宋巍巍, 韓 杰, 陳天毅, 周 平

( 中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 設(shè)備設(shè)計(jì)及測(cè)試技術(shù)研究所， 四川 綿陽(yáng) 621000)

基于復(fù)合熱膜技術(shù)的低風(fēng)速及湍流測(cè)量

宋巍巍*, 韓 杰, 陳天毅, 周 平

( 中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 設(shè)備設(shè)計(jì)及測(cè)試技術(shù)研究所， 四川 綿陽(yáng) 621000)

針對(duì)復(fù)合熱膜應(yīng)用于低風(fēng)速和湍流強(qiáng)度測(cè)量方法進(jìn)行了研究。風(fēng)洞在進(jìn)行低風(fēng)速測(cè)量時(shí)普遍存在輸出靈敏度不高的問(wèn)題，采用增加熱膜與環(huán)境溫度差的方法，提高了熱膜敏感探頭在低速范圍的輸出靈敏度，實(shí)現(xiàn)了2m/s內(nèi)的風(fēng)速和湍流準(zhǔn)確測(cè)量?？紤]到氣體溫度對(duì)熱膜探頭輸出信號(hào)的影響，對(duì)溫度補(bǔ)償方法和補(bǔ)償電路進(jìn)行了研究，通過(guò)對(duì)電路的合理設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了溫差的精確控制。對(duì)熱膜結(jié)構(gòu)、尺寸和器件進(jìn)行合理匹配，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合熱膜敏感探頭的微型化設(shè)計(jì)。采用MEMS技術(shù)，通過(guò)最大限度減小加熱電阻和測(cè)量電阻的尺寸，達(dá)到了較好的響應(yīng)頻率。測(cè)試結(jié)果表明，該復(fù)合熱膜敏感探頭可以滿足低風(fēng)速和湍流度的測(cè)試需求。

熱膜；敏感探頭；溫度補(bǔ)償；湍流強(qiáng)度；動(dòng)態(tài)特性

0 引 言

低風(fēng)速是農(nóng)業(yè)、氣象、環(huán)境保護(hù)、人工小環(huán)境等科學(xué)研究中的重要研究對(duì)象[1-5]。熱線測(cè)量技術(shù)自20世紀(jì)60年代以來(lái)，一直是流體測(cè)速領(lǐng)域的主要技術(shù)之一[6]。但熱線敏感元件容易斷裂、破損和污染，維護(hù)成本高，限制了熱線風(fēng)速儀的使用環(huán)境。針對(duì)以上的熱線特性，Ling等人引入了熱膜作為研究湍流度的工具，熱膜具有不易氧化和損壞，熱電特性穩(wěn)定的特點(diǎn)[7-8]，可在工業(yè)環(huán)境中長(zhǎng)期可靠使用。

在國(guó)內(nèi)風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)試領(lǐng)域，使用熱膜進(jìn)行低風(fēng)速測(cè)試還處在起步階段，主要原因是熱膜風(fēng)速計(jì)在風(fēng)洞

低風(fēng)速測(cè)試中普遍存在靈敏度較低的問(wèn)題，影響測(cè)試精度。本研究的動(dòng)因是，在國(guó)內(nèi)某低速風(fēng)洞進(jìn)行多點(diǎn)低風(fēng)速和湍流度陣列測(cè)量時(shí)，存在熱線設(shè)備昂貴、維護(hù)困難和費(fèi)用高的問(wèn)題，無(wú)法滿足多點(diǎn)測(cè)試的需求。為了解決上述問(wèn)題，針對(duì)復(fù)合熱膜敏感探頭和測(cè)量電路進(jìn)行了研究，重點(diǎn)解決了復(fù)合熱膜敏感探頭溫度補(bǔ)償電路和靈敏度較低的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)洞低風(fēng)速的多點(diǎn)高精度測(cè)量，且該復(fù)合熱膜敏感探頭具有體積小、價(jià)格低和使用安裝方便的特點(diǎn)。

1 熱膜探頭工作原理

熱膜探頭基于對(duì)流換熱原理，將熱膜探頭置于被測(cè)氣體中，熱膜與被測(cè)氣體之間將進(jìn)行自然對(duì)流換熱和強(qiáng)制對(duì)流換熱。空氣靜止或流速很低時(shí)，空氣自然對(duì)流傳熱達(dá)到熱平衡；當(dāng)氣流流動(dòng)時(shí)，氣流與熱膜傳感器電阻的換熱過(guò)程以強(qiáng)迫對(duì)流的形式為主[9]。換熱量與很多因素有關(guān)，這些因素包括熱膜和氣體的溫差、氣體速度、氣體溫度、氣體組分、氣體壓力等[10]。在低速風(fēng)洞中，溫差、氣體溫度、氣體組分、氣體壓力等影響因素基本固定時(shí)，對(duì)流換熱量就與流速呈一定的函數(shù)關(guān)系，利用這個(gè)原理即可進(jìn)行氣體的流速測(cè)量。熱膜的熱交換量和加熱量關(guān)系如以下公式所示：

