CN108562761B - 一种阵列式风速风向传感器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及传感器技术领域，具体涉及阵列式风速风向传感器及其制作方法。本发明提供的阵列式风速风向传感器，包括扣合在一起的上盖和支架；所述支架上设有陶瓷电路板，所述支架的中心位置设有第二通气管，所述陶瓷电路板上设有多个热式敏感流量芯片，多个热式敏感流量芯片成阵列结构，多个所述热式敏感流量芯片设置的位置与上盖上的多个通气孔一一相对设置，所述热式敏感流量芯片的第一通气管从第二通气管穿出，所述第二通气管内设置的导线与热式敏感流量芯片连接；所述热式敏感流量芯片至少为4个。本发明提供的阵列式风速风向传感器解决了热式风速风向传感器对风向测量的不足的问题，并且大大减小了实测风速偏差。

Description

一种阵列式风速风向传感器及其制作方法

技术领域

本发明属于风速传感器技术领域，具体涉及一种阵列式风速风向传感器及其制作方法。

背景技术

测量风速风向的传感器的感应元件是测量风速的核心，风向风速器有多种分类，主要以比托管式、机械式、电磁式、热线式及超声波风速传感器，机械式的风速风向传感器应用时间最长也最广泛，风向感应通常采用可动的风向标，然后通过不同的方式将风向标的角位转移出可用的电信号输出，风标和风杯组合而成的风速风向传感器最为常见和通用，但是需要机械结构和电学或光学机构的结合，体积不易减小且结构复杂，本身的动力特性所决定的过高效应，以及需要仪器和安装支架，都会对测量精度带来影响，超声波传感器利用的超声波时差法实现风速测量，超声波在空气中传播的速度可以与风速函数对应，通过计算得到风速和风向的数值，超声波风速风向传感器测量准确响应快，无可动部件，克服机械式风速风向仪器的固有缺陷，但要超声波源，结构复杂、重量大、价格高。热式风速传感器所测气流速度是电流与电阻的函数，有恒温式和恒流式，通过测出电流和电阻的变化，测出气体流速变化，该风速传感器可以结合MEMS技术实现小体积、低功耗、动态快速响应，但是难以实现风速风向同时测量，且会带来实测风速偏差。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供了一种阵列式风速风向传感器，通过设置阵列式分布结构的传感器方案，实现风速风向的同时测量，实现结构简单、成本低且尺寸小的风速风向的传感器。

为解决上述问题，本发明提供的阵列式风速风向传感器，包括扣合在一起的上盖和支架；所述支架上设有陶瓷电路板，所述支架的中心位置设有第二通气管，所述陶瓷电路板上设有多个热式敏感流量芯片，多个热式敏感流量芯片成阵列结构，多个所述热式敏感流量芯片设置的位置与上盖上的多个通气孔一一相对设置，所述热式敏感流量芯片的第一通气管从第二通气管穿出，所述第二通气管内设置的导线与热式敏感流量芯片连接；所述热式敏感流量芯片至少为4个。

可选的，所述热式敏感流量芯片为MEMS热式敏感流量芯片。

可选的，所述通气孔设置在上盖的侧壁上，所述通气孔为若干个且均分分布，横截面为网状结构。

可选的，所述支架和陶瓷电路板为圆型结构，所述热式敏感流量芯片以圆型结构的圆心为基点按照相等角度均匀设置。

可选的，所述热式敏感流量芯片设置的数量为4个、8个、12个或16个，相应的，相邻的热式敏感流量芯片间隔角度为90°、45°、30°、22.5°。

可选的，所述热式敏感流量芯片包括封装体，所述封装体上设置有进气口和第一通气管，所述进气口和第一通气管与所述封装体内部的腔室连通；所述封装体内部的腔室内设置有敏感元件、电阻和加热元件，所述敏感元件和电阻电连接形成串联电路，所述串联电路的两端设置有电源引脚，所述电源引脚延伸出所述封装体外，所述敏感元件和电阻之间设置有输出引脚，所述输出引脚延伸出所述封装体外，所述加热元件的两端设置有加热引脚，所述加热引脚延伸出所述封装体外。

