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微型热场式风速风向传感器研发

微型热场式风速风向传感器研发

作者：沈晓东江南大学

学位级别：硕士

风速风向的测量与我们日常生活息息相关,作为气象监测的两项重要指标,对其及时准确测量非常重要。目前气象行业使用较多的测量仪器有杯式风速计、超声波风速计、热式风速计等。虽然上述测量仪器均有各自的优势,但是市场上尚缺乏微型风... 详细信息

风速风向的测量与我们日常生活息息相关,作为气象监测的两项重要指标,对其及时准确测量非常重要。目前气象行业使用较多的测量仪器有杯式风速计、超声波风速计、热式风速计等。虽然上述测量仪器均有各自的优势,但是市场上尚缺乏微型风速风向测量设备。微型化便于携带、部署、移植,同时也是体积受限的应用场合中进一步扩展测量要素和功能或提高续航的重要手段。为了实现整体结构的小型化、集成化、低成本且可同时测量风速风向,本文将基于流场与温度场的相互影响设计一款热场式风速风向传感器,并通过仿真分析与实验研究相结合的方法对传感器性能进行测试。主要研究内容如下:(1)提出了一种基于热温差原理的微型热式测风传感器模型。从热式测风传感器的传热理论出发,分析了传感器工作过程中的三种传热形式,并对热式测风传感器三大测风方式优缺点加以概括,确定了以NTC热敏电阻和加热线圈为感测核心,分布于直径为20 mm圆形薄片底板上的模型结构,传感器采用热温差检测原理。(2)通过流体动力学软件FLUENT研究了热场随流场分布规律并对风速风向判别进行了设计,同时对传感器测风性能影响因素进行了分析。仿真结果表明,热场在风场作用下的高温覆盖区域在±35°左右,八路测温NTC方案可以更有效地获取热场分布信息。基于热场风分布规律,对比高斯曲线拟合和傅里叶拟合测风速风向,发现后者在低风速下仍具备较高地拟合精度。同时,结合仿真分析和对流换热的场协同理论证明1.0 mm加热线圈螺距更有利于对流换热,3.6 mm测温电阻间距,20 mm底板直径以及1.2 mm底板厚度的模型结构可以在保证传感器强度和小型化的前提下具备良好的灵敏度。最后,针对环境温度变化带来的风速大小判定影响,给出了线性插值的误差修正方法。(3)硬件及软件作为传感器系统的核心,合理设计可以大大提升传感器性能。硬件方面选用STM32微处理器作为主控芯片,24位高精度模/数转换器ADS131M08采集热场分布信息,通过地磁计HMC5883L实现传感器自动定北功能。为降低传感器功耗,设计了一种加热功率控制电路方案,可实现恒功率加热与脉冲加热间的转化,并通过软件Multisim验证了电路的可行性。软件方面着重对风速风向测量进行了设计,针对风向测量过程中HMC5883L易受外界磁场干扰的问题,给出了椭圆假设磁场修正方案,保证罗盘精度。(4)为验证传感器性能是否符合设计要求,搭建了风速及风向测试实验平台。实验结果表明,设计的热场式风速风向传感器风速检测范围可达1～30 m/s,精度为0.01 m/s,误差在±(0.5+0.03v)m/s内;风向检测范围在0～360°,精度为0.1°,误差在±5°内。该传感器对环境温度引起的误差进行了线性插值修正,可在-10～40℃环境温度下正常工作,最大系统功耗为0.635 W。

关键词：风速风向传感器热场式微型化计算流体动力学

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MEMS风速风向传感器倾斜效应研究

传感技术学报 2024年第2期37卷 202-208页

作者：韦杰王志明田兵张伟勋卢星宇李远罗星恒易真翔秦明南方电网数字电网研究院股份有限公司新型电力系统数字技术联合实验室广东广州510663 东南大学集成电路学院江苏南京210096

