王樂

（寧夏煤礦安全監(jiān)察局安全技術(shù)中心，寧夏 銀川 750001）

風作為一種常見的自然現(xiàn)象，其對于人們生產(chǎn)與生活各個方面都有著十分重要的影響。尤其是在氣象勘測領域中，可根據(jù)風的變化來對異常天氣進行預估，進而減少可能造成的損失。在農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)領域中，其可利用風速和風向信息來對播種和噴灑農(nóng)藥等工作時機進行掌握；在工業(yè)生產(chǎn)領域中，風向與風力的變化也對污染物會造成一定的影響，由此對于一些高要求節(jié)能減排的工業(yè)也會受到該方面的限制。由此基于實際生產(chǎn)需要，對于風向與風速的檢測尤其重要，這也是風向風速傳感器研制的主要動力和原因。

1 風向風速傳感器的工作系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 芯片結(jié)構(gòu)

本文所選擇研究的風向風速傳感器測量系統(tǒng)是采取MEMS技術(shù)加工的芯片。基于傳感器工作原理分析，熱溫差型的風向風速傳感器包含測溫元件（主要用于芯片上下游溫差測量）、加熱元件（加熱傳感器，能夠使溫度場超過環(huán)境溫度）、溫度傳感器（主要用于芯片平均溫度測量）。

使用多晶硅加熱條作為傳感器加熱元件，使用P型鋁熱電堆/多晶硅作為測溫元件，使用PNP晶體管測量芯片平均溫度。加熱電阻是通過串并聯(lián)4個多晶硅加熱條構(gòu)成，以中心點為中心對稱分布在芯片表面，從而保證芯片表面均勻受熱。作為傳感器的溫敏元件，4個鋁熱電堆/多晶硅利用兩兩串聯(lián)，包圍了加熱電阻，能夠?qū)蓚€正交方向的芯片表面溫度差進行測量。使用縱向的方式布置中心PNP晶體管，使寄生晶體管效應得到避免。其集電極的組成成分為硅襯底，利用接地方式。這種連接和配置方式雖然對大部分電流鏡和放大器不適用，但是卻能夠通過連接二極管的方式用于芯片平均溫度測量。

1.2 芯片封裝的方法

在傳感器加工完成后，需要先后開展劃片、清洗、烘干等步驟，在陶瓷基板下方貼一種導熱性能較好的導熱貼，擁有29W/(m·K)的熱導率。這種熱導膠具有光滑、柔軟的優(yōu)勢，同時存在觸變性，在微電子等領域的芯片貼裝中的應用非常廣泛。使用一種精細陶瓷材料作為陶瓷基板，其擁有高達32W/(m·K)的熱導率，能夠?qū)崿F(xiàn)對芯片熱量的快速傳導，從而更好地連接空氣和縱向上芯片熱場。同時陶瓷擁有平滑的表面，具有耐磨損、耐腐蝕、硬度高等優(yōu)勢，在較為惡劣的自然環(huán)境下能夠保證傳感器不被破壞，能夠有效提升傳感器運行的穩(wěn)定性。

在芯片粘貼完陶瓷基板后需進行烘干，并將具有絕緣特性的膠均勻涂抹在陶瓷基板與芯片四周的連接處，再利用軟邊帶粘合。在固定完軟邊帶后需要再次烘干，然后有效的鍵合芯片與軟邊帶之間的引線。為了對機械破壞和外部腐蝕進行有效預防，需要將保護膠涂抹在引線上。

在完成上述步驟后，還需要將黑化鋁環(huán)裝在陶瓷基板與芯片的外圍，并且利用環(huán)氧樹脂膠水有效的粘合兩者。經(jīng)過黑化處理的鋁環(huán)擁有更強的熱輻射作用，能夠使陶瓷外圍溫度與環(huán)境溫度更加接近。

最后，粘合鋁環(huán)與帶有測溫二極管的塑料底座。測溫二極管能夠?qū)Νh(huán)境溫度進行測量，在CTD模式下可以有效的反饋與控制溫度。

1.3 測控電路

想要構(gòu)建一個完善的風速風向檢測系統(tǒng)，除了制作高性能的傳感器芯片外，還需要一個與之相匹配的外圍電路。作為敏感元件，傳感器芯片主要用于風速風向變化的檢測；加熱元件完成熱場的構(gòu)建，測溫元件對熱場變化進行檢測；外部硬件電路主要包括檢測和控制兩個部分。