可选的，所述第一通气管上设置有第一通气孔和第一导线穿孔；所述阵列式风速风向传感器还包括，固定座，所述固定座上设置有：与所述第二通气管形状和大小相匹配的凹槽以及固定孔，所述凹槽内设置有与所述第一通气管形状大小相匹配的插接孔，所述固定孔位于所述插接孔的外侧；所述插接孔的内壁上设置有：与第一通气孔相匹配的导向孔，以及，与第一导线穿孔配合的导线孔，所述导向孔和导线孔的出口位于所述固定座的侧面；所述固定座的一侧垂直设置有立板，所述立板与所述固定座为一体的，所述立板的外侧安装有处理器，以及与处理器连接的导电层，所述导线孔的出口设置有固定焊盘，所述固定焊盘与所述导电层连接；所述立板的外侧还设置有通讯接口，所述通讯接口与所述处理器连接；所述处理器用于：在多个所述热式敏感流量芯片中指定其中一个热式敏感流量芯片为基准芯片，并以基准芯片为单位数据1，对多个所述热式敏感流量芯片在逆时针方向顺序编号，并根据热式敏感流量芯片的个数计算出相邻的两个热式敏感流量芯片之间的夹角γ，0°≤γ≤90°；以水平方向为x轴，垂直方向为y轴，建立平面坐标系，使基准芯片位于x轴的正方向上，并以x轴的正方向为基准风速方向，确定位于平面坐标系中不同象限、x轴和/或y轴代表的实际风速方向；接收每个热式敏感流量芯片采集的风速信号，并根据所述风速信号计算出风速数值，其中，风速信号包括：气体的流量 />和热式敏感流量芯片内部的气流方向的切向的横截面积S，热式敏感流量芯片测出的风速和流量关系为：

并根据计算出的其中两个热式敏感流量芯片的风速值，计算出实际风速值V及风向角α，从而确定实际风速和风向，

计算公式如下：

，其中，n为以基准芯片开始，逆时针方向排序的基准芯片的序号;

当n=1时，，风向角 />；

当n=2时， ，其中θ为 />和 />的夹角，计算公式为 />，其中 />、 />为以基准芯片开始，逆时针方向排序的基准芯片的序号，风向角 />的计算公式为/>；

当n>2时，参照n=2的情况，将各芯片测得的风速进行两两合并，计算出合速度，并最终计算出真实风速V及风向角。

可选的，所述立板的外侧安装有定位模块和存储器，所述定位模块和存储器与所述处理器连接，所述定位模块用于实时获取所述阵列式风速风向传感器的位置信息，所述存储器用于存储述定位模块获取的所述阵列式风速风向传感器的位置信息，所述处理器用于调取所述存储器存储的阵列式风速风向传感器的原始位置信息和定位模块获取的阵列式风速风向传感器的实时定位信息，根据定位模块获取的阵列式风速风向传感器的实时定位坐标（x1、y1）以及阵列式风速风向传感器的原始位置坐标（x0、y0）计算出阵列式风速风向传感器的在x轴方向和y轴方向的偏移量（△x、△y），并根据阵列式风速风向传感器的在x轴方向和y轴方向的偏移量（△x、△y）计算出阵列式风速风向传感器在平面坐标系中的偏移角度β，根据偏移角度对实际计算出实际风速值V及风向角α矫正，矫正后的实际风速值V及风向角α的运算公式如下：

当n=1时， ，风向角/>；

当n=2时， ，其中θ为 />和 />的夹角，计算公式为 />，其中 />、 />为以基准芯片开始，逆时针方向排序的基准芯片的序号，风向角 />的计算公式为/>；

当n>2时，参照n=2的情况，将各芯片测得的风速进行两两合并，计算出合速度，并最终计算出真实风速V及风向角。

可选的，所述凹槽的底面通过轴承设置于所述固定座上，所述立板上设置有信号发射器，所述信号发射器与所述处理器连接，所述固定座的底部设置有步进电机，所述步进电机与所述轴承连接，所述插接孔位于所述凹槽的底面上，所述凹槽底面上的导线孔与所述固定座上的导线孔内设置有连接线，通过电刷电连接；所述步进电机的控制电路与所述处理器连接；所述处理器用于，控制步进电机以单位角度正向或反向旋转，所述单位角度的数值等于相邻的所述两个插接孔的连线的弧度角，并在电机旋转后，再次计算出实际风速值V2及风向角α2，并对V2与V、α2与α求差，当V2与V或α2与α的值差值的绝对值超出阈值时，所述处理器通过信号发射器发出报警信号。

本发明还提供了一种上述阵列式风速风向传感器的制作方法，所述方法包括：

步骤1）先采用机械加工的方式制作不锈钢或铝合金材料的支架，所述支架为圆型结构，圆型结构中间加工一个圆孔，支架包括两个部分，一个部分为中空的圆型结构，圆型结构的侧面为侧壁，侧壁厚度为2-4mm，直径30-40mm，另一个部分为圆管结构，厚度为2-4mm，圆管的内径范围10-15mm；

步骤2）陶瓷电路板制作步骤：由三氧化铝材料制成陶瓷电路板，信号传导的金属布线是陶瓷板上的金属布线连接敏感芯片管壳的焊脚和外引线，金属布线先进行钝化层处理，陶瓷电路板选用的尺寸与支架外径相同，内侧的圆孔与支架中间的圆孔孔径相同，陶瓷电路板采用激光切割工艺；

