CN113091940A - 一种加热测温一体化的风速风向传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明的一种加热测温一体化的风速风向传感器，首先在芯片表面利用微机械加工技术制备四个或八个中心对称的热敏电阻，所述热敏电阻既作为加热元件来保持芯片平均温度高于环境温度恒定值，又作为测温元件感知芯片表面由流体导致的微小温差。所述热敏电阻组成惠斯通电桥，并由一个恒温差闭环控制回路供电，该电路能提供随风速增大而增大的电压。相比开环惠斯通电桥，本发明的闭环惠斯通电桥在高风速下具有更大的输出，即更高的灵敏度，进而拓展传感器的测量范围。

Description

一种加热测温一体化的风速风向传感器
技术领域
本发明涉及风速风向传感器技术领域，尤其是一种加热测温一体化的风速风向传感器。
背景技术
风作为一种普遍存在的自然现象，对人类生产生活有着十分重要的影响。准确的风速风向测量为农业生产、港口运输、风能发电、智能楼宇等领域提供信息参考，为环境监测、气象灾害提前预警。与早期利用风杯和风标测量风速风向相比，基于微机械加工的热式风速风向传感器具有体积小、成本低、一致性好等优点。该类传感器包括至少一个中心加热元件和四个对称分布的测温元件，加热元件以焦耳热的形式在芯片表面产生热场，测温元件监测由流体导致的芯片表面温度差。测控电路则由加热控制回路和开环惠斯通电桥组成，加热控制回路通过调整加热元件上的加热功率保证芯片与环境温度的差值在不同风速下都保持恒定，开环惠斯通电桥则是通过测温元件将温差信号输出为电信号。然而，温差信号随着风速增大而逐渐饱和(即灵敏度逐渐下降并趋于零)的固有特征限制了热式风速风向传感器的量程。如何提升高风速下传感器的灵敏度成为亟待解决的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了拓展热式二维风速风向传感器的量程，本发明提供一种加热测温一体化的风速风向传感器，所述风速风向传感器采用闭环惠斯通电桥。惠斯通电桥由一个恒温差闭环控制回路供电，该测控回路能提供随风速增大而增大的电压。而表征风速风向信息的桥间输出电压与供电电压成正比。因此，在具有相同温差信号的条件下，相比开环惠斯通电桥本发明提出的闭环惠斯通电桥在高风速下具有更大的输出电压，即更高的灵敏度。
本发明的一种加热测温一体化的风速风向传感器包括惠斯通电桥、以及给惠斯通电桥供电的恒温差闭环控制回路，所述惠斯通电桥包括互相并联的第一惠斯通电桥和第二惠斯通电桥；第一惠斯通电桥和第二惠斯通电桥有共同的电压输入端Va和Vb，恒温差闭环控制回路连接惠斯通电桥的电压输入端Va和Vb。
进一步的，所述惠斯通电桥包括位于芯片衬底上的四个热敏电阻、以及四个相同的外电阻R；所述四个热敏电阻关于中心对称，分别位于芯片衬底的四个方向上，所述四个热敏电阻分别为四电阻芯片N向热敏电阻、四电阻芯片E向热敏电阻、四电阻芯片S向热敏电阻和四电阻芯片W向热敏电阻；利用微机械加工技术将四个热敏电阻制备在芯片衬底表面的东南西北四个方向上；南北方向上的热敏电阻与两个片外电阻组成第一惠斯通电桥，东西方向上的热敏电阻与另外两个片外电阻组成第二惠斯通电桥。