主要针对智能电网、海上浮标等容易发生倾斜状态的应用场景,研究了微电子机械系统(MEMS)热式风速风向传感器的输出性能,并对带有空气动力学壳罩的传感器进行了有限元仿真和风场测试。测试结果表明,风向测量误差和仿真误差均较小,但风速... 详细信息

主要针对智能电网、海上浮标等容易发生倾斜状态的应用场景,研究了微电子机械系统(MEMS)热式风速风向传感器的输出性能,并对带有空气动力学壳罩的传感器进行了有限元仿真和风场测试。测试结果表明,风向测量误差和仿真误差均较小,但风速测量误差却远大于仿真误差。进一步分析可知,其原因是传感器在封装时其外壳容易产生倾斜。为了解决这一问题,采用3D打印技术实现一体化的封装外壳。测试结果表明,在±20°以内的倾斜状态下,优化后传感器的风速、风向测量误差分别满足±(0.3+5%v)m/s、±3°的指标要求。

关键词：微电子机械系统风速风向传感器热式倾斜效应

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铁路风速风向传感器动态响应特性实验研究

铁道科学与工程学报 2019年第2期16卷 494-500页

作者：王哲孙博鲁寨军李田盖增杰中南大学轨道交通安全教育部重点实验室湖南长沙410075 中南大学轨道交通安全关键技术国际合作联合实验室湖南长沙410075 中南大学轨道交通列车安全保障技术国家地方联合工程研究中心湖南长沙410075 中车青岛四方机车车辆股份有限公司山东青岛266111

风速风向传感器能够实时准确可靠地提供风速风向数据,是确保风区铁路运输安全的关键要素之一。兰新铁路大风具有风速变化范围大、风向变化快的特性,对传感器的动态响应特性提出更高的要求。通过风洞模拟真实环境下风速风向改变的条件,... 详细信息

风速风向传感器能够实时准确可靠地提供风速风向数据,是确保风区铁路运输安全的关键要素之一。兰新铁路大风具有风速变化范围大、风向变化快的特性,对传感器的动态响应特性提出更高的要求。通过风洞模拟真实环境下风速风向改变的条件,对超声式和热场式风速风向传感器及强风仪分别进行动态特性实验,研究结果表明:各传感器均存在风速跟随性误差,但均满足使用要求;热场式传感器的风向跟随误差较小,超声波传感器风向跟随误差相对稍大,且风向输出不稳定;风向改变角速度降低时,传感器风向输出波动明显减小。

关键词：风速风向传感器动态性能风洞实验校核参数

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矿用对射式风速风向传感器设计

工矿自动化 2024年第4期50卷 50-54页

作者：安赛赵忠辉张浪李伟彭然煤炭科学技术研究院有限公司北京100013 煤科通安(北京)智控科技有限公司北京100013 北京市煤矿安全工程技术研究中心北京100013 煤炭智能开采与岩层控制全国重点实验室北京100013

针对目前风速传感器启动风速高、设计方案复杂、无法准确测量巷道整个断面平均风速的问题,基于超声波对射式测风原理,设计了以STM32为核心的矿用对射式风速风向传感器,介绍了传感器总体结构、收发电路设计、滤波算法及软件流程。该传感... 详细信息

针对目前风速传感器启动风速高、设计方案复杂、无法准确测量巷道整个断面平均风速的问题,基于超声波对射式测风原理,设计了以STM32为核心的矿用对射式风速风向传感器,介绍了传感器总体结构、收发电路设计、滤波算法及软件流程。该传感器改变了以点带面的测风方式,通过大距离(5~12 m)超声测风技术测量巷道中线风速,以该风速代表整个巷道的平均风速,提高了巷道风速测量的准确性和实时性。依据设计方案研发了测试样机,在环形风洞中的测试结果表明,该传感器测量值与风速标准值在0.1~15 m/s内具有较好的一致性,测量误差小于0.1 m/s,能够满足智能化矿井对巷道风速测量精度的要求。