步骤3）在步骤1）制造的支架上涂抹粘结剂，将陶瓷电路板粘结到金属的支架上，并静置待粘结剂完全固化；

步骤4）热式敏感流量芯片粘结步骤：在步骤3完成的陶瓷电路板上粘结8个热式敏感流量芯片，每隔角度45°设置一个，并准确在粘结热式敏感流量芯片的进气口沿圆型陶瓷电路板方向向外，出气口对准该中心的圆孔，粘贴时应保证其方向正确和水平，后进行静置固化；

步骤5）将热式敏感流量芯片焊接，然后与陶瓷电路板金属焊盘进行连接；

步骤6）将陶瓷电路板后的信号引出焊接导线，将导线通过陶瓷电路板和金属支架的中间的第二通气管引出；

步骤7）在热式敏感流量芯片的出气管后接一个第一通气管，第一通气管选用软管，使其能够变形和方便引线，通过陶瓷电路板和金属的支架的中间的第二通气管引出；

步骤8）上盖的制作：通过金属机械加工或模具注塑整体成型，上盖截面为U结构，上盖侧壁和上盖的底部厚度为1~3mm，高度为4~6mm，侧壁在相距45°角位置制作8组通气孔，热式敏感流量芯片的进气口与通气孔对准，并沿圆型陶瓷电路板方向向外；

步骤9）上盖的粘接步骤：将陶瓷电路板沿外边均匀涂覆粘结剂，将上盖的侧边下边缘压在粘结剂上，在上盖上均匀施加压力，安装中应将上盖侧壁上的每个通气孔与八个陶瓷电路板的芯片对准，待粘结剂固化。

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

1、本发明采用了阵列式分布结构的热式敏感流量芯片，解决了热式风速风向传感器对风向测量的不足的问题，并且大大减小了实测风速偏差；

2、采用了MEMS热式敏感流量芯片，结构简单，尺寸小，成本低；

3、本发明可靠性高，安装和使用方便。

附图说明

图1是本发明所述阵列式风速风向传感器的结构示意图；

图2是本发明所述阵列式风速风向传感器的内部结构示意图；

图3是本发明所述的一种热式敏感流量芯片的结构示意图；

图4是本发明运算中的一种平面坐标图；

图5是本发明的一种第一通气管的结构示意图；

图6是本发明的一种固定座的结构示意图之一；

图7是本发明的阵列式风速风向传感器在使用过程中位置偏移图，其中实线为原始位置，虚线为偏移后的位置；

图8是定位模块采集的阵列式风速风向传感器在使用过程中位置偏移图；

图9是本发明的一种阵列式风速风向传感器的原理图；

图10是本发明的一种固定座的结构示意图之二；

图中，1—支架；11—固定座；111—凹槽；112—插接孔；113—固定孔；12—立板；121—处理器；122—导电层；123—固定焊盘；124—通讯接口；2—圆孔；3—陶瓷电路板；4—热式敏感流量芯片；5—上盖；6—第一通气管；61—第一通气孔；611—导向孔；62—第一导线穿孔；621—导线孔；7—封装体；71—进气口；72—敏感元件；73—电阻；74—加热元件；75—电源引脚；76—输出引脚；77—加热引脚；8—通气孔；9—第二通气管；10—导线。

具体实施方式

下文参照附图对本发明的具体实施例进行详细说明。

实施例1, 如图1和图2所示，本发明提供的阵列式风速风向传感器，

包括扣合在一起的上盖5和支架1，上盖5和支架1扣合后还可以通过胶密封；所述支架1上设有陶瓷电路板3，所述支架1的中心位置设有第二通气管9，第二通气管9为中空的圆管，能将热式敏感流量芯片4的引线引出，便于传感器的装配，所述陶瓷电路板3上设有多个热式敏感流量芯片4，多个热式敏感流量芯片成阵列结构，一般呈环形阵列结构，多个所述热式敏感流量芯片4设置的位置与上盖5上的多个通气孔8一一相对设置，所述热式敏感流量芯片4的第一通气管6从第二通气管9穿出，所述第二通气管9内设置的导线10与热式敏感流量芯片4连接；所述热式敏感流量芯片至少为4个，以保证能够接收到四个方向的风。本申请中，所述热式敏感流量芯片4优选为MEMS热式敏感流量芯片，MEMS热式敏感流量芯片性能高、尺寸较小，且成本相对较低。所述通气孔8设置在上盖5的侧壁上，所述通气孔8均分分布，横截面优选为网状结构。一般的，所述热式敏感流量芯片4设置的数量为4个、8个、12个或16个，相应的，相邻的热式敏感流量芯片间隔角度为90°、45°、30°、22.5°。作为一种优选的方案，所述支架1和陶瓷电路板3为圆型结构，所述热式敏感流量芯片4以圆型结构的圆心为基点按照相等角度均匀设置。