控制部分的作用就是設置敏感芯片控制模式，檢測電路主要是處理測溫元件輸出的信號，從而為單片機采集信息提供方便。軟件系統(tǒng)的主要作用就是采集電路的輸出信息和完成補償控制。有效的處理這些信息能夠完成風速風向信息的獲取，并且能夠有效的傳輸或顯示風速風向信息。

設計與實現(xiàn)CTD硬件控制電路是構(gòu)建整個系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。CTD控制模式需要一直保持恒定的環(huán)境溫度與芯片溫度差值。與已有電路相結(jié)合開展優(yōu)化，合理的偏置環(huán)境測溫以及芯片測溫的二極管，再與放大器輸出相結(jié)合實現(xiàn)加熱功率調(diào)整，從而對環(huán)境溫度和芯片溫度的差值進行有效控制。

該控制電路的反饋控制部件為環(huán)境溫度二極管，能夠滿足自動控制CTD硬件的需求，能夠更為平穩(wěn)的完成控制過程，同時擁有更快的電路響應速度。另外，有效的匹配了環(huán)境溫度二極管和芯片測溫二極管，可以完成兩者溫度系數(shù)的間接調(diào)整。在相同的溫度系數(shù)下在硬件上可以實現(xiàn)對溫漂的有效抑制。

在這個過程中還需要對一些問題進行特別注意：

（1）加熱功率的合理選擇，隨著功率的不同與之對應的溫差也不同。如果設置過小的溫差，將會在很大程度上降低高風速下的傳感器靈敏度；同時也不能設置過低的加熱功率，否則可能達不到理想的芯片溫度，最終將無法使CTD控制的條件得到滿足。

（2）在采集和放大信號時應該對元器件進行合理選擇。對于部分特定的傳感器芯片來說，必須與其輸出信號特征相結(jié)合來選擇器件類型，保證周圍的環(huán)境噪聲不會淹沒傳感器輸出的小信號。

（3）輸出范圍的合理調(diào)整，其主要是為單片機采樣提供便利。單片機采樣擁有2.5V的最大電壓、6V以上的加熱電壓，所以應該與加減法電路相配合完成加熱電壓輸出范圍的合理調(diào)整，保證單片機能夠有效地對其完成采樣，并最終顯示在LCD上。

準確的對應所有原器件，完成焊接工作后將電源和傳感頭接入，就可以進行最后的測試工作。

1.4 傳感器系統(tǒng)的測試分析

（1）量程。在傳感器系統(tǒng)中量程屬于重要的指標。經(jīng)過相關(guān)測試，本傳感器系統(tǒng)至少能夠達到40m/s的量程，能夠使自然環(huán)境中的使用需求得到有效滿足。

（2）風速精度。對風速采用熱溫差模式測量，表征方式為單一方向輸出電壓，最終結(jié)果顯示，當風速處于0～15m/s的范圍時，擁有0.5m/s以內(nèi)的風速測量誤差，當風速超過15m/s的范圍時，擁有4.18%的最大測量誤差，能夠使國家風向風速觀測要求得到滿足。

（3）風向精度。與國家相關(guān)要求相結(jié)合，應保持5°以內(nèi)的風向誤差，本系統(tǒng)能夠使相關(guān)要求得到滿足。

2 風向風速傳感器的原理

2.1 風向傳感器

風向傳感器由光電組件、各類碼盤、單風標組成，屬于光電型傳感器。當風向變化推動封標轉(zhuǎn)動時，通過軸的轉(zhuǎn)動能夠使其下方的格雷碼盤一起跟著轉(zhuǎn)動，在狹縫中轉(zhuǎn)動光電組件，會有光信號產(chǎn)生在經(jīng)過放大整形后，會根據(jù)當時的風向幅度輸出相對應的12V6位格雷碼（習慣上低電平為0，高電平為1），當風向信號處于轉(zhuǎn)動狀態(tài)時以5.6度的分辨率為步進變化。擁有0～360°的測量范圍，共包括方位64個。

2.2 風速傳感器

本文中研究的風速傳感器為WAA-15，其屬于光電型風速計，擁有三風杯、低門限、高響應的特點，將齒盤裝接在風速計轉(zhuǎn)軸上作為轉(zhuǎn)換器，在光電三極管和光電耦合器發(fā)光管之間安置齒盤，能夠?qū)崿F(xiàn)同時轉(zhuǎn)動，在印制電路板上布置光電耦合器。轉(zhuǎn)盤的尺度較多，當軸轉(zhuǎn)動時會帶動齒盤轉(zhuǎn)動，齒盤上的齒度會切割發(fā)光管LED發(fā)射的光束，光電三極管會輸出相應的脈沖。當光束被每個齒遮住時會出現(xiàn)低電平表現(xiàn)，當軸轉(zhuǎn)動一周后，由于光束被多次切割會出現(xiàn)一高一低的脈沖信號輸出。所以，無論國內(nèi)仿制的傳感器，還是WAA-15，其輸出的頻率信號均與風速成正比。