进一步的，所述惠斯通电桥还可以是包括位于芯片衬底上的8个热敏电阻，分别为八电阻芯片外侧N向热敏电阻、八电阻芯片外侧E向热敏电阻，八电阻芯片外侧S向热敏电阻，八电阻芯片外侧W向热敏电阻，八电阻芯片内侧N向热敏电阻，八电阻芯片内侧E向热敏电阻，八电阻芯片内侧S向热敏电阻和八电阻芯片内侧W向热敏电阻，八个热敏电阻关于中心对称；利用微机械加工技术将八个热敏电阻制备在芯片衬底表面的东南西北四个方向上，每个方向上有两个热敏电阻；南北方向上的热敏电阻组成第一惠斯通电桥，东西方向上的热敏电阻组成第二惠斯通电桥。
第一惠斯通电桥和第二惠斯通电桥均由恒温差闭环控制回路供电，恒温差闭环控制回路能提供随风速增大而增大的电压。以正温度敏感系数的热敏电阻为例，本发明的传感器上电后，当惠斯通电桥的整体电阻低于目标设定值时，回路增大供电电流，热敏电阻产生的焦耳热增大，温度升高，热敏电阻阻值增大，直至惠斯通电桥达到目标设定值，即芯片的目标设定温度。反之亦然。当传感器所处环境风速增大时，根据对流换热原理，空气会带走更多的热量，导致芯片温度降低，惠斯通电桥整体电阻阻值低于目标设定值，回路供电电流增大，直至芯片达到目标设定温度。反之亦然。综上，利用恒温差控制回路，惠斯通电桥的供电电流随风速的增大而增大，同时惠斯通电桥的整体阻值不变，即电桥供电电压随风速的增大而增大。因为桥间电压与供电电压成正比，相比开环惠斯通电桥，本发明的闭环惠斯通电桥在高风速下具有更大的输出，即更高的灵敏度。
有益效果：1)热敏电阻既作为加热元件，又作为测温元件，中心加热元件被去除，意味着更少的芯片占用面积和更少的外部引线；2)用恒温差控制回路为惠斯通电桥供电，提升了传感器在高风速下的灵敏度，能有效拓展传感器的量程。
附图说明
图1为四个热敏电阻时的芯片结构示意图；
图2为八个热敏电阻时的芯片结构示意图；
图3为四个热敏电阻情况下，惠斯通电桥的第一种组态示意图；
图4为四个热敏电阻情况下，惠斯通电桥的第二种组态示意图；
图5为八个热敏电阻情况下，惠斯通电桥的组态示意图；
图6为恒温差控制的闭环惠斯通电桥电路示意图。
100.芯片衬底，111.四电阻芯片N向热敏电阻，112.四电阻芯片E向热敏电阻，113.四电阻芯片S向热敏电阻，114.四电阻芯片W向热敏电阻，211.八电阻芯片外侧N向热敏电阻，212.八电阻芯片外侧E向热敏电阻，213.八电阻芯片外侧S向热敏电阻，214.八电阻芯片外侧W向热敏电阻，221.八电阻芯片内侧N向热敏电阻，222.八电阻芯片内侧E向热敏电阻，223.八电阻芯片内侧S向热敏电阻，224.八电阻芯片内侧W向热敏电阻。
具体实施方式
本发明的一种加热测温一体化的风速风向传感器包括惠斯通电桥、以及给惠斯通电桥供电的恒温差闭环控制回路。所述惠斯通电桥包括互相并联的第一惠斯通电桥和第二惠斯通电桥。第一惠斯通电桥和第二惠斯通电桥有共同的电压输入端Va和Vb，恒温差闭环控制回路的输出端分别连接惠斯通电桥的电压输入端Va和Vb。恒温差闭环控制回路为惠斯通电桥提供电压，且随风速增大而增大，从而提高传感器在高风速下的灵敏度。
所述惠斯通电桥包括位于芯片衬底100上的四个热敏电阻、以及四个相同的外电阻R；如图1所示，图1为四个热敏电阻时的芯片结构示意图，在芯片表面利用微机械加工技术制备四个热敏电阻，四个热敏电阻关于中心对称，所述四个热敏电阻是四电阻芯片N向热敏电阻111、四电阻芯片E向热敏电阻112、四电阻芯片S向热敏电阻113和四电阻芯片W向热敏电阻114；
