CN207832821U - 一种阵列式风速风向传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及传感器技术领域，具体涉及阵列式风速风向传感器。本实用新型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。本实用新型提供的阵列式风速风向传感器，对风速在不同方向采集，为风速风向同时测量提供数据支持。

Description

一种阵列式风速风向传感器

技术领域

本实用新型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。

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，但是难以为风速风向同时测量提供数据支持。

实用新型内容

本实用新型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，对风速在不同方向进行采集。

为解决上述问题，本实用新型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。

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。

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。

本实用新型与现有技术相比，具有如下有益效果：

1、本实用新型采用了阵列式分布结构的热式敏感流量芯片，对风速在不同方向进行采集，为风速风向同时测量提供数据支持；

2、采用了MEMS热式敏感流量芯片，结构简单，尺寸小，成本低；

3、本实用新型可靠性高，安装和使用方便。

附图说明

图1是本实用新型所述阵列式风速风向传感器的结构示意图；

图2是本实用新型所述阵列式风速风向传感器的内部结构示意图；

图3是本实用新型所述的一种热式敏感流量芯片的结构示意图；

图4是本实用新型应用中风速风向监测装置的微处理器运算中的一种平面坐标图；

图5是本实用新型的一种第一通气管的结构示意图；

图6是本实用新型的一种固定座的结构示意图之一；

图7是本实用新型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是本实用新型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

下文参照附图对本实用新型的具体实施例进行详细说明。

实施例1,如图1和图2所示，本实用新型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，从而输出的风速值不同。

以下为一种风速风向传感器的应用与风速风向检测装置上的举例：

将风速风向传感器与风速风向检测装置的微处理器连接，微处理器用于对风速风向传感器采集的数据进行处理，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：V_i＝Q/(3600*S)

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：

V₁＝V*cosα

V₂＝V*cos(90°-α)

V₁、V₂、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：V_i是第i个流量测试单元测得的风速，单位m/s；Q_i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，V₁是第一只敏感芯片测出的气体流速值，单位m/s；V₂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：

V₁＝V*cosα

V₂＝V*cos(45°-α)

V₃＝V*cos(90°-α)

V₁、V₂、V₃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：V_i是第i个流量测试单元测得的风速，单位m/s；Q_i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，V₁是第一只敏感芯片测出的气体流速值，单位m/s；V₂是第二只敏感芯片测出的气体流速值，单位m/s；V₃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。需要说明的是，上述距离只是对本实用新型的风速风向传感器的进行举例说明，并不对本实用新型的保护进行限制，本实用新型主要保护的是本方案的结构，与风速风向检测装置及其微处理器无关。

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，该处理器可用于对风速风向传感器采集的数据进行常规的信号放大处理，当然也可以用现有的信号放大电路、信号放大器等代替；当然为了便于方便输出，处理器还可以直接对采集的数据进行常规的运算的出风速风向值。

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，该结构，可以为风速风向的矫正提供依据，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，此时可以用控制器代替，在同一位置比较不同的热式热式敏感流量芯片采集的数值，此时，也可以用比较器代替，当比较结果超出阈值时，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。

本实用新型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。

本实用新型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，本实用新型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。

上面结合附图对本实用新型优选的具体实施方式和实施例作了详细说明，但是本实用新型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，还可以在不脱离本实用新型构思的前提下做出各种变化。

Claims (9)

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。

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或6所述阵列式风速风向传感器，其特征在于，

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。

8.根据权利要求7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。

9.根据权利要求7所述阵列式风速风向传感器，其特征在于，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。