3 風向風速傳感器的檢測

3.1 風向傳感器的檢測

在檢測風向傳感器時主要依靠其產(chǎn)生的格雷碼和封標方位。6位格雷碼所包含的方位是64個，在檢測的過程中應先進行典型方位選擇，并檢測和判斷相應的格雷碼。與格雷碼對應表相結(jié)合，格雷碼與四個典型方位存在以下對應關(guān)系：0°（360°）對應000000,90°對應110000，180°對應101000,270°對應011000。與對應表相結(jié)合能夠有效的檢查傳感器，并完成傳感器是否正常的判斷，在實際檢測過程中可以通過以下流程進行：

首先，檢測典型方向的格雷碼。將主設備向與傳感器的信號連線全部斷開，僅對地線連接供電進行保留，然后檢測傳感器格雷碼。將風向標分別轉(zhuǎn)至四個典型方位，通過萬用表對斷開信號線的電平進行測量，格雷碼的低電平0為0V，格雷碼的高電平1為12V。在這種環(huán)境下，測出的格雷碼必須與典型方向所對應的格雷碼相同。通過這種方式能夠?qū)鞲衅鲀?nèi)穩(wěn)壓防護電路、脈沖整形電路、格雷碼盤是否正常進行判斷。

其次，是檢測六位碼的單碼。通過上述檢查還不能夠?qū)鞲衅魇欠裾＿M行準確判斷。與四個典型方向的格雷碼相結(jié)合，在上述的檢測中還沒有有效的檢測三個低位碼的變化。所以，為了檢測三個低位碼對應的光敏管和LED發(fā)光管是否正常，還應該借助指針式萬用表進行深入測量。萬用表需要與六根信號線進行分別連接，測量過程中需要轉(zhuǎn)動風標，轉(zhuǎn)動幅度不可以少于360°，在0～12V兩個點上每根信號線的電平都至少應該產(chǎn)生一次變動。在檢測完成后，能夠?qū)鞲衅鲀?nèi)光敏管和LED發(fā)光管是否正常進行準確判斷，與典型方向格雷碼檢測相配合，可以全面、準確的檢測風向傳感器是否正常。

3.2 風速傳感器的檢測

在檢測風速傳感器時主要分為兩個方面的內(nèi)容，分別為風速數(shù)據(jù)處理電路檢測和傳感器檢測。

首先，在檢測風速數(shù)據(jù)處理電路時，應該先將傳感器斷開，并且向風速處理電路輸入風速信號，風速信號可以利用低頻信號發(fā)生器產(chǎn)生，并保持5～12V的幅度，保持100Hz的頻率。在風速信號的輸入端連接信號發(fā)生器輸出端，處理設備上的風速數(shù)據(jù)結(jié)果應為10m/s。并與v=0.1f相結(jié)合，調(diào)整低頻信號發(fā)生器的輸出頻率，分別模擬幾組高中低風速信號，并且與測試終端的顯示相結(jié)合完成多次驗證。

其次，在檢測傳感器時，應該先將處理電路與傳感器之間的兩根風速連接線斷開，并且在傳感器上連接電源線，通過數(shù)字萬用表完成傳感器輸出脈沖頻率信號的測量。在工作經(jīng)驗能夠滿足相關(guān)要求時，測量工作也可以通過指針式萬用表完成，從而判斷轉(zhuǎn)動風杯時的指針抖動情況。在條件允許的情況下，可以通過示波器來明確脈沖頻率和形狀，對傳感器是否正常進行準確判斷。在這個過程中需要注意的是，通過上述檢測措施僅能對風速傳感器電路能否正常工作進行判斷，卻無法準確的判斷風速測量數(shù)據(jù)的準確性，必須與風洞試驗檢測相配合，才能得出準確的結(jié)果。

4 結(jié)語

綜上所述，在檢測風速風向傳感器的過程中，相關(guān)人員應該充分掌握風向傳感器和風速傳感器的工作原理及檢測方法，從而有效的檢測風向風速傳感器能否準確的測量風向風速信息。

另外，相關(guān)人員除了利用上述的檢測方法外，還應該重視風傳感器的保養(yǎng)和維修工作，在開展各項工作的過程中，必須對傳感器及其相關(guān)設備的信號傳輸方式、處理方式、信號格式以及工作原理進行充分掌握，從而有效提升相關(guān)工作的質(zhì)量。