本申请中，每个热式敏感流量芯片4由于风向的不同，各热式敏感流量芯片4流过的气流量不同，从而输出的气体流量值不同，可以将流量输出值转化为风速和风向的变化。

以下为一种风速风向的计算说明：

MEMS热式敏感流量芯片测出气体的流量Q，由流量值可以换算出流经此流量单元热敏芯片表面的气体流速，即风速V，通过各个热式敏感流量芯片在阵列分布的角度，及各热式敏感流量芯片测出的流量，可以计算出实际风速值以及风向，具体公式及换算方法如下：

热式敏感流量芯片测出的风速和流量关系为：

如图4所示，加入将4只热式敏感流量芯片分别放置在X轴、Y轴上，传感器进气口方向与气体流动方向的夹角大于或等于90°，则无气体流入传感器，流量输出无变化，在90°之内，风速和风向不变情况下，则会依据根据风向与进气口角度不同，产生不同的流量输出值，具体运算可以通过本领域技术人员熟知的运算。

举例1：如图4中X轴正方向上热式敏感流量芯片为编号为1，Y轴正方向上热式敏感流量m²/h芯片为编号为2，风速与X轴夹角为α，α就是风向与X轴夹角，则：

都可以通过1、2号热式敏感流量芯片测出，通过上面的方程，就可以计算出风速V和方向角α。

说明：是第i个流量测试单元测得的风速，单位m/s；/>是第i个流量测试单元测得的流量，单位为m³/h；S是热式敏感流量芯片的气流方向的切向的横截面积，单位m²，对于确定的传感器该值为常数；V是实际风速值，单位m/s， />是第一只敏感芯片测出的气体流速值，单位m/s； />是第二只敏感芯片测出的气体流速值，单位m/s；单位m/s；α是风向角，就是风向与X轴夹角，单位为度（°）。

当然如果是8只热式敏感流量芯片，则将8只热式敏感流量芯片分别放置在X轴、Y轴及y=x，与y=-x两条直线上，传感器进气口方向与气体流动方向的夹角大于或等于90°，则无气体流入传感器，流量输出无变化，在90°之内，风速和风向不变情况下，则会依据根据风向与进气口角度不同，产生不同的流量输出值。

举例2：如图4中X轴正方向上热式敏感流量芯片为编号为1，y=x第一象限的热式敏感流量芯片为编号为2，Y轴正方向上热式敏感流量芯片为编号为3，风速与X轴夹角为α，α就是风向与X轴夹角，则：

都可以通过1、2、3号热式敏感流量芯片测出，通过上面的方程，就可以计算出风速V和方向角α。

说明：是第i个流量测试单元测得的风速，单位m/s； />是第i个流量测试单元测得的流量，单位为m³/h；S是热式敏感流量芯片的气流方向的切向的横截面积，单位m²，对于确定的传感器该值为常数；V是实际风速值，单位m/s， />是第一只敏感芯片测出的气体流速值，单位m/s； />是第二只敏感芯片测出的气体流速值，单位m/s； />是第三只敏感芯片测出的气体流速值，单位m/s；α是风向角，就是风向与X轴夹角，单位为度（°），其它热式敏感流量芯片测得的风速风向的计算与上述的计算原理相同，此处不再赘述。

热式敏感流量芯片可以使用现有的芯片，本申请中，申请人设计了一款热式敏感流量芯片，参见图3，所述热式敏感流量芯片包括封装体7，所述封装体上设置有进气口71和第一通气管6，所述进气口71和第一通气管6与所述封装体内部的腔室连通；所述封装体内部的腔室内设置有敏感元件72、电阻73和加热元件74，所述敏感元件72和电阻73电连接形成串联电路，所述串联电路的两端设置有电源引脚75，所述电源引脚75延伸出所述封装体外，所述敏感元件72和电阻73之间设置有输出引脚76，所述输出引脚76延伸出所述封装体外，所述加热元件的两端设置有加热引脚77，所述加热引脚77延伸出所述封装体外，本申请中，通过将加热元件74、敏感元件72和电阻73设置于内部的腔室，并且封装体外部还有上盖和支架形成的空腔，形成双层防护结构，使敏感元件处于一个温度相对稳定的环境中，防止外界环境温度变化对敏感元件的影响，敏感元件一般使用热敏式敏感元件，比如热敏电阻，加热元件可以使用电热丝，电热丝优选使用电褥子上的电热丝，使用时，可以通过输出引脚，可以检测敏感元件两端的电压输出变化，也可以检测电阻两端的电压输出变化，此处不做具体限定。