如图3和图4所示，四电阻芯片N向热敏电阻111、四电阻芯片S向热敏电阻113、以及两个阻值相同的外片电阻R依次连接组成第一惠斯通电桥，四电阻芯片E向热敏电阻112、四电阻芯片W向热敏电阻114、以及另外两个阻值相同的外片电阻R依次连接组成第二惠斯通电桥，第一惠斯通电桥和第二惠斯通电桥并联，第一惠斯通电桥和第二惠斯通电桥中的两个热敏电阻均位于电桥的非对角位置。相互垂直的两个方向上的桥间电压通过矢量合成用以表征风速风向信息。且该结构存在四个片外电阻，意味着惠斯通电桥中只有一半的功率用来加热芯片，效率较低。
第一惠斯通电桥与第二惠斯通电桥共同的电压输入端Va和Vb分别是：
第一惠斯通电桥中，四电阻芯片N向热敏电阻111、四电阻芯片S向热敏电阻113、以及两个阻值相同的外片电阻R依次连接，四电阻芯片N向热敏电阻111与四电阻芯片S向热敏电阻113的共同端、以及两个外片电阻R的共同端，分别为第一惠斯通电桥的电压输入端Va和Vb。
第二惠斯通电桥中，四电阻芯片E向热敏电阻112、四电阻芯片W向热敏电阻114、以及另外两个阻值相同的外片电阻R依次连接，四电阻芯片E向热敏电阻112与四电阻芯片W向热敏电阻114的共同端、以及两个外片电阻R的共同端，分别为第二惠斯通电桥的电压输入端Va和Vb；第一惠斯通电桥与第二惠斯通电桥并联，第一惠斯通电桥的电压输入端与第二惠斯通电桥的电压输入端连接。
第一惠斯通电桥与第二惠斯通电桥共同的电压输入端Va和Vb还可以是：
第一惠斯通电桥中，外片电阻R与四电阻芯片N向热敏电阻111的共同端、四电阻芯片S向热敏电阻113与第一惠斯通电桥中另一个外片电阻R的共同端，分别为第一惠斯通电桥的电压输入端Va和Vb；第二惠斯通电桥中外片电阻R与四电阻芯片E向热敏电阻112的共同端、四电阻芯片W向热敏电阻114与第二惠斯通电桥中另一个外片电阻R的共同端，分别为第二惠斯通电桥的电压输入端Va和Vb；
恒温差闭环控制回路用于保证芯片平均温度高于环境温度某一恒定值。恒温差闭环控制回路包括环境温度传感器Ramb、滑动变阻器R1、标准电阻R0、标准电阻R2、运算放大器A1和三极管Q1，标准电阻R0与环境温度传感器Ramb串联，标准电阻R0的另一端连接三极管Q1的集电极、以及VCC，标准电阻R0连接在三极管Q1的集电极与发射级之间，三极管Q1的发射极连接惠斯通电桥的电压输入端Va，环境温度传感器Ramb的另一端连接滑动变阻器R1、以及运算放大器A1的反向输入端，滑动变阻器R1的另一端接地，运算放大器A1的输出端接三极管Q1的基极，标准电阻R2的一端接地，另一端连接惠斯通电桥的电压输入端Vb、以及运算放大器A1的正向输入端。
通过调整滑动变阻器R1的阻值，可以设定芯片温度与环境温度的差值。本发明的传感器上电时，芯片温度等于环境温度，惠斯通电桥的整体阻值偏低，因此运算放大器A1的正向输入端Vb电压较高，三极管Q1的基极电压较高，恒温差闭环控制回路供电电流较大，流过热敏电阻的电流产生焦耳热，芯片温度升高，热敏电阻阻值增大，直至惠斯通电桥达到目标设定值，即芯片的目标设定温度，控制回路达到平衡。反之亦然。当传感器所处环境风速增大时，根据对流换热原理，空气会带走更多的热量，导致芯片温度降低，惠斯通电桥整体电阻阻值低于目标设定值，回路供电电流增大，直至芯片达到目标设定温度，控制回路达到平衡。反之亦然。综上，利用恒温差控制回路，惠斯通电桥的供电电流随风速的增大而增大，同时惠斯通电桥的整体阻值不变，即惠斯通电桥供电电压随风速的增大而增大。而根据惠斯通电桥的计算公式，桥间电压VNS、VEW与供电电压Vab成正比。因此，相比开环惠斯通电桥，本发明的闭环惠斯通电桥在高风速下具有更大的输出，即更高的灵敏度。