(1)

式中：B、C是與自然對(duì)流、熱傳導(dǎo)和熱輻射有關(guān)的常數(shù)；m為與雷諾數(shù)有關(guān)的系數(shù)[11]。當(dāng)被測(cè)介質(zhì)為組分含量固定的氣體時(shí)，ρ、λf、η、A和d等系數(shù)都是常數(shù)，熱膜加熱元件R0與氣流之間的溫差(Tf-Ta)由反饋放大器控制而保持恒定，則加熱元件的熱損失H是氣體流速U的單值函數(shù)，加熱元件R0的熱損失H由電能I2R0補(bǔ)充。將加熱電能I2R0作為測(cè)量輸出信號(hào)，可以得到氣體流速。

2 復(fù)合熱膜敏感探頭結(jié)構(gòu)

復(fù)合熱膜敏感探頭采用 MEMS技術(shù)，將硅基片經(jīng)氧化、濺射、光刻和腐蝕等工藝加工而成，結(jié)構(gòu)組成包括硅基片、空腔、絕緣層、光刻鉑電阻和保護(hù)層。絕緣層上采用濺射、光刻工藝生成了5個(gè)鉑電阻，電阻上面覆蓋保護(hù)層用于保護(hù)電阻，結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中R0為加熱電阻，R3用于測(cè)量加熱電阻的溫度，R4用于測(cè)量氣流溫度，R1用于測(cè)量加熱電阻R0下游氣流溫度，R2用于測(cè)量上游氣流溫度。電阻區(qū)域的面積為 2mm×2mm，薄鉑膜電阻厚度為3μm，R0、R1、R2、R3與硅基隔離，可有效減少熱慣性，具有較快的熱響應(yīng)速度。

復(fù)合熱膜敏感探頭電路如圖2所示。主要由加熱電阻、恒溫差控制電路、風(fēng)速測(cè)量電路和電源管理電路4個(gè)部分組成。

圖1 熱膜探頭結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of hot-film probe

圖2 熱膜探頭電路Fig.2 Circuit of hot-filmprobe

恒溫差控制電路由R3、R4、R5、R6、R7組成的電橋進(jìn)行自動(dòng)溫度補(bǔ)償，R3用于測(cè)量加熱電阻R0的溫度；R4用于測(cè)量氣流溫度；R5用于控制溫差值；R6、R7為固定電阻；R3、R4、R6、R7在0℃時(shí)的阻值相同。橋路輸出經(jīng)反饋控制電路放大后給加熱電阻R0加溫。該電路的特點(diǎn)是當(dāng)氣流溫度變化時(shí)，加熱電阻R0和氣流溫度的溫差不會(huì)改變，且溫差值只與可調(diào)電阻R5的阻值有關(guān)，阻值越大溫差越大。

風(fēng)速測(cè)量電路由測(cè)量電橋和信號(hào)調(diào)理電路組成。測(cè)量電橋由R1、R2、R8、R9組成，常溫時(shí)電橋各電阻阻值相同，R8用于調(diào)節(jié)橋路零點(diǎn)，R1用于測(cè)量加熱電阻R0下游氣流溫度，R2用于測(cè)量上游氣流溫度；無(wú)氣流時(shí)，R1=R2，橋路輸出為0；有正向氣流時(shí)，R1>R2，橋路輸出正信號(hào)；有反向氣流時(shí)，R1

0℃時(shí)，電路中電阻阻值如表1所示。

當(dāng)R5調(diào)整到770Ω時(shí)，溫差設(shè)計(jì)點(diǎn)為100℃。表2為在不同環(huán)境溫度下，實(shí)測(cè)的R3和R4的電阻值，從而計(jì)算出在不同環(huán)境溫度下的實(shí)際溫差值。高精度的溫差控制是保障低風(fēng)速測(cè)試精度的關(guān)鍵。測(cè)試結(jié)果表明，在不同環(huán)境溫度下，溫差控制精度優(yōu)于0.3℃，實(shí)現(xiàn)了溫差的精確控制。

表1 電阻值(0℃)Table 1 Resistance(0℃)

表2 R3和R4電阻的測(cè)量值Table 2 Measurement values of R3 and R4

3 試驗(yàn)及分析

為了對(duì)復(fù)合熱膜敏感探頭的性能有所了解，采用吹風(fēng)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行測(cè)試。該裝置的基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。由風(fēng)機(jī)產(chǎn)生一定速度的氣流，流速的大小通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)；風(fēng)機(jī)后面安裝一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速儀，該風(fēng)速儀為丹麥的StreamLine熱線風(fēng)速儀，線性和重復(fù)性誤差為±0.2%。