为了方便使用并且提高阵列式风速风向传感器的精确度，申请人还做了如下设计，参见图5和图6，所述第一通气管6上设置有第一通气孔61和第一导线穿孔62；该传感器还包括，固定座11，所述固定座上设置有：与所述第二通气管形状和大小相匹配的凹槽111以及固定孔113，制作时可以将第二通气管卡在凹槽内，防止其外露，进一步防止外部环境温度对传感器内部热敏式敏感元件的影响，所述凹槽内设置有与所述第一通气管形状大小相匹配的插接孔112，所述固定孔位于所述插接孔的外侧；所述插接孔的内壁上设置有：与第一通气孔61相匹配的导向孔611，以便于风进入热式敏感流量芯片后形成气体流动，以及，与第一导线穿孔62配合的导线孔621，以便于引出导线，所述导向孔和导线孔的出口位于所述固定座11的侧面；所述固定座11的一侧垂直设置有立板12，所述立板与所述固定座为一体的，所述立板的外侧安装有处理器121，以及与处理器连接的导电层122，所述导线孔的出口设置有固定焊盘123，所述固定焊盘与所述导电层连接；所述立板的外侧还设置有通讯接口124，所述通讯接口与所述处理器连接，以便于与其它设备通讯；所述处理器用于：在多个所述热式敏感流量芯片中指定其中一个热式敏感流量芯片为基准芯片，并以基准芯片为单位数据1，对多个所述热式敏感流量芯片在逆时针方向顺序编号，并根据热式敏感流量芯片的个数计算出相邻的两个热式敏感流量芯片之间的夹角γ，0°≤γ≤90°；

以水平方向为x轴，垂直方向为y轴，建立平面坐标系，使基准芯片位于x轴的正方向上，并以x轴的正方向为基准风速方向，确定位于平面坐标系中不同象限、x轴和/或y轴代表的实际风速方向；

接收每个热式敏感流量芯片采集的风速信号，并根据所述风速信号计算出风速数值，其中，风速信号包括：气体的流量 />和热式敏感流量芯片内部的气流方向的切向的横截面积S，热式敏感流量芯片测出的风速和流量关系为：

并根据计算出的其中两个热式敏感流量芯片的风速值，计算出实际风速值V及风向角α，从而确定实际风速和风向，

计算公式如下：

，其中，n为以基准芯片开始，逆时针方向排序的基准芯片的序号;

当n=1时，，风向角 />；

当n=2时， ，其中θ为 />和 />的夹角，计算公式为 />，其中 />、 />为以基准芯片开始，逆时针方向排序的基准芯片的序号，风向角 />的计算公式为/>；

当n>2时，参照n=2的情况，将各芯片测得的风速进行两两合并，计算出合速度，并最终计算出真实风速V及风向角。通过该公式计算出的风速和风向更准确。作为一种变形，本申请中，处理器也可以直接连接所述的多个热式敏感流量芯片，固定于上盖与支架之间的内部空间。

在实际应用中，由于多种原因（比如时间久了安装风速风向传感器的支架受雨水浸渍一边略下沉），如图7所示，有时安装风速风向传感器Se的支架会倾斜，从而使运算出的风速和风向不准确，为此，申请人做了如下设计，参见图8和图9，所述立板的外侧安装有定位模块和存储器，所述定位模块和存储器与所述处理器连接，所述定位模块用于实时获取所述阵列式风速风向传感器的位置信息，所述存储器用于存储述定位模块获取的所述阵列式风速风向传感器的位置信息，所述处理器用于调取所述存储器存储的阵列式风速风向传感器的原始位置信息和定位模块获取的阵列式风速风向传感器的实时定位信息，根据定位模块获取的阵列式风速风向传感器的实时定位坐标（x1、y1）以及阵列式风速风向传感器的原始位置坐标（x0、y0）计算出阵列式风速风向传感器的在x轴方向和y轴方向的偏移量（△x、△y），并根据阵列式风速风向传感器的在x轴方向和y轴方向的偏移量（△x、△y）计算出阵列式风速风向传感器在平面坐标系中的偏移角度β，根据偏移角度对实际计算出实际风速值V及风向角α矫正，矫正后的实际风速值V及风向角α的运算公式如下：

当n=1时， ，风向角/>；

当n=2时， ，其中θ为 />和 />的夹角，计算公式为 />，其中 />、 />为以基准芯片开始，逆时针方向排序的基准芯片的序号，风向角 />的计算公式为/>；

当n>2时，参照n=2的情况，将各芯片测得的风速进行两两合并，计算出合速度，并最终计算出真实风速V及风向角；通过该公式计算出的风速和风向更贴近实际风速和风向。

通过矫正，从而运算出的风速和风向更准确，当然，为了安全起见，还可以在立板上设置与处理器连接的信号发射器，在阵列式风速风向传感器偏移量达到阈值时发出报警信号。

该风速风向传感器使用久了，内部的热式敏感流量芯片可能会有顺坏的情况，从而使检测的风速和风向不准确，为此申请人做了如下设计，参见图10，所述凹槽的底面通过轴承设置于所述固定座上，所述立板上设置有信号发射器126，所述信号发射器与所述处理器连接，所述固定座的底部设置有步进电机125，所述步进电机与所述轴承连接，所述插接孔位于所述凹槽的底面上，所述凹槽底面上的导线孔与所述固定座上的导线孔内设置有连接线，通过电刷电连接；所述步进电机的控制电路与所述处理器连接；所述处理器用于，控制步进电机以单位角度正向或反向旋转，所述单位角度的数值等于相邻的所述两个插接孔的连线的弧度角，并在电机旋转后，再次计算出实际风速值V2及风向角α2，并对V2与V、α2与α求差，当V2与V或α2与α的值差值的绝对值超出阈值时，说明内部的热式敏感流量芯片损坏，所述处理器通过信号发射器发出报警信号以提醒人们维修或更换风速风向传感器。

