，还包括所述各热敏电阻丝的恒温差电路，所述恒温差电路包括惠斯通电桥和差分放大器L；

所述惠斯通电桥的两输出节点与所述差分放大器L的一端连接，所述差分放大器的另一端输出反馈至电桥桥顶形成闭环反馈回路；

所述惠斯通电桥中的一个桥臂为所述二维流速矢量测量传感器中的热敏电阻丝R_h，用于检测热敏电阻丝温度，其相对桥臂为温度传感器R_c，用于测量环境温度并进行温度补偿；

所述惠斯通电桥另外两个桥臂为固定电阻R_a和R_b，R_h与R_b串联，R_c与R_a串联，

其中，R_c0为温度传感器R_c在零摄氏度下的电阻值，R_h0为热敏电阻丝R_h在零摄氏度下的电阻值，α_c为温度传感器R_c的温度电阻系数，α_h为热敏电阻丝R_h的温度电阻系数，所述惠斯通电桥还包括与温度传感器R_c串联的R_tb，用于调节所述热敏电阻丝R_h的温度，所述恒温差电路输出电压U为热敏电阻丝输出。

5.一种如权利要求1～4任意一项所述的二维流速矢量测量传感器的制作方法，其特征在于，包括：

A：在表面绝缘的基底上形成掩模板，所述掩模板上具有与所述热敏电阻丝的结构对应的图形；

B：在所述掩模板上沉积热敏材料层；

C：剥离所述掩模板形成热敏电阻丝的结构。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在步骤A之后、步骤B之前还包括：在所述掩模板上沉积粘附层。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在步骤C之后还包括：在所述热敏电阻丝上沉积保护层。

8.一种对如权利要求1～4任意一项所述传感器的信号的处理方法，其特征在于，包括：

S1：采集所述二维流速矢量测量传感器中的各热敏电阻丝的输出信号；

S2：构造BP神经网络模型，并对所述BP神经网络模型进行标定；

S3：将所述热敏电阻丝的输出信号输入所述标定后的BP神经网络模型，得到所述输出信号对应的流速大小信息和方向信息。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤S2包括：

S21：构造BP神经网络模型，并初始化所述BP神经网络模型，包括设置所述BP神经网络模型的权参数W₁和W₂的初值；

S22：在预设的流速矢量下采集所述二维流速矢量测量传感器的热敏电阻丝的输出数据，将所述输出数据输入所述BP神经网络模型，得到所述BP神经网络模型的输出数据；

S23：将所述BP神经网络模型的输出数据与所述预设的流速矢量进行比较，若所述BP神经网络模型的输出数据与所述预设的流速矢量之间的误差小于或等于设定的阈值，则标定结束，否则，修正所述BP神经网络模型的权参数并返回S22继续进行标定。

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