如图2所示，所述惠斯通电桥还可以是包括位于芯片衬底100上的8个热敏电阻，分别为八电阻芯片外侧N向热敏电阻211、八电阻芯片外侧E向热敏电阻212，八电阻芯片外侧S向热敏电阻213，八电阻芯片外侧W向热敏电阻214，八电阻芯片内侧N向热敏电阻221，八电阻芯片内侧E向热敏电阻222，八电阻芯片内侧S向热敏电阻223和八电阻芯片内侧W向热敏电阻224。图2为八个热敏电阻时的芯片结构示意图，在芯片表面利用微机械加工技术制备八个热敏电阻，八个热敏电阻关于中心对称，
八电阻芯片内侧N向热敏电阻221、八电阻芯片外侧S向热敏电阻213、八电阻芯片外侧N向热敏电阻211和八电阻芯片内侧S向热敏电阻223依次连接构成第一惠斯通电桥；八电阻芯片内侧N向热敏电阻221与八电阻芯片外侧S向热敏电阻213的共同端、以及八电阻芯片外侧N向热敏电阻211与八电阻芯片内侧S向热敏电阻223的共同端分别为第一惠斯通电桥的电压输入端Va和Vb；第一惠斯通电桥中，八电阻芯片外侧N向热敏电阻211与八电阻芯片内侧N向热敏电阻221互为对角位置，八电阻芯片外侧S向热敏电阻213与八电阻芯片内侧S向热敏电阻223互为对角位置。
八电阻芯片内侧E向热敏电阻222、八电阻芯片外侧W向热敏电阻214、八电阻芯片外侧E向热敏电阻212和八电阻芯片内侧W向热敏电阻224依次连接构成第二惠斯通电桥；八电阻芯片内侧E向热敏电阻222与八电阻芯片外侧W向热敏电阻214的共同端、以及八电阻芯片外侧E向热敏电阻212与八电阻芯片内侧W向热敏电阻224的共同端分别为第二惠斯通电桥的电压输入端Va和Vb。第二惠斯通电桥中，八电阻芯片外侧E向热敏电阻212与八电阻芯片内侧E向热敏电阻222互为对角位置，八电阻芯片外侧W向热敏电阻214和八电阻芯片内侧W向热敏电阻224互为对角位置。
该结构所有电阻均为片上的热敏电阻，惠斯通电桥中的所有功率都用来加热芯片，能量利用率大幅提高。
以上是本发明风速风向传感器的基本结构以及测控电路。

Claims (6)

1.一种加热测温一体化的风速风向传感器，其特征在于，包括惠斯通电桥、以及给惠斯通电桥供电的恒温差闭环控制回路，所述惠斯通电桥包括互相并联的第一惠斯通电桥和第二惠斯通电桥；第一惠斯通电桥和第二惠斯通电桥有共同的电压输入端Va和Vb，恒温差闭环控制回路连接惠斯通电桥的电压输入端Va和Vb。
2.根据权利要求1所述一种加热测温一体化的风速风向传感器，其特征在于，所述惠斯通电桥包括位于芯片衬底(100)上的四个热敏电阻、以及四个相同的外电阻R；所述四个热敏电阻关于中心对称，分别位于芯片衬底(100)的四个方向上，所述四个热敏电阻分别为四电阻芯片N向热敏电阻(111)、四电阻芯片E向热敏电阻(112)、四电阻芯片S向热敏电阻(113)和四电阻芯片W向热敏电阻(114)；
四电阻芯片N向热敏电阻(111)、四电阻芯片S向热敏电阻(113)、以及两个阻值相同的外片电阻R依次连接组成第一惠斯通电桥，四电阻芯片E向热敏电阻(112)、四电阻芯片W向热敏电阻(114)、以及另外两个阻值相同的外片电阻R依次连接组成第二惠斯通电桥，第一惠斯通电桥和第二惠斯通电桥中的两个热敏电阻均位于电桥的非对角位置。
3.根据权利要求2所述一种加热测温一体化的风速风向传感器，其特征在于，第一惠斯通电桥与第二惠斯通电桥共同的电压输入端Va和Vb分别是：