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.3 Diagram of test device

復(fù)合熱膜敏感探頭校準(zhǔn)過(guò)程如下：首先通過(guò)風(fēng)機(jī)產(chǎn)生一系列風(fēng)速，讀取標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速儀對(duì)應(yīng)輸出的一系列電壓值Yi；讀取復(fù)合熱膜探頭對(duì)應(yīng)輸出的一系列電壓值Xi，對(duì)Yi和Xi電壓值分3段進(jìn)行五階多項(xiàng)式曲線擬合，獲取3組復(fù)合熱膜敏感探頭的校準(zhǔn)系數(shù)a0～a5，b0～b5，c0～c5，寫入電路DSP中，曲線擬合公式如式(2)、(3)、(4)所示。

(2)

(3)

(4)

吹風(fēng)實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)量管道經(jīng)過(guò)空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)和精密加工而成，保證了流場(chǎng)特性的完全一致。經(jīng)測(cè)定，常溫常壓下，氣流速度和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系為：

(5)

式中：f為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，U為氣流速度。圖4為R5=984Ω，熱膜與氣流溫差為 128℃時(shí)的吹風(fēng)實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)，橫軸為風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，縱軸為復(fù)合熱膜敏感探頭輸出信號(hào)。由圖4可以看出，輸出信號(hào)和式(1)的相關(guān)性非常好；隨著速度的增加，湍流強(qiáng)度也隨著增加；在風(fēng)速為2m/s時(shí)，風(fēng)速儀約有2.2V的電壓輸出。

圖4 吹風(fēng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig.4 Data of test

通過(guò)調(diào)整R5 的阻值可以改變復(fù)合熱膜敏感探頭的輸出靈敏度，使得熱膜敏感探頭分別工作在5個(gè)不同的工作點(diǎn)，如表3所示。不同工作點(diǎn)的測(cè)試結(jié)果如圖5所示，可以看出，熱膜與氣流溫差越大，低流速下的靈敏度越高。當(dāng)溫差達(dá)到248℃時(shí)，在風(fēng)速為2m/s時(shí)，熱膜敏感探頭約有3.5V的電壓輸出，靈敏度達(dá)到0.01m/s。

表3 在5個(gè)工作點(diǎn)的不同參數(shù)Table 3 Different parameters at five working points

圖5 不同工作點(diǎn)的輸出曲線Fig.5 Output curves for different working points

調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)頻率1～50Hz，對(duì)應(yīng)風(fēng)速范圍0～4.8m/s,將復(fù)合熱膜敏感探頭與標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速儀在同一風(fēng)速下測(cè)量的電壓值進(jìn)行對(duì)比[12]，數(shù)據(jù)如表4所示，曲線如圖6所示。由測(cè)試數(shù)據(jù)可見(jiàn)，在每一個(gè)風(fēng)速點(diǎn)，復(fù)合熱膜敏感探頭輸出的電壓值精度都可達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速儀電壓輸出值的±0.5%以內(nèi)。實(shí)際風(fēng)速測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表5，由測(cè)試數(shù)據(jù)可見(jiàn)，在風(fēng)速低于2m/s時(shí)，復(fù)合熱膜敏感探頭與標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速儀風(fēng)速測(cè)試值差值在±0.01m/s以內(nèi)。在風(fēng)速高于2m/s時(shí)，由于復(fù)合熱膜敏感探頭靈敏度有所降低，兩者風(fēng)速測(cè)試差值在±0.03m/s以內(nèi)。由此可見(jiàn)，復(fù)合熱膜敏感探頭更適合于進(jìn)行低風(fēng)速測(cè)量。

表4 輸出電壓對(duì)比Table 4 Comparision of the output voltages

圖6 輸出電壓比較曲線Fig.6 Comparision of the voltages curve

通過(guò)快速開(kāi)關(guān)吹風(fēng)實(shí)驗(yàn)裝置的快速閥，還測(cè)試了復(fù)合熱膜敏感探頭的頻率響應(yīng)特性。已知標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速儀的頻響為10kHz，曲線的頻率響應(yīng)主要受到吹風(fēng)裝置的頻率響應(yīng)特性限制。經(jīng)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)裝置氣流建立時(shí)間約為2ms，關(guān)斷時(shí)間約為1ms。測(cè)試結(jié)果如圖7所示，其中紅色為標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速儀的響應(yīng)曲線，藍(lán)色為復(fù)合熱膜敏感探頭的響應(yīng)曲線，由圖7可見(jiàn)，2個(gè)風(fēng)速儀上升下降基本同步，上升時(shí)間約為2ms。受實(shí)驗(yàn)裝置的限制，開(kāi)關(guān)快速閥時(shí)空氣流量實(shí)際幅值變化很大，考慮到風(fēng)洞湍流實(shí)際幅值變化的特點(diǎn)，幅值一般為風(fēng)速值的千分之一左右，估算熱膜探頭至少可以達(dá)到2kHz的頻率響應(yīng)，可用于低速風(fēng)洞2kHz內(nèi)的湍流強(qiáng)度測(cè)量。