本发明提供的阵列式风速风向传感器，通过设置阵列式分布结构的传感器方案，实现风速风向的同时测量实现无可动部件、结构简单、成本低且尺寸小的可动态测量风速风向的传感器，同时能够应用于更多领域实现风速风向的测量。

实施例2

本发明还提供了一种上述阵列式风速风向传感器的制作方法，所述方法包括：

步骤1）先采用机械加工的方式制作不锈钢或铝合金材料的支架1，所述支架1为圆型结构，圆型结构中间加工一个圆孔2，支架1包括两个部分，一个部分为中空的圆型结构，圆型结构的侧面为侧壁，侧壁厚度为2-4mm，直径30-40mm，另一个部分为圆管结构，厚度为2-4mm，圆管的内径范围10-15mm；

步骤2）陶瓷电路板3制作步骤：由三氧化铝材料制成陶瓷电路板3，信号传导的金属布线是陶瓷板上的金属布线连接敏感芯片管壳的焊脚和外引线，金属布线先进行钝化层处理，陶瓷电路板3选用的尺寸与支架1外径相同，内侧的圆孔与支架中间的圆孔孔径相同，陶瓷电路板（3）采用激光切割工艺；

步骤3）在步骤1）制造的支架1上涂抹粘结剂，将陶瓷电路板3粘结到金属的支架3上，并静置待粘结剂完全固化；

步骤4）热式敏感流量芯片4粘结步骤：在步骤3完成的陶瓷电路板3上粘结8个热式敏感流量芯片4，每隔角度45°设置一个，并准确在粘结热式敏感流量芯片4的进气口沿圆型陶瓷电路板3方向向外，出气口对准该中心的圆孔，粘贴时应保证其方向正确和水平，后进行静置固化；

步骤5）将热式敏感流量芯片4焊接，然后与陶瓷电路板3金属焊盘进行连接；

步骤6）将陶瓷电路板3后的信号引出焊接导线，将导线10通过陶瓷电路板3和金属支架1的中间的第二通气管9引出；

步骤7）在热式敏感流量芯片4的出气管后接一个第一通气管6，第一通气管6选用软管，使其能够变形和方便引线，通过陶瓷电路板3和金属的支架1的中间的第二通气管引出；

步骤8）上盖5的制作：通过金属机械加工或模具注塑整体成型，上盖5截面为U结构，上盖5侧壁和上盖的底部厚度为1~3mm，高度为4~6mm，侧壁在相距45°角位置制作8组通气孔8，热式敏感流量芯片4的进气口与通气孔8对准，并沿圆型陶瓷电路板3方向向外；

步骤9）上盖5的粘接步骤：将陶瓷电路板3沿外边均匀涂覆粘结剂，将上盖5的侧边下边缘压在粘结剂上，在上盖5上均匀施加压力，安装中应将上盖5侧壁上的每个通气孔8与八个陶瓷电路板3的芯片对准，待粘结剂固化。

优选的技术方案，所述阵列式风速风向传感器的制作方法，所述方法中包括粘结剂：所述粘结剂为环氧胶黏剂，所述环氧胶黏剂中添加占总重量10~18%的金属粉末和/或金属颗粒，所述金属粉末为总重量的10~12%，所述金属颗粒为总重量的6~8%，所述金属颗粒的直径范围0.03~0.05mm，本实施例中，具体的所述环氧胶黏剂中添加占总重量16%的金属粉末和金属颗粒，所述金属粉末为总重量的10%，所述金属颗粒为总重量的6%，所述金属颗粒的直径范围0.05mm，金属粉末能够延迟环氧胶黏剂粘结时间，增加粘结的面积，其中金属颗粒的加入能够给同时增加上下两个部件的支撑力和增加部件之间的缝隙空间，使粘结力得到增加。本实施例中，进一步具体的技术方案中，所述环氧胶黏剂中添加占总重量12%的金属粉末和金属颗粒，所述金属粉末为总重量的10%，所述金属颗粒为总重量的2%，所述金属颗粒的直径范围0.04mm。粘结剂固化作为一种固定方式，本发明还能采用金属钎焊或平行缝焊的方式替代，以提高各层间的附着力、平整性以及抗恶劣环境的能力。

上面结合附图对本发明优选的具体实施方式和实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式和实施例，在本领域技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明构思的前提下做出各种变化。

Claims (8)