第一惠斯通电桥中，四电阻芯片N向热敏电阻(111)与四电阻芯片S向热敏电阻(113)的共同端、以及两个外片电阻R的共同端，分别为第一惠斯通电桥的电压输入端Va和Vb。
第二惠斯通电桥中，四电阻芯片E向热敏电阻(112)与四电阻芯片W向热敏电阻(114)的共同端、以及两个外片电阻R的共同端，分别为第二惠斯通电桥的电压输入端Va和Vb。
4.根据权利要求2所述一种加热测温一体化的风速风向传感器，其特征在于，第一惠斯通电桥与第二惠斯通电桥共同的电压输入端Va和Vb还可以是：
第一惠斯通电桥中，外片电阻R与四电阻芯片N向热敏电阻(111)的共同端、四电阻芯片S向热敏电阻(113)与第一惠斯通电桥中另一个外片电阻R的共同端，分别为第一惠斯通电桥的电压输入端Va和Vb；
第二惠斯通电桥中外片电阻R与四电阻芯片E向热敏电阻(112)的共同端、四电阻芯片W向热敏电阻114与第二惠斯通电桥中另一个外片电阻R的共同端，分别为第二惠斯通电桥的电压输入端Va和Vb。
5.根据权利要求1所述一种加热测温一体化的风速风向传感器，其特征在于，所述惠斯通电桥还可以是包括位于芯片衬底(100)上的八个热敏电阻，八个热敏电阻分别位于芯片衬底(100)表面的四个方向上，每个方向上有两个热敏电阻，八个热敏电阻关于中心对称，分别为八电阻芯片外侧N向热敏电阻(211)、八电阻芯片外侧E向热敏电阻(212)，八电阻芯片外侧S向热敏电阻(213)，八电阻芯片外侧W向热敏电阻(214)，八电阻芯片内侧N向热敏电阻(221)，八电阻芯片内侧E向热敏电阻(222)，八电阻芯片内侧S向热敏电阻(223)和八电阻芯片内侧W向热敏电阻(224)；
八电阻芯片内侧N向热敏电阻(221)、八电阻芯片外侧S向热敏电阻(213)、八电阻芯片外侧N向热敏电阻(211)和八电阻芯片内侧S向热敏电阻(223)依次连接构成第一惠斯通电桥；八电阻芯片内侧N向热敏电阻(221)与八电阻芯片外侧S向热敏电阻(213)的共同端、以及八电阻芯片外侧N向热敏电阻(211)与八电阻芯片内侧S向热敏电阻(223)的共同端分别为第一惠斯通电桥的电压输入端Va和Vb；
八电阻芯片内侧E向热敏电阻(222)、八电阻芯片外侧W向热敏电阻(214)、八电阻芯片外侧E向热敏电阻(212)和八电阻芯片内侧W向热敏电阻(224依次连接构成第二惠斯通电桥；八电阻芯片内侧E向热敏电阻(222)与八电阻芯片外侧W向热敏电阻(214)的共同端、以及八电阻芯片外侧E向热敏电阻(212)与八电阻芯片内侧W向热敏电阻(224)的共同端分别为第二惠斯通电桥的电压输入端Va和Vb。
6.根据权利要求1-5任一项所述一种加热测温一体化的风速风向传感器，其特征在于，恒温差闭环控制回路包括环境温度传感器Ramb、滑动变阻器R1、标准电阻R0、标准电阻R2、运算放大器A1和三极管Q1，标准电阻R0与环境温度传感器Ramb串联，标准电阻R0的另一端连接三极管Q1的集电极、以及VCC，标准电阻R0连接在三极管Q1的集电极与发射级之间，三极管Q1的发射极连接惠斯通电桥的电压输入端Va，环境温度传感器Ramb的另一端连接滑动变阻器R1、以及运算放大器A1的反向输入端，滑动变阻器R1的另一端接地，运算放大器A1的输出端接三极管Q1的基极，标准电阻R2的一端接地，另一端连接惠斯通电桥的电压输入端Vb、以及运算放大器A1的正向输入端。
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