[发明专利]一种加热测温一体化的风速风向传感器

说明书

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。

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。