1.阵列式风速风向传感器，其特征在于，包括扣合在一起的上盖（5）和支架（1）；

所述支架（1）上设有陶瓷电路板（3），所述支架（1）的中心位置设有第二通气管（9），所述陶瓷电路板（3）上设有多个热式敏感流量芯片（4），多个热式敏感流量芯片成阵列结构，多个所述热式敏感流量芯片（4）设置的位置与上盖（5）上的多个通气孔（8）一一相对设置，所述热式敏感流量芯片（4）的第一通气管（6）从第二通气管（9）穿出，所述第二通气管（9）内设置的导线（10）与热式敏感流量芯片（4）连接；

所述热式敏感流量芯片至少为4个；

所述第一通气管（6）上设置有第一通气孔（61）和第一导线穿孔（62）；

还包括，固定座（11），所述固定座上设置有：与所述第二通气管形状和大小相匹配的凹槽（111）以及固定孔（113），所述凹槽内设置有与所述第一通气管形状大小相匹配的插接孔（112），所述固定孔位于所述插接孔的外侧；

所述插接孔的内壁上设置有：与第一通气孔（61）相匹配的导向孔（611），以及，与第一导线穿孔（62）配合的导线孔（621），所述导向孔和导线孔的出口位于所述固定座（11）的侧面；

所述固定座（11）的一侧垂直设置有立板（12），所述立板与所述固定座为一体的，所述立板的外侧安装有处理器（121），以及与处理器连接的导电层（122），所述导线孔的出口设置有固定焊盘（123），所述固定焊盘与所述导电层连接；所述立板的外侧还设置有通讯接口（124），所述通讯接口与所述处理器连接；

所述处理器用于：在多个所述热式敏感流量芯片中指定其中一个热式敏感流量芯片为基准芯片，并以基准芯片为单位数据1，对多个所述热式敏感流量芯片在逆时针方向顺序编号，并根据热式敏感流量芯片的个数计算出相邻的两个热式敏感流量芯片之间的夹角γ，0°≤γ≤90°；

以水平方向为x轴，垂直方向为y轴，建立平面坐标系，使基准芯片位于x轴的正方向上，并以x轴的正方向为基准风速方向，确定位于平面坐标系中不同象限、x轴和/或y轴代表的实际风速方向；

接收每个热式敏感流量芯片采集的风速信号，并根据所述风速信号计算出风速数值，其中，风速信号包括：气体的流量 />和热式敏感流量芯片内部的气流方向的切向的横截面积S，热式敏感流量芯片测出的风速和流量关系为：

并根据计算出的其中两个热式敏感流量芯片的风速值，计算出实际风速值V及风向角α，从而确定实际风速和风向，

计算公式如下：

，其中，n为以基准芯片开始，逆时针方向排序的基准芯片的序号;

当n=1时，，风向角 />；

当n=2时， ，其中θ为 />和 />的夹角，计算公式为 />，其中 />、 />为以基准芯片开始，逆时针方向排序的基准芯片的序号，风向角 />的计算公式为/>；

当n>2时，参照n=2的情况，将各芯片测得的风速进行两两合并，计算出合速度，并最终计算出真实风速V及风向角；

所述凹槽的底面通过轴承设置于所述固定座上，所述立板上设置有信号发射器（126），所述信号发射器与所述处理器连接，所述固定座的底部设置有步进电机（125），所述步进电机与所述轴承连接，所述插接孔位于所述凹槽的底面上，所述凹槽底面上的导线孔与所述固定座上的导线孔内设置有连接线，通过电刷电连接；所述步进电机的控制电路与所述处理器连接；

所述处理器用于，控制步进电机以单位角度正向或反向旋转，所述单位角度的数值等于相邻的所述两个插接孔的连线的弧度角，并在电机旋转后，再次计算出实际风速值V2及风向角α2，并对V2与V、α2与α求差，当V2与V或α2与α的值差值的绝对值超出阈值时，所述处理器通过信号发射器发出报警信号。

2.根据权利要求1所述阵列式风速风向传感器，其特征在于，所述热式敏感流量芯片（4）为MEMS热式敏感流量芯片。

3.根据权利要求1所述阵列式风速风向传感器，其特征在于，所述通气孔（8）设置在上盖（5）的侧壁上，所述通气孔（8）为若干个且均分分布，横截面为网状结构。

4.根据权利要求1或2所述阵列式风速风向传感器，其特征在于，所述支架（1）和陶瓷电路板（3）为圆型结构，所述热式敏感流量芯片（4）以圆型结构的圆心为基点按照相等角度均匀设置。

5.根据权利要求1所述阵列式风速风向传感器，其特征在于，所述热式敏感流量芯片（4）设置的数量为4个、8个、12个或16个，相应的，相邻的热式敏感流量芯片间隔角度为90°、45°、30°、22.5°。

6.根据权利要求1所述阵列式风速风向传感器，其特征在于，所述热式敏感流量芯片包括封装体（7），所述封装体上设置有进气口（71）和第一通气管（6），所述进气口（71）和第一通气管（6）与所述封装体内部的腔室连通；