关键词：智能化通风风速风向传感器巷道断面风速超声波测风对射式测风巷道中线风速

MEMS热式风速风向传感器的稳定性及可靠性研究

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MEMS热式风速风向传感器的稳定性及可靠性研究

作者：蒋誉天东南大学

学位级别：硕士

气象监测指导着工农业生产、交通运输、国防等各行各业,与我们每个人都息息相关。风速风向是气象监测中必不可少的关键信息,风速风向传感器的开发和研究对国民经济的发展具有重要的意义。与传统的机械式风速计如风杯、风向标等相比,MEM... 详细信息

气象监测指导着工农业生产、交通运输、国防等各行各业,与我们每个人都息息相关。风速风向是气象监测中必不可少的关键信息,风速风向传感器的开发和研究对国民经济的发展具有重要的意义。与传统的机械式风速计如风杯、风向标等相比,MEMS热式风速风向传感器具有体积小、维护成本低、量程大、精度高等优点。本实验室自2000年来一直进行着MEMS热式风速计相关的研究,在设计、制造、封装、电路系统上积累了大量的成果与经验,目前致力于实现风速计的产品化。我们目前的产品采用恒温差的控制方案,在经过繁琐的调试之后能很好地抑制温漂。但芯片生产制造过程中并不能保证成品的参数完全一致,元器件不可避免地存在容差,在批量化生产中难以逐套地对产品进行调试。同时,在硬件电路、软件设计、封装方案上,还未对产品化以及批量化生产进行必要的优化。本论文的主要研究内容如下:a)在稳定性方面,根据传热学和电学原理,对未经严格硬件温漂补偿的风速传感器的零点漂移问题进行理论分析,使用PSPICE软件对加热电阻进行建模,并进行电路整体的仿真。通过短时变温测试与户外长时测试的结果来验证理论分析和仿真的结论,给出了分段线性补偿的软件补偿方案。并通过理论推导和软件仿真研究了外接贴片电阻温漂对传感器性能的影响。b)在可靠性方面,设计了有利于批量化生产的高可靠性传感器封装方案。采用硬件上的防护、滤波和软件上的看门狗定时器、CRC校验技术进行了电磁兼容性的设计,通过了相关测试的认证。针对传感器低温工作的需求进行了系统温控设计,通过环境试验验证了-50℃低温和+50℃高温下工作的可靠性。并通过实验验证了传感器的性能几乎不受空气湿度影响的结论。c)在批量化生产的优化方面,设计了便于批量化测试和标定的传感器软件架构和功能完备的基于RS-485标准的Modbus-RTU通讯协议,基于C8051F410提供的flash在线编程功能实现了通过通讯对系统进行调试和标定,避免了烧写程序的繁琐。d)对批量生产的传感器进行测试。测试了传感器的主要性能指标以及零点漂移的补偿效果。实验结果表明,在-20℃～+50℃的温度范围内,软件补偿能将热损失测风的零点温漂造成的误差由最高2.32 m/s降至0.16 m/s;惠斯通全桥电路的硬件方案对于热温差零点温漂的抑制是非常有效的,X、Y方向上的零点漂移造成的最大误差不超过0.5 m/s。

关键词： MEMS 风速风向传感器温漂特性可靠性

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智能化有害有毒气体污染源监测仪的研究

环境科学与技术 2012年第8期35卷 120-123页

作者：侯昭武曾彦钦州学院物理与电子工程系广西钦州535000

为了快速寻找有害有毒气体污染源,利用8个红外激光气体传感器,分别安装步进电机驱动旋转的圆盘圆周上在不同的方向上对污染气体进行数据采集。同时与二维热差式风速风向传感器采集到的风速风向数据,一并送入MSC1210单片机进行数据处理... 详细信息

为了快速寻找有害有毒气体污染源,利用8个红外激光气体传感器,分别安装步进电机驱动旋转的圆盘圆周上在不同的方向上对污染气体进行数据采集。同时与二维热差式风速风向传感器采集到的风速风向数据,一并送入MSC1210单片机进行数据处理和运用智能人工神经网络进行模式训练与模式识别,从而识别出污染源的位置、浓度和种类。通过GPS全球卫星定位系统和GPRS无线传输网络,把监测到的信息发送给相关部门早做处理,并报警,避免污染进一步扩散。实验表明,该智能化追索气体污染源监测仪具有良好的可靠性、安全性和实用性。