表5 風(fēng)速對(duì)比Table 5 Comparision of the air velocities

圖7 動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線Fig.7 Dynamic response curve

4 結(jié) 論

重點(diǎn)對(duì)復(fù)合熱膜敏感探頭溫度補(bǔ)償方法和補(bǔ)償電路進(jìn)行了研究，解決了復(fù)合熱膜敏感探頭在進(jìn)行低風(fēng)速測(cè)試時(shí)溫差的精確控制，實(shí)現(xiàn)了低風(fēng)速的高精度測(cè)試，在低風(fēng)速下，電壓測(cè)試精度可達(dá)0.5%，風(fēng)速測(cè)試精度可達(dá)±0.01m/s。

對(duì)提高復(fù)合熱膜敏感探頭輸出靈敏度方法進(jìn)行了研究，輸出信號(hào)不隨氣流溫度變化而改變，具有輸出靈敏度可調(diào)的特點(diǎn)。在不同風(fēng)速，可根據(jù)需要選用不同的靈敏度。在低風(fēng)速測(cè)試時(shí)，通過(guò)調(diào)解R5提高溫差，提高低風(fēng)速測(cè)試的靈敏度；在需要高速測(cè)量時(shí)，通過(guò)調(diào)解R5降低溫差，提高高風(fēng)速測(cè)試的靈敏度。在2m/s的低流速下，最高可輸出3.5V電壓，靈敏度達(dá)到0.01m/s，實(shí)現(xiàn)了較高的靈敏度。

采用MEMS技術(shù)，通過(guò)最大限度減小加熱電阻和測(cè)量電阻的體積，達(dá)到較好的響應(yīng)頻率。

解決了復(fù)合熱膜敏感探頭體積過(guò)大，使用不方便的問(wèn)題。熱膜探頭尺寸僅為為2mm×2mm，對(duì)風(fēng)洞流場(chǎng)的影響微乎其微；后端調(diào)理電路部分尺寸為3cm×4cm，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合熱膜探頭的微型化設(shè)計(jì)。

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(編輯：張巧蕓)

Low speed and turbulence measurements based on composite hot-film technology

Song Weiwei*, Han Jie, Chen Tianyi, Zhou Ping

(Facility Design and Instrumentation Institute， China Aerodynamics Research and Development Center, Mianyang Sichuan 621000， China)

The paper studies the composite hot-film test method used to measure the air velocity and turbulence at low speed. The output sensitivity of the air velocity measurement is generally low in wind tunnel tests. In order to improve the sensitivity of the hot-film sensitive probe when the velocity is very slow, the temperature difference between the hot-film and the airflow is enhanced. The velocity and turbulence of the low speed airflow can be accurately measured even when it is under 2m/s. In order to correct the output of the hot-film sensitive probe influenced by the gas temperature, the methods of temperature compensation and compensation circuit are studied. A special circuit is designed to obtain the accurate control of temperature difference. By matching the structune, size and components of the hot film reasonably, the hot film sensitive probe is miniaturized. Using the MEMS technology, good frequency response of the probe is achieved by reducing the size of the thermal resistances and measurement resistances. Test results show that the composite hot-film sensitive probe can satisfy the requirement of the low speed and turbulence measurement.

hot-film；sensitive probe；temperature compensation；turbulent intensity；dynamic characteristics

1672-9897(2015)04-0070-05

10.11729/syltlx20140134

2014-11-26 ;

2015-02-27

SongWW，HanJ，ChenTY,etal.Lowspeedandturbulencemeasurementsbasedoncompositehot-filmtechnology.JournalofExperimentsinFluidMechanics, 2015, 29(4): 70-74. 宋巍巍, 韓 杰, 陳天毅, 等. 基于復(fù)合熱膜技術(shù)的低風(fēng)速及湍流測(cè)量. 實(shí)驗(yàn)流體力學(xué), 2015, 29(4): 70-74.

TH815

A

宋巍巍(1972-)，女，遼寧丹東人，高級(jí)工程師。研究方向：風(fēng)洞自動(dòng)化測(cè)試技術(shù)。通信地址：四川省綿陽(yáng)市二環(huán)路南段6號(hào)(621000)。E-mail:songvv@mail.ustc.edu.cn

*通信作者 E-mail: songvv@mail.ustc.edu.cn