所述封装体内部的腔室内设置有敏感元件（72）、电阻（73）和加热元件（74），所述敏感元件（72）和电阻（73）电连接形成串联电路，所述串联电路的两端设置有电源引脚（75），所述电源引脚（75）延伸出所述封装体外，所述敏感元件（72）和电阻（73）之间设置有输出引脚（76），所述输出引脚（76）延伸出所述封装体外，所述加热元件的两端设置有加热引脚（77），所述加热引脚（77）延伸出所述封装体外。

7.根据权利要求1所述阵列式风速风向传感器，其特征在于，所述立板的外侧安装有定位模块和存储器，所述定位模块和存储器与所述处理器连接，

所述定位模块用于实时获取所述阵列式风速风向传感器的位置信息，所述存储器用于存储述定位模块获取的所述阵列式风速风向传感器的位置信息，所述处理器用于调取所述存储器存储的阵列式风速风向传感器的原始位置信息和定位模块获取的阵列式风速风向传感器的实时定位信息，根据定位模块获取的阵列式风速风向传感器的实时定位坐标（x1、y1）以及阵列式风速风向传感器的原始位置坐标（x0、y0）计算出阵列式风速风向传感器的在x轴方向和y轴方向的偏移量（△x、△y），并根据阵列式风速风向传感器的在x轴方向和y轴方向的偏移量（△x、△y）计算出阵列式风速风向传感器在平面坐标系中的偏移角度β，根据偏移角度对实际计算出实际风速值V及风向角α矫正，矫正后的实际风速值V及风向角α的运算公式如下：

当n=1时， ，风向角 -β/>；

当n=2时， ，其中θ为 />和 />的夹角，计算公式为 />，其中 />、 />为以基准芯片开始，逆时针方向排序的基准芯片的序号，风向角 />的计算公式为/>；

当n>2时，参照n=2的情况，将各芯片测得的风速进行两两合并，计算出合速度，并最终计算出真实风速V及风向角。

8.根据权利要求1至6任一所述阵列式风速风向传感器的制作方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1）先采用机械加工的方式制作不锈钢或铝合金材料的支架（1），所述支架（1）为圆型结构，圆型结构中间加工一个圆孔（2），支架（1）包括两个部分，一个部分为中空的圆型结构，圆型结构的侧面为侧壁，侧壁厚度为2-4mm，直径30-40mm，另一个部分为圆管结构，厚度为2-4mm，圆管的内径范围10-15mm；

步骤2）陶瓷电路板（3）制作步骤：由三氧化铝材料制成陶瓷电路板（3），信号传导的金属布线是陶瓷板上的金属布线连接敏感芯片管壳的焊脚和外引线，金属布线先进行钝化层处理，陶瓷电路板（3）选用的尺寸与支架（1）外径相同，内侧的圆孔与支架中间的圆孔孔径相同，陶瓷电路板（3）采用激光切割工艺；

步骤3）在步骤1）制造的支架（1）上涂抹粘结剂，将陶瓷电路板（3）粘结到金属的支架（3）上，并静置待粘结剂完全固化；

步骤4）热式敏感流量芯片（4）粘结步骤：在步骤3完成的陶瓷电路板（3）上粘结8个热式敏感流量芯片（4），每隔角度45°设置一个，并准确在粘结热式敏感流量芯片（4）的进气口沿圆型陶瓷电路板（3）方向向外，出气口对准该中心的圆孔，粘贴时应保证其方向正确和水平，后进行静置固化；

步骤5）将热式敏感流量芯片（4）焊接，然后与陶瓷电路板（3）金属焊盘进行连接；

步骤6）将陶瓷电路板（3）后的信号引出焊接导线，将导线（10）通过陶瓷电路板（3）和金属支架（1）的中间的第二通气管（9）引出；

步骤7）在热式敏感流量芯片(4）的出气管后接一个第一通气管（6），第一通气管（6）选用软管，使其能够变形和方便引线，通过陶瓷电路板（3）和金属的支架（1）的中间的第二通气管引出；

步骤8）上盖（5）的制作：通过金属机械加工或模具注塑整体成型，上盖（5）截面为U结构，上盖（5）侧壁和上盖的底部厚度为1~3mm，高度为4~6mm，侧壁在相距45°角位置制作8组通气孔（8），热式敏感流量芯片4的进气口与通气孔（8）对准，并沿圆型陶瓷电路板（3）方向向外；

步骤9）上盖（5）的粘接步骤：将陶瓷电路板（3）沿外边均匀涂覆粘结剂，将上盖（5）的侧边下边缘压在粘结剂上，在上盖（5）上均匀施加压力，安装中应将上盖（5）侧壁上的每个通气孔（8）与八个陶瓷电路板（3）的芯片对准，待粘结剂固化。