关键词：有害有毒气体气体传感器风速风向传感器单片机人工智能神经网络

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基于实时互相关原理的风速风向传感器研制

测控技术 2010年第2期29卷 8-11页

作者：陈攀张东来哈尔滨工业大学深圳研究生院广东深圳518055

介绍了国内外风速风向传感器的发展现状,列举出几种风速风向传感器应用场合。为了提高低风速的测量精度,降低现有传感器的成本,提出了基于互相关原理的风速风向传感器的原理和实现。设计了恒流源供电的风速风向传感器、信号调理电路和... 详细信息

介绍了国内外风速风向传感器的发展现状,列举出几种风速风向传感器应用场合。为了提高低风速的测量精度,降低现有传感器的成本,提出了基于互相关原理的风速风向传感器的原理和实现。设计了恒流源供电的风速风向传感器、信号调理电路和电压转换电路;通过dsPIC30F4011芯片的A/D模块实现数据的采集处理;通过CAN模块实现系统的远程监控。软件实现上,采用高效实时互相关算法,节省了存储空间,提高了计算效率。实验结果表明,基于互相关原理的风速风向传感器可以实时准确地测得风速风向,对小于10 m/s风速的测量有较高的测量精度。

关键词：风速风向传感器实时互相关信号处理远程监控

基于MEMS的固态风速风向传感器及其最优结构参数

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传感技术学报 2011年第3期24卷 342-345页

作者：杨帆赵湛杜利东中国科学院电子学研究所传感技术国家重点实验室北京100190 中国科学院研究生院北京100190

基于圆柱绕流的理论分析给出圆柱体周边压强分布方程,并据此提出了一种新型的基于MEMS的固态风速风向传感器结构。建立了其内部流体流动的理论模型,并利用该模型进行数值计算得到了这种传感器的最优结构参数。分析表明,利用相互正交的M... 详细信息

基于圆柱绕流的理论分析给出圆柱体周边压强分布方程,并据此提出了一种新型的基于MEMS的固态风速风向传感器结构。建立了其内部流体流动的理论模型,并利用该模型进行数值计算得到了这种传感器的最优结构参数。分析表明,利用相互正交的MEMS风速传感器测量风向是可行的,并且具有多个通风孔结构的传感器可以有更高的精度。

关键词：物理量传感器结构参数圆柱绕流风速风向传感器 MEMS

基于MEMS技术的微型固态拖动力式测风传感器(英文)

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纳米技术与精密工程 2009年第4期7卷 370-374页

作者：杜利东赵湛庞程方震刘泳宏中国科学院电子学研究所传感器国家重点实验室北京100190 中国科学院研究生院北京100190

为了获得风速风向的信息,制作了一种拖动力式微型固态测风传感器.它包括两个正交封装的单元,每个单元用来独立地测量风速,含有一个薄平板和两个用来连接平板和硅衬底的短悬梁.由于当风从不同角度吹过传感器时悬梁上的应变不同,因此通过... 详细信息

为了获得风速风向的信息,制作了一种拖动力式微型固态测风传感器.它包括两个正交封装的单元,每个单元用来独立地测量风速,含有一个薄平板和两个用来连接平板和硅衬底的短悬梁.由于当风从不同角度吹过传感器时悬梁上的应变不同,因此通过测量单个单元悬梁上的应变值可获得风速值,同时通过正交组装两个测风速单元获得风向值.该传感器在ANSYS软件中进行了模拟,用流体力学进行了分析,并在小型风洞中进行了测试.结果表明在输入电源电压为0.5V时传感器最大灵敏度高达60μV/(m·s-1),风向测量的线性度小于6%.

关键词：风速风向传感器 MEMS 拖动力 ANSYS 正交封装